Y3150E型滚齿机设计

1、摘 要Y3150E型滚齿机刀架系统齿轮加工正朝着环保、高效、高精度及无屑加工方向发展，齿轮加工机床正朝着全数控、功能复合、柔性、自动化、安全性及网络化方向发展。传统机械式滚齿机传动结构异常复杂、传动效率低、传动精度差、磨损严重、切削速度低，在各方面都不能满足现代滚齿机的性能要求；普通全数控滚齿机虽然具有全数控化、柔性好、安全的特点，但是机械传动环节的存在始终限制其加工速度的提升，不能适应干式切削的需要。因此，国外的部分厂家从最近几年才开始研制“零传动”齿轮加工机床。零传动滚齿机突破了传统齿轮加工机床的结构设计原理，采用电主轴和内置力矩电机直接驱动滚刀旋转运动和工件轴旋转运动，是齿轮机床设计技术

2、的重大变革。但国外零传动机床的售价很高（是一般数控机床的 23倍），设计原理和技术资料严格保密，形成了技术垄断的局面。由于这里不能上传完整的毕业设计（完整的应包括毕业设计说明书、相关图纸CAD/PROE、中英文文献及翻译等），此文档也稍微删除了一部分内容（目录及某些关键内容）如需要其他资料的朋友，请加叩扣:2215891151为了打破国外的技术垄断，尽快提高我国齿轮加工机床的设计/制造水平，研究和开发高速、高精度零传动滚齿机是十分必要的。零传动滚齿机的研制基于零传动功能部件，由电主轴直接驱动的零传动刀架部件是研发的核心之一。我的课题主要内容是滚齿机刀架系统设计。滚刀箱固定在刀架滑板上，滚刀心轴

3、插入滚刀主轴并用拉紧螺栓固定在主轴上。为了保证主轴与前轴承的适当间隙，前轴承是做成外锥并开口。调整轴承上的两个螺母，可以使前轴承做轴向移动，使前轴承孔收缩便可消除主轴和轴承间过大的间隙。关键词：滚齿机、刀架、动静态特性 ABSTRACTY3150E type hobbing machine tool systemThe gear processing is developed an environment protecting, high-efficiency,high-precision and chipless machining mode, meanwhile the gear mach

4、ine tools developed the completely-digital-control, function-complex, flexible, automatic, secure and network mode. Traditional gear hobbing machine can not satisfy performance demand of modern gear hobbing machine, because of its disadvantages, such as complex drive structure, low drive efficiency,

5、 low drive precision, bad abrasion, low cutting speed, and etc. normal NC gear hobbing machine has characteristics of CNC,good flexible and safety, but because the mechanical drive limit the cutting speed , it also can not fit for the demand of dry cutting.so ,some overseas companies have started to

6、 study zero-chain gear hobbing machine . zero-chain gear hobbing machine breaks through structure design principle of traditional gear cutting machine ,in which motorized spindle and built-in torque motor have been applied to realize rotary of hobbing cutter and workpiece-shaft.it is an important te

7、chnological innovation of the design of gear machine tool. But the foreign Nought-Drive machine tools are expensive(2-3 times as much as the common digital-control machine tool), the design theory and the pertinent technical data are all kept absolutely secret that formed a situation of monopoly tec

8、hnology.In order to break the technology monopoly and improve the level of designing/manufacturing rapidly in our countrys gear cutting machine, its very necessary to study and develop high-speed and high-precision direct drive gear hobbing machine, one key of the research is the direct drive hobhea

9、d.The topic main content of topic is hob-cutter frame design as well as the spindle assembly design. Rob cutter frame is fixed on the slide of cutter rack, the hob shaft is inserted into hob spindle and fixed with the draw-in bolt on the main axle. In order to guarantee the spindle and the suitable

10、front bearing gap, the front bearing has the outer cone and the aperture. Adjusting on the bearing two nuts, it causes bearing movement along the front axle when motion and causes contraction of the front bearing hole then to be possible to eliminate the gap between the main axle and the bearing. Ke

11、y words ： Direct-drive, Gear Hobbing Machine, hobhead, dynamic-static performance第一章 绪论齿轮加工机床是一种技术含量高且结构复杂的机床系统，由于齿轮使用的量大面广，齿轮加工机床已成为汽车、摩托车、工程机械、船舶等行业的关键设备。特别是，随着汽车工业的高速发展，对齿轮的需求量日益增加，对齿轮加工的效率、质量及加工成本的要求愈来愈高，使齿轮加工机床在汽车、摩托车等行业中占有越来越重要的作用。滚齿机是齿轮加工机床中的一种，其占齿轮加工机床拥有量的40%50%。它主要用来加工圆柱齿轮和蜗轮等。随着重型车市场的高速扩张和

