數(shù)控人字齒銑削中心Z軸的設(shè)計(jì)與研究

翁興宇

（揚(yáng)州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 揚(yáng)州225003）

在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中，數(shù)控機(jī)床是加工機(jī)械零件的主要設(shè)備，現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)正朝著開放、高速、高精、高可靠性、復(fù)合化和智能化的方向發(fā)展。機(jī)床作為“工作母機(jī)”，決定了它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的核心地位，機(jī)床制造業(yè)是機(jī)械制造業(yè)不可或缺的一部分，為機(jī)械制造業(yè)提供了先進(jìn)的加工設(shè)備和加工工藝，國(guó)家高端數(shù)控機(jī)床的多樣化和質(zhì)量是行業(yè)的重要指標(biāo)[1]，同時(shí)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展水平能夠衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)的現(xiàn)代化程度。伴隨著制造業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)機(jī)床的性能要求越發(fā)嚴(yán)格。本文以復(fù)合機(jī)床設(shè)計(jì)理念將人字齒與數(shù)控銑削中心結(jié)合，探討數(shù)控人字齒銑削中心Z軸的設(shè)計(jì)方案。

1 數(shù)控人字齒銑削中心概述

數(shù)控人字齒銑削中心融入了復(fù)合機(jī)床的設(shè)計(jì)理念，采用雙主軸箱設(shè)計(jì)。立銑刀主軸箱主要用于中輕載銑削，盤銑刀主軸箱主要用于重載銑削。數(shù)控人字齒銑削中心具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：使用標(biāo)準(zhǔn)立銑刀，不需要定制刀具；具備豐富的齒形、齒向修形功能；利用標(biāo)準(zhǔn)立銑刀加數(shù)控運(yùn)動(dòng)的方法包絡(luò)齒面，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)線嚙合、圓弧齒等異形齒面加工，解決傳統(tǒng)方法無法加工零退刀槽人字齒問題；加工精度可提升至GB5-6級(jí)。盤銑刀主軸可以完成人字齒高效粗加工，普通直斜齒輪高效粗精加工；集成多種軟件，采用有限元方法分析機(jī)床主要零件的動(dòng)態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)機(jī)床主要部件的剛?cè)狁詈辖５?。同時(shí)數(shù)控人字齒銑削中心可以滿足零件高精度、加工高效率的要求，將多個(gè)工步集中到一臺(tái)機(jī)床上，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低了成本。研究數(shù)控人字齒銑削中心具有很大的意義，其主要面向鍛壓機(jī)械、石油機(jī)械及重載增減速機(jī)等行業(yè)，可完成大尺寸、多品種的齒輪加工，加工效率、精度高、可靠性高，并且價(jià)格是國(guó)外的1/4～1/3，因此數(shù)控人字齒銑削中心有著廣泛的應(yīng)用前景。

2 設(shè)計(jì)原始參數(shù)

在進(jìn)行數(shù)控人字齒銑削中心Z軸的設(shè)計(jì)與研究時(shí)，其主要原始參數(shù)如下：Z軸最大進(jìn)給速度為3000mm/min，Z軸行程為1000mm，SP1主軸轉(zhuǎn)速為200～3500r/min，SP2主軸轉(zhuǎn)速為70～140r/min。

3 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)

進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)是通過接收測(cè)量反饋裝置發(fā)出的指令，由位置控制模塊和速度控制單元來對(duì)指令進(jìn)行識(shí)別、轉(zhuǎn)換，并放大一定倍數(shù)，再由動(dòng)力輸出裝置將信號(hào)指令轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)力輸出到機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來帶動(dòng)機(jī)械執(zhí)行部件的穩(wěn)定運(yùn)行。進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)被加工產(chǎn)品的精度起著至關(guān)重要的作用，其傳動(dòng)部件要滿足很高的設(shè)計(jì)要求，分別是能夠克服負(fù)載和摩擦力，低速時(shí)不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，剛性好，有較高的工作精度，能快速響應(yīng)，運(yùn)動(dòng)部件的慣量小，盡量消除傳動(dòng)系統(tǒng)中的間隙，良好的阻尼性等。其目的是保證機(jī)床工作臺(tái)獲得合理的進(jìn)給速度和刀具準(zhǔn)確的定位或各軸之間準(zhǔn)確的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)方案如下。

進(jìn)給伺服系統(tǒng)需要將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成Z軸復(fù)合拖板的上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，可以達(dá)到該目的的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)包括齒輪齒條傳動(dòng)、滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)裝置、蝸桿齒條傳動(dòng)。

在本次進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)裝置作為進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。滾珠絲杠副是一種將轉(zhuǎn)動(dòng)與移動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的裝置，被廣泛應(yīng)用于數(shù)控銑床中，選擇滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)裝置是因?yàn)槠淠Σ翐p失小、傳動(dòng)效率高，其驅(qū)動(dòng)扭矩僅只有傳統(tǒng)導(dǎo)螺桿的1/3，并且響應(yīng)靈敏、低速運(yùn)動(dòng)時(shí)不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，其次滾珠絲桿可以進(jìn)行預(yù)緊，以消除軸向背隙且降低因軸向力造成的彈性位移，同時(shí)滾柱螺桿剛性高，反向定位精度也高。

