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1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Ra0.5m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 加工特点生产率高，通用性大，滚齿 5～9连续分度滚齿，运动误差易保证适用于中小模数齿轮加工，通用性好，广插齿 5～8泛用于内齿轮、双联及多联齿轮加工主要用于齿轮的滚、插预加工后的精加工，和磨齿相比，具剃齿 5～7有效率高，成本低，齿面无烧伤和裂纹等优点效率高，成本低，表面质量好，齿面无烧珩齿 6～8 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成型砂生产率很高，砂轮是7～8专用的，适用于较大齿轮磨齿批量生产齿轮蝶形砂采用碟形砂轮的棱边4～7磨削不加冷却液，生轮磨齿产率较低蜗杆砂生产率很高，特别适5～7用于成批生产和大量轮磨齿生产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。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采用，可以方便调整、控制各轴间的运动关系，从而加工出椭圆齿轮等各种非圆齿轮和各种修形齿轮，且加工精度远高于传统的机械靠模加工方法。5)高度自动化和柔性化可实现任意工作循环，缩短调整时间，便于实现小批量多品种加工。同时机床本身柔性大为增加，易于实现机床重组，易于组成柔性齿轮制造系统，实现齿轮制造的柔性自动化过程。②零传动技术的应用“零传动”即直接驱动，由电机直接驱动刀具、回转工作台的回转及直线进给系统，完全取消所有机械传动环节，实现动力源对机床工作部件的直接传动传动链的长度为“零”。一般数控滚齿机的滚刀主轴由变频交流主电机通过一到两对斜齿轮驱动，直接驱动工件主轴的分度副，一般采用高精度蜗轮副或特殊齿形的多头双蜗轮副以及大尺寸齿轮副，各进给轴通过滚珠丝杠副实现旋转运动向直线运动的转换。近几年国外的各齿轮制造厂家在小直径（<200mm）、小模数（m<3mm）齿轮加工方面已推出滚刀轴和工件轴直接驱动的机型如。Gleason—Pfauter公司制造的P60、P100、P210、GP130，Liebherr公司制造的LC80、LC120、LC150、LC180,Koepfer公司制造的Koepfer160，Hurth公司制造的5160等。直接驱动的实现是使用电主轴直接驱动滚刀主轴，用同步力矩伺服电机直接驱动工作台。由于直接传动，去掉了高精密齿轮等关键零件，这样就消除了由于传动装置而产生的误差，如反向间隙、啮合误差等。而各进给轴仍通过滚珠丝杠副实现旋转运动向直线运动的转换，如果各进给轴采用直线电机直接驱动，将完全实现零传动。零传动齿轮加工机床不仅可以大幅度提高机床的加工精度和加工速度，也可以完全解决机械传动链中存在的磨损问题，可以长期保持机床的精度。此外，零传动方案还可极大地简化机床的机械结构，提高机床的动静刚度，也有利于实现可重构机床的设计和制造。③高速、高精度滚齿机的高速化，主要是指机床拥有高的刀具主轴转速和高的工作台转速。它们是影响切削效率的主要指标。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。电主轴和大扭矩同步力矩伺服电动机的应用使刀具主轴和工作台转速得到提高。Gleason—Pfauter公司制造的P60卧式滚齿——磨齿复合机床，刀具主轴转速达12000rpm，工作台转速达3000rpm。德国Liebherr公司制造的LC80干式切削滚齿机，滚刀主轴转速为9000rpm，工作台转速为rpm。