12、产销量的迅速增长，变速箱和齿轮制造行业的内部竞争必将进一步加剧，为齿轮机床行业增加了良性发展的大好机会，各生产厂商大规模技改投资齿轮加工机床。目前国际上生产滚齿机的强国美国、德国和日本，也是世界经济强国和汽车生产大国。美国Gleason-pfauter公司，德国的Liebherr 公司，日本的三菱重工公司、坚藤、清和公司和意大利的SU公司是国外最具实力的滚齿机制造商。这些公司目前生产的滚齿机都是全数控式的，中小规格滚齿机都在朝着高速方向发展，所有高效机床均采用了全密封护罩加油雾分离器及磁力排屑器的方式部分地解决环保问题。近年来，为更好地满足滚齿加工中的绿色制造，德国Liebherr 公司早在十

13、几年前就开始研究高速干式切削滚齿机。日本三菱重工则是最早将高速干式切削滚齿机商品化的制造商，它们的成功还得益于滚刀制造技术的提高。目前，Liebherr、Gleason-pfauter、三菱重工、SU、坚藤和清和均开发了适用于高速干式切削的滚齿机产品。在特别重视环保的世界著名齿轮制造商中，如德国ZF公司、美国Ford汽车公司等使用高速干式滚齿已成为主流。在我国上海汽车齿轮公司及陕西发士特公司也已开始采购三菱重工公司生产的干式切削滚齿机。近几年，我国在滚齿机设计技术方面研究的主要内容经历了从传统机械式滚齿机通过数控改造发展为2-3轴（直线运动轴）实用型数控高效滚齿机，到全新的六轴四联动数控高速滚

14、齿机的开发。滚齿机加工（钢件）全部采用湿式滚齿方式。目前，国内主要滚齿机制造商重庆机床厂及南京二机床有限责任公司生产的系列数控高效滚齿机已采取全密封护罩加油雾分离器和磁力排屑器的方式部分地解决环保问题。世界上滚齿机产量最大的制造商重庆机床厂从2001年开始研究面向绿色制造的高速干切滚齿技术，2002年初研制成功既能干切又能湿切的YKS3112六轴四联动数控高速滚齿机，2003年初又开始研制面向绿色制造的YE3116CNC7高速干式切削滚齿机，即将进入商品化阶段。传统滚齿机在加工过程中有以下特点：(1)滚削齿轮时，应用切削液可提高刀具寿命，改善加工表面质量和利于排出切削热而不致引起机床的热变形。

15、但是，在高速切削过程中切削液的飞溅和形成的油雾对生态环境和人类特别有害，变质切削液的排放也会严重污染环境。(2)机床漏、混油严重。(3)加工成本高。机床的材料用量、能耗、油耗及附加费大，湿式齿轮加工中消耗的切削液及切削液附加装置的费用占加工成本的20%左右。(4)生产效率低下，加工质量差，难以满足现代企业生产的要求。开发研制新的滚齿机可以使公司拥有更大的市场份额，创造更好的经济效益和社会效益，同时在技术上达到一个新的高度。1.2 滚齿机研制技术的发展趋势 高速、高效化17,24,34-35综合上面的分析比较，我们可以看到，具有国际先进水平的滚齿机充分利用了高速切削的原理，滚刀最高转速均在300

16、0r/min以上，Liebherr的LC80立式滚齿机甚至达到了9000r/min7，不仅提高了生产效率，而且由于切屑带走了90%以上的切削热，既能保证工件的精度又省去了冷却工件的切削液，避免了环境污染。 全数控化11-18,24通过对机床各运动轴的 CNC 控制及部分轴间的联动，可增加机床功能，使滚削小锥度及鼓形齿轮变得简单；可缩短传动链，提高各轴精度和重复定位精度；可省去计算及更换分齿挂轮和差动挂轮、进给及主轴换档时间，从而减少辅助加工时间，增加机床柔性；由于机械结构变得简单，可在设计时更有利于提高机床的刚性及把热变形降到更低。各轴间没有机械联系，结构设计变得更加典型，有利于实施模块化设计