由此，根據(jù)部分齒輪加工機(jī)床有關(guān)資料和參數(shù)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定總體方案為：由交流伺服電機(jī)提供動(dòng)力源，經(jīng)過行星減速器匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩，將電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為Z軸拖板的上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)復(fù)合拖板在Z軸上移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)Z軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)

4 Z軸零部件的選擇

Z軸作為機(jī)床的進(jìn)給軸，其復(fù)合拖板上裝有Y軸、立銑刀主軸箱（SP1軸）和盤銑刀主軸箱（SP2軸）。通過建模可以得出其質(zhì)量分別為：軸5000kg、SP1軸2800kg、SP2軸4700kg。根據(jù)以上移動(dòng)部件可以取總體質(zhì)量m=14000kg。已知Z軸最大進(jìn)給速度為3000mm/min，水平負(fù)載移動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.005，負(fù)載移動(dòng)加速度a=0.5g/（m·s-2）。在本次Z軸進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，其主要考慮的是摩擦力和加速力的要求。經(jīng)計(jì)算加速力為7000N，摩擦力為687N，合力為7687N。

4.1 滾珠絲杠的選擇

滾珠螺旋傳動(dòng)相比較于其他形式的直線運(yùn)動(dòng)，具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：高效率及可逆性、零背隙及高剛性、低起動(dòng)扭矩及高順暢度、低噪聲等。

為了提高滾珠絲桿副的剛度以及消除間隙，可以通過預(yù)加載荷，使它在過盈的狀態(tài)下工作。預(yù)緊后的剛度可以提升至原來的2倍。但是由于預(yù)緊載荷過大，將會(huì)導(dǎo)致其摩擦力矩加大以及使用壽命下降。一般有如下3種預(yù)緊方式：雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊。

滾珠絲桿螺母副從問世至今，其結(jié)構(gòu)有十幾種之多，經(jīng)過多年的改進(jìn)，現(xiàn)國(guó)際上基本流行的結(jié)構(gòu)有4種，最常用的是外循環(huán)與內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)[2]。綜合考慮機(jī)床結(jié)構(gòu)要求、負(fù)載形式、工作狀況，本次設(shè)計(jì)中選擇FEZD型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式墊片預(yù)緊滾珠絲杠。

滾珠絲杠精度等級(jí)的選擇應(yīng)遵循符合需求的精度等級(jí)，而不要選擇超過需求的精度等級(jí)以避免非必要的成本。通過查詢機(jī)械通用精度等級(jí)可知，復(fù)合機(jī)床Z軸滾珠絲杠可選擇的精度等級(jí)是2、3、4級(jí)，綜合考慮選用4級(jí)精度比較合理，即滾珠絲杠的牌號(hào)可暫定為FFZD****-*-P4。

在設(shè)計(jì)中需要按平均工作載荷和平均轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)絲杠參數(shù)，根據(jù)工作條件計(jì)算出平均轉(zhuǎn)速nav、平均工作載荷Fm和絲杠副計(jì)算載荷Fc，再根據(jù)壽命條件計(jì)算額定動(dòng)載荷Ca，計(jì)算出Ca后選擇滾珠絲桿的參數(shù)尺寸，最后進(jìn)行滾珠絲桿副穩(wěn)定性驗(yàn)算。

滾珠絲杠副的安裝有多種形式，絲杠和軸承的組合方式對(duì)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的剛性和精度有很大影響。其常用的組合形式有以下幾種，如表1所示。

表1 滾珠絲杠副支撐形式

通過分析，一端固定一端自由的安裝方式更適合垂直安裝，本次研究的數(shù)控人字齒銑削中心Z軸進(jìn)給系統(tǒng)為垂直方向的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，所以第四種支撐方式較為合適。

支撐形式為固定-自由，由于絲杠較長(zhǎng)，所以使用壓桿穩(wěn)定性來計(jì)算臨界載荷，通過計(jì)算與校核表明絲杠可以保持穩(wěn)定性，通過校核臨界轉(zhuǎn)速表明該傳動(dòng)結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生共振。

4.2 軸承的選擇

軸承的主要功能就是用來減少工作過程中的摩擦系數(shù)，支撐軸承內(nèi)部的轉(zhuǎn)體的。軸承的加工制造精度要求很高，所以與軸承相配合安裝的零件的加工精度要求也很高，軸承受損后就不能達(dá)到正常的使用效果，可能會(huì)導(dǎo)致軸承里面的滾動(dòng)體和保持架架出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象?，F(xiàn)代機(jī)械設(shè)備因軸承卡死而引發(fā)的故障，一般都是因?yàn)闆]有按照要求安裝軸承和軸承配合件。軸承與相配合的工件連接準(zhǔn)確能夠延長(zhǎng)它的使用壽命。