国外厂家在小直径小模数方面均有刀具主轴转速达3000rpm，工作台转速达1000rpm的机型。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高速钢滚刀，线速度达250m/min，滚切模数1.4mm，齿数34,螺旋角22.5的齿轮，切削时间为lOs，加上上下料等辅助时间，加工一个齿轮总循环时间仅为14.3s。提高加工精度的途径可分为两大类，一是提高机床本身的精度，二是通过误差补偿来减少加工误差。由于采用了高精度、具有预加负荷的高刚性直线导轨、滚珠丝杠、滚动轴承、电主轴、大扭矩同步力矩伺服电动机，使齿轮加工机床在高速加工的条件下精度得到保证并有所提高。电主轴精度一般为径向振摆0.002mm，轴向跳动0.001mm；大扭矩同步力矩伺服电动机定位精度达0.5"，重复定位精度达0.01"。直线运动轴的定位精度小于0.008mm，重复定位精度小于O.OO5mm。影响齿轮加工精度的因素很多，除了电气方面的以外，还有如机床结构特性与热特性、刀具磨损、机床主轴运动误差、各种静态载荷，以及工件装火和机床振动等因素。所有这些因素都可以通过建模（如神经网络建模）来加以补偿。由于计算机技术的迅速发展和插补算法的不断改进，数控系统的数据处理和曲线拟合精度可以达到很高。采用多种智能控制方式，可以改善伺服系统的跟踪响应特性，也可以提高加工精度。滚齿尽管一般用于粗加工，但在高速切削的条件下仍能达到DIN6～7级精度，为其后的精加工工序获得高精度提供了保证。④环保化众所周知，金属切削中的切削液具有冷却、润滑和排屑等作用，可获得良好的加工质量，并提高刀具耐用度和生产率。但随着近年来切削速度和切削功率的急剧提高，单位时间内金属切除量大量增加，切削液的用量也越来越大，并且在高速切削过程中，切削液产生飞溅、形成油雾，不仅提高了企业生产成本，还污染了生态环境，并损害了工人的身体健康。为此，通常将加工区用保护罩封闭起来，安装上油雾分离器，使排出的只是不含油的雾，而切削油则重新流回机床内循环利用。但这并不能从根本上解决环保问题，因为变质切削液的更换排放会严重污染环境。因此，不使用切削液的干切削就成为改善生态环境，降低生产成本的有效措施，也是实现清洁化生产的一条重要途径。国内外著名的齿轮加工机床制造商及齿轮刀具制造商，均把研制满足环保要求的干式切削机床和刀具作为产品开发的一项首要的任务来抓。有的机床甚至不采用液压油及循环润滑油，实现绿色制造及清洁加工。干式切削要解决的问题是刀具寿命问题、刀具价格问题和切屑的安全迅速地排走问题。采用硬质合金涂层刀具进行干切削，尽管第一次购刀价格比湿式刀具价格高，但因切削效率高且刀具寿命长，还节省了切削液及喷淋过滤装置的费用，从而单件齿轮的加工成本反而有所降低，同时又符合环保无污染的要求。据日本三菱重工资料报道，采用高速干式切削刀具的使用寿命是湿式切削的3倍，刀具费用降低47％，加工效率提高2倍，单件齿轮加工成本（刀具费、设备费、切削油费、人员费）降低40％。因此，干式切削降低了单件齿轮的加工成本。目前，国外主要的齿轮加工机床厂家都在大力开发数控高速干切滚齿机。例如:德国Liebherr公司的LC80系列滚齿机，美国Gleason—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。⑤复合化齿轮机床（特别是大型齿轮机床）有集多种工艺于一体的趋势。如Hurth公司的WF3500滚齿机，将插齿、滚齿（包括滚内齿轮）、磨齿和齿轮检测集于一体，工件一次装夹只需更换切削头，就可实现相应的齿轮加工功能，同时还可以对加工过程中的齿轮进行检测，以决定加工用量。Gleason公司的P60滚齿—磨齿复合机床，能完成先用铣刀加工双头蜗杆，再用CBN磨轮磨该蜗杆，并具有去除蜗杆端面毛刺的功能。