17、及制造。 零传动化及高速干式切削17,33国外先进滚齿机已经广泛采用了零传动功能部件，最常见的是刀架由电主轴直接驱动，部分厂家工作台由力矩电机直接驱动。零传动滚齿机滚刀轴速度一般在 3000 转/分以上，能够达到干式切削的速度要求，实现了机床的环保化。干式切削滚齿机使齿轮加工彻底摆脱了切削液，从根本上解决了环境污染问题，还能提高 2 倍以上的加工效率，提高刀具 14 倍的寿命，大大降低单件齿轮加工的成本。 网络化17由于计算机技术的高速发展，现在的高档数控系统已具备通讯联网的功能，数控机床正朝着网络化方向发展，实现远程监控和加工的功能，减少工人负担，提高加工效率。 智能化19由于计算机技术及数

18、控技术的发展，智能技术也逐渐应用于高性能数控齿轮机中，具体表现在：1) 完成加工质量与加工过程智能控制。根据对工件在线检测的结果和实时采集的机床状态，预测工件的加工质量，并及时调整加工过程的工艺参数，以保证机床的加工精度。2) 智能诊断。故障诊断的智能化表现在两方面：一方面是机床会对曾经产生的故障作记录，当下次碰到该故障时，它会首先提示可能的原因；另一方面，现场信息经过压缩，存贮在机床的“黑匣子”中，一旦机床发生的故障超出其自身的诊断能力，就可以通过 Internet 从网上专家系统获得支持，进行交互式的远程协同诊断。第二章 滚齿机总体设计滚齿机总体方案设计滚齿加工是依照交错轴螺旋齿轮啮合原理

19、进行的。用齿轮滚刀加工的过程，就相当于一对螺旋齿轮啮合的过程。将其中的一个齿轮的齿数减少到一个或几个，螺旋角增大到很大，呈螺杆状，再开槽并铲背，使其具有切削性能，就成了齿轮滚刀。机床使滚刀和工件保持一对螺旋齿轮副啮合关系作相关旋转运动时，就可在工件上滚切出具有渐开线齿廓的齿槽。滚齿时，切出的齿廓是滚刀切削刃运动轨迹的包络线。滚齿时齿廓的成形方法是展成法，成形滚刀旋转运动和工件旋转运动组成的复合运动就是展成运动，再加上滚刀沿工件轴线垂直方向的进给运动，就可切出整个齿长。其设计依据如下：a) 最大切削模数8mm；b) 铣削圆柱齿轮最大外径500mm；c) 铣刀最大直径160mm；d) 铣刀最大垂直

20、行程长度300mm；e) 滚刀转数范围40250r/min。2.2 拟定传动方案设计加工直齿圆柱齿轮时，滚刀轴线与齿轮端面倾斜一个角度，其值等于滚刀螺旋升角，使滚刀螺纹方向与被切齿轮齿向一致。它需具有以下三条传动链： a) 主运动传动链：电动机12iv34滚刀，是一条外联系得传动链，实现滚刀的旋转运动。其中，iv为置换机构，用以变换滚刀的转速。b) 展成运动传动链：滚刀45ix67工作台，是内联系传动链，实现渐开线齿廓的复合成形运动。对单头滚刀而言，滚刀转一转，工件应转过一个齿，所以要求滚刀与工作台之间必须保持严格的传动比关系。其中换置机构为ix，用于适应工件齿数和滚刀头数的变化，其传动比的要

21、求很精确。由于工作台的旋转方向与滚刀螺旋角的旋向有关，故在这条传动链中，还设有工作台变向机构。c) 轴向进给运动传动链：工件78if910刀架升降丝杠，是一条外传动链，实现齿宽方向直线形齿形的运动。其中，换置机构为if，用于调整轴向进给量的大小和方向，以适应不同加工表面粗糙度的要求，轴向进给运动是一个独立的简单运动，作为外联系传动链它可以使用独立的运动源来驱动，这里所以用工作台作为间接运动源，是因为滚齿时的进给量通常以工件每转1转时，刀架的位移量来计量，且刀架运动速度较低，采用这种传动方案，不仅满足了工艺上的需要，还能简化机床的结构。图2-1所示为滚切直齿圆柱齿轮齿轮的传动原理图。 图2-1

22、滚切直齿圆柱齿轮的传动原理图斜齿圆柱齿轮在齿长方向为一条螺旋线，为了形成螺旋线齿线，在滚刀作轴向进给运动的同时，工件还应作附加旋转运动B22（简称附加运动），且这两个运动之间必须保持确定的关系：滚刀移动一个螺旋线导程S时工件应准确地附加转过1转，因此，加工斜齿轮时的进给运动是一个螺旋运动，是一个复合运动。实现滚切斜齿轮所需成形运动的传动原理图如图2-2所示。其中，主运动、展成运动以及轴向运动传动链与加工直齿轮时相同，只是在刀架与工作台之间增加了一条附加运动链：丝杠-12-13-iy-14-15-i合成-6-7-ix-8-9-工件。在保证刀架沿工作台轴线方向移动一个螺旋导程s时，工件附加转过1转