滾動(dòng)軸承由內(nèi)圈、滾動(dòng)體、保持架和外圈組成，它的體積較小、滾珠與內(nèi)外圈之間的阻力不高、轉(zhuǎn)動(dòng)準(zhǔn)確性好、裝拆方便等因此使用廣泛。滾動(dòng)軸承按絲杠的安裝方式和負(fù)載的形式不同，其組合方式也有所差異，選擇合適的軸承可以提高整個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)的精度。根據(jù)分析各類滾動(dòng)軸承的特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)選擇深溝球軸承和推力球軸承組合使用，最為適合Z軸負(fù)荷較大、轉(zhuǎn)速較低的工作條件。

4.3 電機(jī)和減速器的選擇

伺服電機(jī)是整個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)力源，是伺服系統(tǒng)的核心，從數(shù)控系統(tǒng)的初始端接收所發(fā)來的控制信號(hào)，然后進(jìn)行識(shí)別并將所發(fā)出的控制信號(hào)命令放大數(shù)倍，通過伺服電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩力，然后將轉(zhuǎn)矩力輸出，從而可以驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)所需要的動(dòng)力。電機(jī)的種類包括步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)、直線電機(jī)。電機(jī)選擇是否恰當(dāng)，對(duì)整個(gè)機(jī)械的性能及成本、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的組成及其繁簡(jiǎn)程度將有直接影響[3]。通過對(duì)比各類型電機(jī)的特點(diǎn)，選用用交流伺服電機(jī)比較符合本次設(shè)計(jì)的使用要求。

減速器的作用是降低轉(zhuǎn)速、增大扭矩、減小慣量等。根據(jù)工作方式的不同可以分為行星齒輪減速器、圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器、圓錐-圓柱齒輪減速器和蝸桿減速器。

通過對(duì)比上述幾種減速器的性能和使用功能性，結(jié)合本次設(shè)計(jì)采用的是交流伺服電機(jī)，同時(shí)需要高精度、大扭矩傳動(dòng)，所以采用行星減速器來實(shí)現(xiàn)減速的目的。

5 Z軸導(dǎo)軌設(shè)計(jì)

支撐和引導(dǎo)移動(dòng)部件在特定運(yùn)動(dòng)軌跡上運(yùn)動(dòng)的部件被稱為導(dǎo)軌。運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)軌跡有直線性運(yùn)動(dòng)、彎曲運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度受導(dǎo)軌制造精度影響。導(dǎo)軌在制造過程中的誤差將直接影響工作臺(tái)運(yùn)行的定位精度和幾何精度。導(dǎo)軌是數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的核心傳動(dòng)部件之一。它在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的精度和精度保持率，也是機(jī)床制造商中附加值最高的產(chǎn)品之一。由于執(zhí)行部件（主軸箱、滑動(dòng)箱、工具）的質(zhì)量很大，在重型數(shù)控機(jī)床上，對(duì)導(dǎo)軌的承載能力和重型重切削下的動(dòng)態(tài)性能提出了更高的要求。

本文設(shè)計(jì)的數(shù)控人字齒銑削中心Z軸，其復(fù)合拖板上裝有進(jìn)給軸（Y軸）、立銑刀主軸箱（SP1軸）和盤銑刀主軸箱（SP2軸），一般滑動(dòng)導(dǎo)軌或滾動(dòng)導(dǎo)軌不能滿足該軸的傳動(dòng)精度和承載能力要求，靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)困難，技術(shù)成本高，應(yīng)用少。因此，采用滾動(dòng)導(dǎo)軌和滑動(dòng)導(dǎo)軌復(fù)合，既有滾動(dòng)導(dǎo)軌的高速和高精度優(yōu)點(diǎn)，又結(jié)合了滑動(dòng)導(dǎo)軌平穩(wěn)承載能力大的優(yōu)點(diǎn)，使機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度高，承載能力大，其優(yōu)越性如表2所示。

表2 滾滑復(fù)合導(dǎo)軌的優(yōu)越性

復(fù)合拖板上裝有進(jìn)給軸（Y軸）、立銑刀主軸箱（SP1軸）和盤銑刀主軸箱（SP2軸），Z軸復(fù)合拖板在整個(gè)機(jī)床中起著至關(guān)重要的作用，其加工精度、力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)的合理性影響著進(jìn)給軸和數(shù)控軸的運(yùn)行精度。采用空心結(jié)構(gòu)，可以減輕質(zhì)量、節(jié)約材料，并且減小壁厚，加大截面的尺寸可以提高結(jié)構(gòu)的剛性，設(shè)置隔板和加強(qiáng)筋，提高復(fù)合拖板的自身剛度和局部剛度。

6 結(jié)語

隨著全球經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，中國(guó)機(jī)床行業(yè)的首要問題是提高自主創(chuàng)新能力。投資開發(fā)高端的自動(dòng)化設(shè)備和高利潤(rùn)的復(fù)合專用機(jī)床應(yīng)用于當(dāng)今的制造業(yè)是推進(jìn)社會(huì)發(fā)展的切實(shí)需求。在加工退刀槽小的人字齒輪時(shí)，滾齒等通用方法無法加工，采用指形銑、插齒等方法加工，效率較低，因此設(shè)計(jì)一種高效的、高精度的人字齒輪加工機(jī)床成為迫切的需求。