数控高速滚齿机总体布局及尾座部件设计

数控高速滚齿机总体布局及尾座部件设计11绪论齿轮是机械产品的重要基础零件，它以其恒功率输出、承载能力大、传动效率高等优点而被广泛应用于机床、汽车、摩托车、农机、建筑机械、工程机械、航空、兵器、工具等领域，其质量、性能、寿命直接影响到各类机械的总成质量。齿轮因其形状复杂，技术问题多，制造难度较大，也造成齿轮加工机床的高度复杂性，所以齿轮制造水平在较大程度上反映了一个国家机械工业的水平。近年来，随着汽车、机械、航天等工业领域的不断发展，对齿轮提出了更高的要求：传动速度大、承载能力强、使用寿命长、运行噪音小、制造成本低，相应地对齿轮的设计、加工、检测等方面也提高了要求。在这种背景下，现代设计方法、先进制造技术、计算机技术及相关技术的交叉融合，使齿轮相关技术的研究进入了一个崭新的阶段。1.1齿轮加工技术圆柱齿轮的加工方法很多，按齿廓形成原理，可以分为成形法和展成法两大类。成形法是用刃部形状与被切齿轮槽形状相同的成形刀具来加工齿轮的，属于成形法的齿轮加工方法有铣齿、拉齿、冲齿、成形磨齿、压铸等。展成法又称滚切法，是加工时切削刀具与工件作相对展成运动，刀具和工件的瞬心线相互作纯滚动，两者之间保持确定的速比关系，所获得加工表面就是刀刃在这种运动中的包络面。现代齿轮生产中，主要是展成法。属于展成法的齿轮加工方法有滚齿、插齿、剃齿、珩齿、展成法磨齿、车齿等。①滚齿加工滚齿是一种高效的、应用最广泛的一种齿廓加工方法，是依照交错轴斜齿轮啮合原理进行加工的。滚齿精度一般可达7~8级，当采用高精度滚刀和高精度滚齿机时，可滚切5级精度的齿轮。目前滚齿加工的先进技术有：1）多头滚刀滚齿，可以大幅度提高生产效率，滚刀头数最多可达7头，但各头之间的偏差影响齿轮的齿向精度。2）硬齿面滚齿技术，国外硬齿面滚齿精度达DIN6级，加工费用仅为磨齿的1/3，效率较普通的磨齿高1～5倍，且无磨削烧伤或裂纹。3）滚齿机数控化，大幅度提高了机床的加工精度及工艺能力指数，增加了机床的可靠性并且扩大了机床的加工范围。4）干切工艺。德国Liebherr公司的LC80系列滚齿机，美国Gleason一Pfauter公司的GP130系列滚齿机，日本三菱重工公司的GN10系列滚齿机等均可以采用高速干式切削加工。国内齿轮机床制造厂家在齿轮加工干切技术方面，目前正处于研究的初级阶段。在CIMT2005机床展上，日本三菱公司展出的GE15A滚齿机上，采用了表面涂有超级干切涂层的MACH7数控高速滚齿机总体布局及尾座部件设计2高速钢滚刀，线速度达250m/min；重庆机床厂展出的YKS3112滚齿机上，采用了表面涂有DUAL涂层的硬质合金滚刀，线速度达181m/min。干式滚削具有高的生产率、高精度和高的工件质量，无切削液，工件不受油液污染，符合环保要求，属于无污染的绿色加工工艺。②插齿加工插齿也是广为采用的切齿方法，它是用形状为齿轮或齿条的插齿刀具，与被加工齿轮按一定的速度作相啮合运动的同时，刀具沿齿长方向作往复运动形成切削加工，特别适合于加工内齿轮和多联齿轮。采用特殊刀具和附件后，还可加工棘轮、内外花键、扇形齿轮、齿条、端面齿轮等。插削速度最高可达1000～2500次/min冲程数，加工精度达5～6级。插齿技术的研究重点有：1）插齿机的数控化，以便加工椭圆齿轮、非圆齿轮和特殊形状的齿轮。2）提高插齿机的冲程次数，从而提高插齿效率。3）硬齿面齿轮的插削工艺的研究。4）数控插螺旋齿，以提高螺旋齿轮的加工精度。③剃齿加工剃齿方法除了人们所熟知的平行轴剃齿、对角剃齿外，径向剃齿的发展近年来格外引人注目。径向剃齿由于只作径向进给运动而省掉了轴向或对角进给，因而效率大大提高。径向剃齿时，齿轮的齿形和齿向修形均靠剃齿刀修形完成。剃齿刀齿面轮廓形状和精度要求高，齿形要求中凹，齿向要反鼓，同时对剃齿刀刃口槽形位置、形状（如刃口错位排列）、矩形槽都有很高要求，因此剃齿刀设计和制造上都有相当的难度。