23、，形成螺旋线齿线。图2-2 滚切斜齿圆柱齿轮的传动原理图2.3 确定详细传动方案本次所设计的Y3150E型滚齿机，它主要用于加工直齿和斜齿圆柱齿轮，也可用于手动径向进给加工蜗轮。因此，传动系统中共有6条传动链，它们分别是主运动链、展成运动链、轴向进给运动链、附加运动链、工作台的水平送进运动链和快速移动刀架的运动链。其主要四条传动链的表达式如下：a主运动：电动机 滚刀主电动机 （带轮） 滚刀b展成运动：滚刀 工作台滚刀 合成机构 工作台c进给运动：工作台 刀架工作台 u进 刀架d附加运动：刀架 工作台刀架 u合ux 工件Y3150E型机床的传动系统图如图2-3所示。图2-3 Y3150E型机床的

24、传动系统图2.4 滚齿机各部件方案设计 床身设计 床身为箱型结构，与底座铸成一个整体，左上部是方形导轨安放工作台，右上部固定刀架立柱，床身内部安装有差动机构，床身后端连出分齿挂轮架背面为主传动箱，主电动机及冷却电动机都装在床身上，方形导轨中间装一丝杠作移动工作台之用，在分度挂轮架处的手柄，供铣正齿轮或斜齿轮时操纵使用。 主传动箱设计主传动箱紧固在床身的背面，其内装有主传动进给差动机构机件，主传动进给与差动挂轮架均在其中。主传动箱的第一根轴的端部连接叶片泵，主电动机开动后，叶片泵被带动输出油，供给机床各部位自动润滑点的润滑油及刀架立柱的液压缸压力油。 刀架立柱设计刀架立柱紧固在床身上方，其中有主

25、传动的花键轴、伞齿轮和垂直进给丝杆，另外还有平衡刀架滑板的液压油缸。刀架滑板置于V型导轨上，前面是操纵板（电气按钮）。另装有手柄供手动升降刀架滑板之用。手摇升降刀架时，先将手柄搬至“开”位置将给合子脱开，使摇动轻便。2.4.4 滚刀牙箱设计滚刀牙箱固定在刀架滑板上，滚刀主轴孔为莫氏5号锥度，滚刀心轴插入此孔，用拉紧螺栓将心轴固牢拉紧在主轴上。为了保证主轴与前轴承的适当间隙，将前轴承做成外锥并开口。调整轴承上的两个螺母，可以使前轴承座轴向移动，使前轴承孔收缩便可消除主轴与轴承间过大的间隙。后轴承可与主轴一起沿着轴线移动40毫米，以便在滚刀工作部分磨钝时，把锋利的部分移到切削部分来工作。移动后轴承

26、是利用与后轴承相连的钳在滚刀牙箱壳体上的调整紧锁螺栓进行的，因为牙箱上套装后轴承的孔是开口的。调整时应首先将拉紧开口的锁紧螺栓松开，调整好后并把它拧紧。松开压紧螺钉，摇动手柄，可以使滚刀牙箱转动一定角度。2.4.5 工作台设计工作台为箱形，装在床身的方形导轨上，工作台壳体以其环形表面支承工作台，并以其锥孔来定工作台中心。分度蜗轮与工作台壳体连在一起，分度蜗杆与工作台座连在一起。内壳体油室可提供润滑油润滑分度蜗轮副。2.4.6 外支架设计外支架固定在工作台壳体上，它上面有燕尾形导轨。支承工件心轴的支臂，可沿导轨移动。支臂上有一专用手柄，供支臂夹紧在支架上之用。当使用外支架时，最大加工直径为450

27、毫米。超过450毫米，就应取下外支架，才可以加工。第三章 滚刀箱结构设计 图31 滚刀箱箱体图3.2滚刀箱的结构设计滚刀箱的结构形状主要取决于其功能要求，以及箱体在床身上的安装连接要求。滚刀箱首先应该满足运动方面的要求，如滚刀箱的旋转、步进等。此外，还要求具有较高的传动效率，保证传动件具有足够的强度或刚度，降低噪音，提高抗振性和耐磨性，操作方便，并有良好的工艺性，便于检修，成本较低，防尘、防漏，外形美观等。图31为滚刀箱的结构示意图。 滚刀箱的功能结构分析滚刀箱内装有传动轴和齿轮，滚刀箱的绝大多数传动轴上都装有滚动轴承。传动轴的轴承以圆锥滚子轴承为主。因为圆锥滚子轴承价格较低，噪音和发热量较小