同时该机床还配有自动对齿机构和工件自动上下料机械手及料仓。Liebherr公司的LC80型滚齿机，机床采用模块化设计，只要更换切削头，就可组合成滚齿、单分度铣齿或插齿。重庆机床厂的YKS3120系列六轴数控高速滚齿机，能在一次安装中加工不同模数、不同齿数、不同螺旋角及不同螺旋方向的双联齿轮及单分度铣槽，并可配备自动对齿机构、去除齿轮端面毛刺及工件自动上下料装置，在该系列机床上还可进行硬齿面滚齿。⑥网络化数控系统的通讯联网功能不断加强。开放式的CNC系统已成为数控行业不可抵挡的趋势，开放性的CNC系统可以方便地进入各级通用网络，从而可以柔性地实现DNC、FMS、CIMS和FA（自动化工厂）。NC技术使FMS和CIMS成为可能；FMS和CIMS的发展反过来要求CNC系统应具有通讯和联网功能，以便实现CIM环境中的信息集成和系统管理。现代CNC系统一般都具有用于通讯的串行口和DNC接口，高档数控系统充分利用Internet/Intranet的功能，使网络化生产、远程调试、远程诊断等功能得以实现。⑦智能化由于计算机技术及数控技术的发展智能技术也逐渐用于高性能数控齿轮机床中，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。1.5零传动滚齿机及其关键技术的研究进展1.5.1零传动滚齿机国内外研究进展目前为止，国际上著名的齿轮加工机床生产厂家：美国Gleason—Pfauter、德国Liebherr、日本的三菱重工等企业都投入大量的人力、物力和财力研究零传动技术在齿轮加工机床中的应用，这些厂家在小直径（<200mm）、小模数(m<3mm)齿轮加工方面推出的最新产品都部分应用了零传动技术及其它相关新技术，使得齿轮加工机床的性能达到了一个新的高度。如：Gleason—Pfauter公司研制的P60、P100、P210、GP130滚齿机；Liebherr公司制造的LC80、LC120、LC150、LC180滚齿机；Koepfer公司制造的Koepfer160滚齿机，Hurth公司制造的S160滚齿机等。LC80干式切削滚齿机，滚刀主轴最高转速为9000rpm，工作台转速为800rpm；P60卧式滚齿——磨齿复合机床，刀具主轴转速达12000rpm，工作台转速达3000rpm。在回转运动方面取消机械传动副，不仅大幅度提高了机床的加工精度和加工速度，也可以完全解决机械传动链中存在的磨损问题，可以长期保持机床的精度，此外，还极大地简化了机床的机械结构。但是，这些厂家提供的机床价格却非常昂贵，高达400万元人民币/台。图1.3为Liebherr公司生产的LC80直接驱动滚齿机。图1.3LiebherrLC80直接驱动滚齿机目前国内齿轮加工机床的最高水平如下：在工作台直线移动方面，采用数控驱动系统代替普通滚齿机的各种交换挂轮，采用交流伺服电机通过多对降速齿轮副和一对滚珠丝杠副来驱动机床的运动部件；在滚刀回转运动方面，采用交流伺服电机通过2～3对降速齿轮副来实现；在工作台回转运动方面，绝大多数齿轮加工机床仍然需要采用多对高精度齿轮副和一对高精度蜗轮蜗杆副实现。由于存在着大量的机械传动元件，对机床的加工精度产生极大的影响，也使得机械结构变得更为复杂，调整维修也极不方便。例如，我国最大的齿轮加工机床生产厂——重庆机床厂于2000年通过鉴定的YKS3120六轴四联动数控高速滚齿机曾被列入“国家重大技术装备创新项目”，被称为是国产高档数控滚齿机的里程碑，但该机床仍然采用了滚珠丝杠副和齿轮传动链。因此目前为止国内在零传动齿轮机床方面还是一个空白。二十世纪八十年代末，日本人TakashiEmura，ZhaoweiZhong等人就进行了直接驱动滚齿机的研究，他们利用伺服电机直接驱动滚刀和工件，其他运动仍采用齿轮、丝杠等减速机构。