近年来由于径向剃齿刀的研制成功，使径向剃齿这一高效方法在越来越多的齿轮加工中得到应用。国内一些工具厂近年来成功地研制出径向剃齿刀，同时不少齿轮制造厂引进了相应的剃齿刀修磨机床，因而径向剃齿工艺在我国也得到了越来越广泛的应用。由与径向剃齿比平行剃齿或对角剃齿产生更大的径向挤压力，因此要求机床具有更高的刚性。重庆机床厂近年开发的YA4232A剃齿机和YAT4232径向剃齿机均具有很高的刚性，适合于汽车、摩托车和机床齿轮的剃齿加工。④珩齿加工珩齿技术的发展经历了从自由珩到强迫珩，从最初的齿轮式外啮合珩到蜗杆珩再到现在的内啮合珩等阶段。最初的齿轮式外珩齿技术，采用的是自由珩技术，靠珩轮轮齿对工件齿轮表面进行光整加工，可有效地改善齿面质量。80年代，卡谱（Kapp）公司推出的VAC65型珩齿机，采用了称为Coronieren的硬齿面精加工方法。其珩磨轮是一个有高精度内齿轮的钢环，内齿轮齿面上电镀单层CBN磨料。工具齿轮与工件齿轮间采用电子同步系统相联系，运转中通过进给使工件齿轮的各项误差逐渐得到修正，从而达到十分稳定的精度。目前晰齿都用于中、小模数的齿轮。我国大连理工大学研究了可控电解珩磨工艺，解决大模数齿轮的数控高速滚齿机总体布局及尾座部件设计3珩齿，其特点是不受齿轮模数、齿数、尺寸及结构形式限制，可在滚齿的基础上，将齿形精度提高1～2级，表面粗糙度降低到Ra0.5m以下。⑤磨齿加工磨齿是获得高精度齿轮最有效和可靠的方法。由于现在多用硬齿面的齿轮，磨齿成为高精度齿轮的主要加工方法。目前碟形砂轮和大平面砂轮磨齿精度可达DIN2级，蜗杆砂轮磨齿精度达DIN3～4级，锥形砂轮磨齿精度达DIN4～5级。磨齿的主要问题是效率低、成本高，所以提高磨齿效率，降低费用成为当前主要研究方向。近年来出现的新技术有：1）改进磨削方法，Maag公司提出了“K磨削法和Niles公司提出了“双面磨削法”，提高了磨齿效率。2）应用立方氮化硼砂轮高效磨齿，比用单晶刚玉砂轮磨削效率提高5-10倍，被磨削表面不易发生烧伤和裂纹，疲劳强度高。3）采用数控技术，提高了效率和自动化程度，获得了稳定和可靠的精度。4）开拓新的磨削原理和磨齿工艺，瑞士赖斯豪尔公司新开发的RZP200型磨齿机采用了环面蜗杆砂轮磨削的连续成形磨齿工艺，其效率是普通磨齿法的5倍。以上几种圆柱齿轮工艺方法与加工精度的比较见表1.1表1.1圆柱齿轮工艺加工方法和加工精度比较工艺方法工艺方法简图加工精度加工特点滚齿5～9生产率高，通用性大，连续分度滚齿，运动误差易保证插齿5～8适用于中小模数齿轮加工，通用性好，广泛用于内齿轮、双联及多联齿轮加工剃齿5～7主要用于齿轮的滚、插预加工后的精加工，和磨齿相比，具有效率高，成本低，齿面无烧伤和裂纹等优点数控高速滚齿机总体布局及尾座部件设计4珩齿6～8效率高，成本低，表面质量好，齿面无烧伤，尤其适用于作硬齿面滚、插后改善表面粗糙度的后续工序磨齿成型砂轮磨齿7～8生产率很高，砂轮是专用的，适用于较大批量生产齿轮蝶形砂轮磨齿4～7采用碟形砂轮的棱边磨削不加冷却液，生产率较低蜗杆砂轮磨齿5～7生产率很高，特别适用于成批生产和大量生产1.2传统滚齿机分析传统滚齿机典型机型Y3150E，传动系统图如图1.1所示。传统的滚齿机传动采用单电机驱动，用分流传动方式驱动多个执行机构，内联传动链严格的速度同步与行程同步关系是靠具有准确传动比的传动元件（齿轮、蜗轮、蜗杆等）实现的，调整环节采用挂轮以保证足够精度的传动比与调整范围。传动系统有五条传动链：主运动传动链、展成运动传动链、轴向进给传动链、附加运动传动链、快速空行程传动链。这些传动使滚齿机只具有滚切圆柱齿轮、蜗轮的加工能力，其工作范围不仅较窄，而且机械结构复杂，且传动链上的工作元件多。例如展成运动链和附加运动链除了要必须经过合成运动机构外，从首端件到末端件还各自需要经过9对齿轮、蜗杆蜗轮、以及10根左右轴的顺序传递；轴向进给传动链则需要经过8对齿轮、蜗杆蜗轮、丝杠螺母、7根轴的顺序传递。