28、，且装配方便，承载能力较大，还可以承载部分轴向力。滚刀箱作为滚齿机的重要组成部分，要求传动精确，并且工作稳定。滚刀箱为箱形，装在刀架立柱上的滚刀滑板上，由刀架立柱的丝杠来调节滚刀箱的运动。滚刀心轴上装有齿轮滚刀，由滚刀的旋转与垂直运动来切削工件。而滚刀箱通过螺栓固定在刀架立柱上，并由刀架立柱的锥齿轮通过主运动传动链传递过来的力来驱动滚刀心轴的运动。 滚刀箱的壁厚壁厚的大小取决于产品需要承受的外力、是否作为其他零件的支撑、承接数量、伸出部分的多少以及选用的材料而定。一般的铸铁材料以10到15毫米为准。滚刀箱的箱体主要是定位轴以及固定零件之用。从经济角度来看，过厚的产品不但增加物料成本，延长生产过

29、程的冷却时间，增加生产成本；从产品设计角度来看，过大的壁厚将增加产生空穴和气孔的可能性，大大削弱产品的刚性及强度。最理想的壁厚分布是在任何一个地方都是均匀一致的，但为了满足功能上的需求以致壁厚有所改变总是无可避免的。在此情形，有大的转角的地方应尽可能平滑。因为太突然的壁厚转变会导致应力集中和产生不稳定问题。壁厚均一的原则在转角的地方也同样需要，在有大的转角的地方应尽量运用倒角和圆角。因为在大转角处通常会导致部件有缺陷及应力集中，应力集中的地方会在受负载或撞击的时候破裂。较大的圆角提供了这种缺点的解决方法，减低了应力集中的程度。建议的最小圆角半径是壁厚的25%，适当地增大圆角半径能明显地减少应力

30、集中现象的发生。3.3 滚刀箱的设计计算由于齿轮在转速最小的时候可以求得它们的最大扭矩，所以要选用适当的蜗轮和蜗杆就必须求出齿轮的最小转速。 斜齿轮的设计根据齿根弯曲疲劳疲劳强度的设计： 确定公式中的各参数值，取载荷系数 K=1.93，=60，已知滚刀的最低转数为47.5r/min。则：传动效率为，大齿轮传递的转矩 则传动比为大小齿轮的弯曲疲劳强度极限查图6.9得：应力循环次数考虑到工作条件工作环境以及总体设计取齿轮寿命为十年，每年300个工作日，每个工作日安8个小时计算得 式中 ：齿轮的转速，单位为； ：齿轮每转一圈时同一齿面的啮合的次数； ：齿轮的工作寿命，单位为。再由传动比得：查表6.6

31、得弯曲疲劳寿命系数： 计算许用弯曲应力取弯曲疲劳安全系数 应力修正系数则= 同理 =/查取齿形系数和应力校正系数根据当量齿轮 计算大小齿轮的并加以比较 因为 ，故取进行齿根弯曲疲劳强度计算。重合度系数， 。设计计算如下：A试计算齿轮模数 B设计圆周速度 C计算载荷系数=1.0。根据，7级精度，查图6.10，得。D斜齿轮传动取。则载荷系数 式中：为使用系数；为动载系数；为齿间载荷分配系数；为齿向载荷分布系数。 mm 则取计算齿轮传动得几何尺寸a中心距 mm 则取中心距为127mmb螺旋角 c两分度圆直径 d齿宽 mm下面校核齿面接触疲劳强度。 其中，大小齿轮得接触疲劳强度极限 查图6.6，得接触

32、疲劳寿命系数1.15 ， 0.95。计算许用接触应力取安全系数 则 MPa MPa 查图6.19，得节点区域系数2.44。重合度系数螺旋角系数 材料系数 校核计算得接触疲劳强度满足要求。 滚刀心轴的结构设计图32 滚刀心轴装配图心轴是只承受弯矩而不受扭矩，其失效形式主要有：a因疲劳强度不足而产生疲劳断裂；b因静强度不足而产生塑性变形或脆性断裂 ；c因刚度不足而产生过大弯曲及扭转变形；d高速时发生共振破坏等。选择轴的材料为45号调质钢。 材料的安全弯曲应力为 弯曲应力 式中，为弯矩，为抗弯截面系数。其中，。图33 心轴受弯曲应力作用时简图图34 心轴结构示意图由于在工作中心轴外面装有齿轮滚刀，齿