所研究的原型机床可以加工模数1.5mm、直径57mm,JIS2级精度（相当于GB/T6级）的齿轮。经检索，有关零传动滚齿机研究的文献仅此而已。2005年日本三菱重工MichiakiHashitani等进行了直接驱动磨齿机的研究，如图1.4所示，用同步内置电机分别驱动刀具轴和工件轴，刀具轴和工件轴速度分别可达4500rpm和1500rpm。为了减小负载周期波动的影响，运用前馈系统可以减小15％的周期误差，极大地提高了机床的加工精度。图1.4ZE15A直接驱动磨齿机主轴和工作台轴结构图1.5.2电主轴在高速运转条件下，传统的齿轮变速系统已不能适应要求，代之以宽调速交流变频系统实现机床主轴的变速。一般高速加工采用电主轴作为机床的主轴形式，电主轴将转子和机床主轴的旋转部件做成一体，把机床的主传动链的长度缩短为零，故可称之为“零传动”。由十直接传动，减少了高精密齿轮等关键零件，消除了齿轮的传动误差。与皮带、齿轮的末端传动方式相比，主电机内置于主轴前后轴承之间，可大大提高主轴系统的刚度和固有频率。同时，集成式主轴也简化了机床设计中的一些关键性的工作，如简化了机床外型设计，易于实现主轴定位。总之，电主轴结构紧凑、重量轻、惯性小，响应特性好，并可避免振动与噪声，精度高，是高速主轴单元的理想结构。设计电主轴时，除选择适当的无外壳电机外，应着重解决散热与轴承选用两个问题。由于主轴电动机两端就是主轴轴承，电动机的发热会直接降低轴承的工作精度，如果主电动机的散热解决得不好，将会影响到机床工作的可靠性和稳定性。通常在定子绕组的外部设计冷却系统，用循环冷却液体吸收和带走定子散发的热量，保持主轴单元壳体均匀的温度分布。另外，约有1/3的发热量是由电机转子产生的，转子散热条件差，又直接安装在主轴上，设计中应尽量减小电机径向的传热热阻，使转子的发热量尽可能多地通过气隙传到定子和壳体中去，并由冷却液带走。因为一般机床中用电主轴速度都大于10000转，绝大多数都采用陶瓷滚动轴承，这种轴承的结构和尺寸系列与普通钢质滚动轴承完全相同，只是将滚动体材料换成氮化硅陶瓷，故又称混合轴承。氮化硅陶瓷材料的密度只有钢的40，热膨胀系数只有钢的25%，而弹性模量为钢的1.5倍，硬度为钢的2.3倍。用这种材料做滚动体，可得到低温升、高刚度和长寿命的高速滚动轴承，很好地保证主轴的精度。当前国内外生产电主轴厂家多达几十家。在国外的厂家中，以德国GMN公司和瑞士Fischer公司名气最大，德国Siemens和口本Fanuc公司也有相应的产品。国内电主轴的生产以洛阳轴承研究所最为著名，广东工业大学对电主轴的动静态特性、热态特性以及轴承的选用等关键技术的研究已比较深入。电主轴目前多用于加工中心、磨床、铣床、钻床等数控机床。1.5.3力矩电机一般滚齿机工作台的回转传动系统采用伺服电机。通常，单个伺服电机输出扭矩小，在低速旋转时，效率不高。为使回转装置实现稳定、高效运转，必须采用减速机构。一般滚齿机直接驱动工件主轴的分度副采用高精度蜗轮副或是特殊齿形的多头双蜗轮副以及大尺寸齿轮副。这些机构，都使其结构复杂、体积庞大，并且产生齿隙和空转，致使控制精度降低，加工精度下降。因此，为了减小齿隙的影响，有时在齿轮的啮合部位施加预负荷，但由此又会产生振动、噪音及齿轮的异常磨损等，从而损害了工作台原有的性能。不用减速机构而使用直接驱动负载的力矩电机，是解决减速机构存在的齿隙、空转等问题的有效手段。力矩电机也叫做DDR（DirectDriveRotary)电机，是近几年出现的一种新型电机，是一种低速大扭矩电机。DDR电机由定子、转子及反馈装置组成，负载直接与转子刚性连接，也就是说转子与滚齿机工作台直接连接，这样就消除了由于传动装置而产生的误差，DIN6～7级精度。这些技术参数对于传统齿轮加工机床根本是不可能的，而我国机床制造行业也没有可能获得其设计/制造技术。