这些传动链不仅传动元件多，积累误差大，而且误差还交替传递，尤其是展成运动链和附加运数控高速滚齿机总体布局及尾座部件设计5动链有一部分重复使用，这样就易形成误差的交替传递，从而将附加运动的传动误差，传入到要求分度运动准确性很高的展成运动上。传统机械滚齿机的滚刀主轴转速最高为500rpm，工作台转速最高为32rpm。传统机械传动链滚齿机已经不适合新型机床对传动精度与传动速度的要求。由于各传动元件的制造和安装误差，使得内联传动链首端件和末端件不能按理想的传动关系运动，存在传动误差。滚齿机传动链精度是指按规定的工件齿数调整后，工件主轴相对于滚刀主轴回转运动的转角误差。传动链中的传动环节与传动元件越多，传动误差的来源越多，传动误差也越大，传动链的传动误差是影响齿轮加工精度的主要因素。提高内联传动链的传动精度一直是此类机床的研究重点。图1.1Y3150E滚齿机传动系统图1.3数控滚齿机分析二十世纪80年代以来，数控滚齿机进入了实用阶段。随着计算机技术、电子技术和自动控制技术的发展，国外滚齿机产品中，数控滚齿机已占主导作用，我国研制的数控滚齿机始于二十世纪80年代中期。数控滚齿机的机械结构，在很多方面继承了传统机械滚齿机的特点，但由于应用了数控技术所以在结构上作了相应的改进，以充分发挥机电一体化的优势。现代数控滚齿机，各个运动都由单独的伺服电机驱动，交流主轴电机直接安装在刀架上，经过几对高精度圆柱斜齿轮传至滚刀主轴，区别于传统滚齿机设计中主轴运动由普通或变频电机通过较长传动链传至主轴，而此设计大大降低数控高速滚齿机总体布局及尾座部件设计6了传动误差，提高了传动精度，并增强了相关的传动特性和传动刚性，转速可达1500rpm。工作台采用大直径高精度圆柱斜齿轮传动，改变了传统的工作台由蜗轮、蜗杆传动的形式，提高了加工效率，采用高精度、高刚性滚动轴承支承，最高转速可达150rpm，显著提高了机床的加工精度。数控滚齿机采用全数字控制，并带有EGB（ElectronicGearBox）电子齿轮箱，由它代替了传统机械滚齿机各种交换齿轮的功能，所以机床各项运动精度高，调整方便。机床的柔性好，切削循环可设置一次、二次方框循环，L循环等多种切削循环方式，除可加工圆柱直齿轮、斜齿轮、短花键轴、链轮、蜗轮等外，还可加工多种锥齿轮、鼓形齿等特殊齿形的齿轮。图1.2数控滚齿机传动系统图数控滚齿机由于传动链大大缩短，减少了轴、轴承和齿轮等元件的制造误差、间隙和装配误差的影响；另一方面由于刚度的提高和热变形的减少保持了精度的稳定性；第二是可以方便地对机械误差进行补偿。所以相对传统机械滚齿机来说，机械误差对加工精度的影响能得到有效的控制。图1.2是国内目前最先进的数控滚齿机传动系统图。1.4滚齿加工技术的发展趋势滚齿是国内外应用最广的切齿方法，一些国家滚齿机的拥有量约占所有齿轮机床总量的45～50%。为适应齿轮加工行业对制造精度、生产效率、提高质量及清洁生产的要求，滚齿机及滚齿加工技术出现了以下几个发展趋势：①全数控化所谓的全数控化，指不仅齿轮加工机床的各轴进给运动是数控的，而且机床的展成运动和差动运动也是数控的，即机床的各运动轴进行CNC控制及轴间实现联动。数控高速滚齿机总体布局及尾座部件设计7齿轮加工机床全数控化后具有如下特点：1）机床结构发生革命性的变化齿轮加工机床全数控化使得机床传动链大大缩短，并且各轴间没有机械传动的联系，与传统机床相比机床的结构大大简化，增强了机床的刚性。机床结构的简化，更有利于实现结构的模块化。2）提高齿轮的加工精度机械传动链缩短或完全被取代，刀具磨损的自动补偿，计算机技术的快速发展，新的智能控制算法的应用，伺服系统的脉冲当量的进一步减小，从而提高了机床的加工精度及工艺能力指数。3）提高齿轮加工的效率完全排除了交换齿轮和行程挡块的调整，缩短调整时间，而且可在一次安装下不经过任何调整就可加工多联齿轮。工件程序可以储存供再次加工时调用，调整时间显著缩短，一般调整时间仅是非数控系统的10%～30%。4）高精度快速地加工非圆齿轮、修形齿轮由于数控技术的