33、轮滚刀是加工直齿和斜齿的最常用的展成法刀具，利用螺旋齿轮啮合原理来加工齿轮。它加工范围广，模数从到的齿轮均可使用滚齿加工。滚刀一般常用的是齿轮滚刀，其外形相当与一个蜗杆。为了能使这个蜗杆能起到切削作用，需要在其圆周上开出几个容屑槽，形成很短的刀齿。在工作过程中滚刀受到切削力的作用。根据总体设计中求出的切削力和所取的最小直径，再由下列近似关系： 查10，取 ， 得出 ， 根据公式 其中：为切削力；为背向力；为进给力。求出合力。根据心轴的固定位置，取心轴的中点作为受力点，则由公式， 得。则强度足够。第四章 刀架底座部件设计4.1 工作要求 刀架底座部件在功能上主要实现窜刀运动，调整滚刀轴（B 轴）

34、与工件轴（C轴）在滚刀轴轴向的相对位置，避免滚刀在同一部位过分磨损。在干切削加工的时候，滚刀轴部件需要在滚刀长度范围内连续运动，保证滚刀的均匀磨损。窜刀运动加入到联动轴系中相当于一个附加的展成运动,它使 C 轴必须增加一个附加转动与之相协调。滚齿机的切削过程是典型的断续切削，滚刀轴要承受很大的冲击载荷，使整个 B 轴部件产生振动，零传动滚齿机在进行干式切削的时候，由于转速提高，振动问题更加不能小视，必须采取措施控制滚刀轴部件的振动，这也是对刀架底座部件的要求之一。 当滚齿机进行干式切削时，其窜刀运动加入到了联动轴系中，相当于一个附加的展成运动，工件轴必须有附加的旋转与之匹配。两轴之间的耦合关系

35、是滚刀的切向速度在工件轴切向方向上的速度分量与工件轴附加旋转产生的工件线速度相同。即： (4.1) (4.2)式中：工件轴的附加转动速度（转/分）；刀架切向窜刀速度（mm/分）；刀架安装角；工件模数。 在进行滚齿机刀架部件的设计时，刀架与工件轴的干涉是必须考虑的问题，刀架部件的结构应当非常紧凑。刀架底座的尺寸，特别是其在滚齿机的轴向进给方向的尺寸对干涉的影响是很大的，过大的刀架底座尺寸会导致工件轴悬伸量过大，降低工件轴的刚度，同时限制了刀架的安装角旋转范围，降低工件的加工范围，使滚齿机的性能受到很大的影响。因此，采用伺服电机直连丝杠的传动方案，结构紧凑，能最大可能地压缩刀架底座部件的尺寸。导轨

36、选用窄形圆柱滚子导轨，既能良好地承受冲击载荷，保证足够的刚度，又能控制在滚齿机轴向进给方向的尺寸。采用 INA 公司的锁紧单元将滚刀轴部件的切向运动置于锁紧状态，或者在连续窜刀时给予一定的摩擦力，增加阻尼，减弱其振动。滚齿机切削力的关系及坐标变换 由于滚齿过程复杂，分析切削力时需要建立一个与工件坐标轴重合的机床坐标系（0, x, y, z）和一个滚刀坐标系（0, x, y, z）,如图4.1所示。可见 y 轴与 y轴重合。将机床坐标系绕 y 轴转动，就能得到滚刀坐标系。 式中 滚刀安装角；工件螺旋角；滚刀螺旋升角。 图4.1 切削力的分解众多切削力研究者都是在滚刀坐标系中测量各切削分力的。我国

37、学者陈鼎昌在滚刀坐标系中得到下列结果（见图4.1）。Pt滚刀切向分力，由实测扭矩得出Pr径向分力，Pr0.3 PtPy水平分力，逆铣时，顺铣时Px滚刀轴向分力， 要计算 Y 轴电机功率，必须求出机床坐标系中的 Px 作用于工件的切向分力，Py作用于工件的径向分力， Pz作用于工件的轴向分力。因此，必须进行坐标变换。首先，在滚刀坐标系中确定 Pt 与 y轴的夹角，如图3.2所示，在逆铣时，当时 则 则当时，同样可算出81。由此可见，逆铣时刀齿从切入到切出的过程中，由于 Py的幅值在交替变化，使 Pt 力的方向也发生变化。为简化计算，规定65。在顺铣时，按照同样的方法可算出119。 图4.2 切削

38、力的分解下面进行坐标变换，如图 4.1 所示，首先将 Px、Pt、Pr 绕 x轴顺时针旋转角，再绕 y 轴旋转角，求得机床坐标系中的分力 Px、Py、Pz。代入数值，得出 Px、Py、Pz 与 Pt 的关系如下表逆铣 =65顺铣 1190304503045PxPytPz根据上表以及第 节的计算，可知课题设计的零传动卧式数控滚齿机在最危险情况下的切向力 Py429N,径向力 Px402N。 等效负载转矩计算 负载转矩的种类零传动滚齿机刀架底座部件系统具有三种性质的转矩：驱动转矩、负载转矩和动态转矩（惯性转矩）。其中惯性转矩为： (4.3)负载转矩根据其特性可分为工作负载、摩擦转矩和制动转矩。零传

39、动滚齿机刀架底座部件驱动系统负载转矩有下面几种：1) 滚刀轴承受的轴向切削力。2) 滚刀轴承受的径向力和滚动导轨的预压力引起的摩擦力。3) 滚刀轴部件的重力。 等效负载转矩的计算选取最危险的情况，即当滚齿机逆铣直齿轮，并且由下往上窜刀时的情况进行计算。此时电机的负载力为：F = Py + W(fg + Px) (4.4)式中 Py滚刀轴承受的轴向力Px滚刀轴承受的径向力WB 轴部件的重量Fg导轨预压力滚动导轨摩擦系数此时加在电机轴上的负载力为： (4.5)式中加在电机轴上得扭矩负载F沿着轴向移动活动部分所需要的力L丝杠导程滚珠丝杆或轴承加载在电机轴上的磨擦扭矩（在需要输入时）驱动系统效率 案例

40、计算题设计的卧式数控滚齿机滚刀轴部件重量 W1280N；滚动导轨摩擦系数取 0.005。代入式(4.4) 得 F1755N；设机械效率为 0.9，查阅相应技术资料， Tf0.10+0.170.27Nm，代入式（4.5）得：Tm1.44Nm。 等效转动惯量的计算 计算方法工作台换算到电机轴上的等效转动惯量为： (4.6)式中 W直线移动部件的重量（kg） L丝杠导程（cm）若丝杠转动惯量为 JS,则电机轴转动惯量为： (4.7)丝杠转动惯量一般可由生产商的技术手册上查得精确的数值。若不能查得，可由下式求得： (4.8)式中 丝杠材料密度；D1丝杠外径；D2丝杠内径；l丝

41、杠长度。 案例计算课题设计的卧式数控滚齿机滚刀轴部件重量 W 为 1280N选取的 Y 轴丝杠导程为 5mm，根据技术手册，查得选择的滚珠丝杠转动惯量为。将数据代入式（4.6）和式（4.7）得丝杠轴转动惯量。 加速度扭矩的计算 计算方法 图4.3 （4.9） （4.10）式中 Ta加速度扭矩；Vm快速进给时的电机速度；Ta加速时间；JM电机惯量；JL负载惯量；Vr加速度扭矩开始减少的点；Ks伺服位置闭环增益；机床效率。 案例计算课题设计的卧式数控滚齿机刀架底座部件设定的进给加速度为 1g，最大转速为 2000r/min,机床效率为 0.9。代入数据计算得： 滚动轴承的选择滚齿机的 Y 轴进给系

42、统是一种高精度、高刚度的滚珠丝杠副，因此必须重视滚珠丝杠支承的设计。滚珠丝杠主要承受轴向载荷，其轴向精度和刚度要求较高。进给系统要求运动灵活，对微小位移（丝杠微小转角）响应要灵敏，因此，轴承的摩擦力矩应该尽量小。滚珠丝杠转速不高，且高转速时间很短，因而发热不是主要问题。为此，应选用运转精度高、轴向刚度高、摩擦力矩小的滚动轴承。目前，各制造商均生产有机床用接触角为 60的滚珠丝杠专用推力角接触球轴承，是零传动滚齿机刀架底座部件丝杠支承的最好选择。 支承形式设计滚珠丝杠根据不同的应用场合，一般有四种典型的支承形式。即： 一端固定一端自由，它的特点是结构简单，但是刚度、临界转速和压杆稳定性低。 一端

43、固定一端游动，它的特点是压杆稳定性和临界转速比同长度的一端固定一端自由的支撑形式要高，丝杠有热膨胀的余地，但是刚度没有明显改善。 两端简支，它可以进行预拉伸，但刚度不高。 两端固定，它的刚度很高，只要轴承无间隙，丝杠轴向刚度为一端固定的4 倍；丝杠一般不会受压，无压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高；可以进行预拉伸；但是两端固定的支承方式结构复杂，工艺困难，成本比较高。Y 轴精度要求很高，它的误差会 1：1 完全地反映到工件上，需要非常好的刚度和位移精度。显然应该选择两端固定的方式，前后轴承组均采用背靠背的组合方式。丝杠的预拉伸设计 预拉伸结构设计及预拉伸力的确定由于刀架和工件轴易干涉的原因，

44、刀架底座部件的设计要求结构非常紧凑，并且滚齿机的刀架部件工作环境恶劣，无论干切还是湿切，都会产生切屑或者冷却液的飞溅。为了保证 Y轴精度，必须采取措施提高丝杠系统的刚度以及消除热位移，对其进行预拉伸。丝杠的预拉伸量一般为丝杠温度上升 23 度的热位移量。其大小可以用以下公式算出。 （mm） （4.18）式中热位移量； 热膨胀系数； 丝杠平均温度上升值； L丝杠长度。典型的丝杠预拉伸结构如图 4.6 所示，通过拧紧螺母 2 来拉动丝杠，通过调整螺母1的位置来设定预拉伸量。需要注意的是，这种预拉伸丝杠的方式同时也对轴承进行了预紧，若丝杠螺母系统的刚度很大，要产生预定的预拉伸变形，预拉伸力有可能会超

45、过轴承能够承受的静载荷极限或者丝杠许用轴向负载，造成轴承或丝杠的损坏，因此需要进行验算。预拉伸力 F 等于丝杠系统的刚度 Ke与变形量的乘积，因此必须对丝杠系统的刚度进行计算。对于两端固定的支承方式，系统刚度计算公式为 图4.6 丝杆预拉伸结构 （4.19）式中 KB轴承接触刚度； KS丝杠本身拉压刚度； KC螺母刚度； KH螺母座刚度。 轴承接触刚度、丝杠拉压刚度、螺母刚度均可根据产品技术手册查得，螺母座刚度可用有限元方法进行计算，近似计算中一般取 KH1000N/m。 丝杠许用负荷验算丝杠许用轴向负荷 Fk表现的是丝杠系统的稳定性，它取决于丝杠的直径(螺纹内径)d2（mm）、安装形式、和未

46、受支撑的长度 Lk（mm）。计算公式是： （4.20）式中 fk为与支承形式相关的系数，在两端均由双联背靠背角接触球轴承支撑的情况下 fk取值为 40.6。4.6 滚刀轴部件锁紧的实现采用滚珠丝杠副作为传动元件具有传动效率高、运动平稳、定位精度和重复精度高、同步性好、可靠稳定等等优点，但是它不能自锁。滚齿机刀架部件是一个典型的垂直升降机构，因此必须附加自锁或者制动的装置。通常选用的电机带有制动装置可以拉住滚刀轴部件，但是由于丝杠系统装配时产生的微小间隙或者某个环节刚度不够强等原因，制动装置无法完全抵消振动载荷的影响，此时滚刀轴部件可能在 Y 轴方向产生微小的位移。振动力很小，但是必须采取措施加

47、以消除以保证加工精度。传统滚齿机由于不实行连续窜刀，它的窜刀机构采用滑动导轨。消除振动的措施是在刀架拖板的边缘的多处地方，通过螺钉和碟形弹簧，以特制的活塞为中间环节，将滚刀轴部件压死在滑动导轨上，靠摩擦力防止其在窜刀方向上的振动，如图 4.7 所示。需要窜刀的时候通过输入液压油，将活塞顶起，解除压力。这种机构虽然比较经济，但结构复杂，装配困难，并且只适用于摩擦系数比较大的滑动导轨，对于摩擦系数仅为滑动导轨二十分之一左右的滚动导轨来说，显然是不合适的。 图4.7 传统滚齿机防振动装置零传动滚齿机采用专用锁紧单元实现滚刀轴部件在窜刀方向的锁定。该产品外形如图 4.8 所示。 图4.8 德国 INA 公司 RUKS 锁紧单元向锁紧单元通以液压油，内部的金属管就会膨胀，紧紧的抱住导轨。锁紧单元的产生的抱紧力可以查看图 4.9.图4.9 锁紧单元的抱紧力采用锁紧单元为滚齿机刀架部件的设计带来了非常大的好处。首先它的体积小，从外观看就相当于一个滑块，与碟簧机构相比，可以大大减小刀架部件的横向尺寸，避免与工件轴部件的干涉。其次，它与滚刀轴部件的连接方式与滑块完全一