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，本项目以传动原理中最复杂的齿轮加工机床为对象，提出以“零传动”功能部件为核心，通过对“零传动”的关键科学问题进行深入系统的研究，建立起“零传动”齿轮加工机床的多因素综合设计模型。在此模型指导下，对机床设计/制造中关键的理论和技术进行深入系统的研究，以研究成果为指导，研制成功一台基于零传动功能部件的高速、高精度滚齿机原型，为我国机床行业赶超世界先进水平打下坚实的基础。2零传动滚齿机设计关键技术研究2.1零传动滚齿机概述滚齿机正朝着全数控化、高速高精度、零传动、绿色环保的方向发展，我们研究的零传动滚齿机正是在这个发展趋势下应运产生的。零传动滚齿机实现了全数控、高速高精度、干式切削，是滚齿机朝着全数控化——数控高速化后更进一步发展的结果，它的实现还得益于滚刀制造技术的提高和数控技术、电主轴及力矩电机等技术的发展。为此，我们研制了一台基于零传动原理的滚齿机床。2.1.1机床用途及产品适用范围滚齿机是使用最广泛的齿轮加工机床，数控滚齿机同机械式传动滚齿机在切削原理方面是一样的，即：一方面，利用一对齿轮互相啮合传动时其两轮的齿廓互为包络的原理——展成原理来加工的，也就是只要滚刀与工件齿形共轭，就可以采用展成法加工；另一方面，由于全数控滚齿机的各轴均为独立伺服驱动并带检测反馈功能，这样对于圆柱体上的等分与不等分槽(或齿)，其也可以完成加工；同时，由于数控滚齿机的各轴为独立伺服驱动，对于径向进给和轴向进给可很容易实现插补运算控制，从而使机床可完成小锥度齿轮、鼓形齿轮的加工。所研制的零传动滚齿机主要用于模数小于1.5mm的直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮的精密、高效加工，可进行硬齿面齿轮的一次成形加工或二次对刀成形加工，也可进行模数小于2.5mm的直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮的精密加工。通过闭环的X轴控制可进行高精度小锥度齿轮、鼓形齿轮的加工。此机床可广泛用于汽车、摩托车、仪器、仪表、玩具、电动工具、渔具等行业的各种不同精度的齿轮的大批量、高效率加工。2.1.2设计输入——技术规格参数和性能参数1.技术规格参数最人加工直径——————————————100mm最人加工模数——————————————2.5mm最人轴向行程——————————————150mm加工齿数范围——————————————4～100齿滚刀架可转动范围————————————50°最人滚刀直径——————————————63mm滚刀轴转速———————————————500～4000rpm工件轴转速———————————————5～495rpm轴向运动快速——————————————5000mm/min径向运动快速——————————————5000mm/min切向运动快速——————————————5000mm/min2.机床性能参数1）控制参数控制轴数：6轴，A、B、C、X、Y、Z轴联动轴数：4轴，B、C、X、Z或B、C、Y、Z坐标轴精度：直线坐标：X、Y、Z——1m旋转坐标：A、B、C——0.001°伺服系统：采用Siemens840D数字控制系统2）精度指标机床几何精度按照JB/T8360.1-1996《数控滚齿机精度》检验出厂机床直线坐标位置精度按照GB/T8064-99《数控滚齿机精度》检验出厂机床工作精度按照JB/T8360.1-1996《数控滚齿机精度》检验出厂机床加工5-6-6级(GB10095-88）机床加工工艺能力：Cpk1.332.1.3零传动滚齿机需要研究的关键技术从机床的主要技术规格参数和性能参数可以看出，项目所研制的滚齿机的加工速度和加工精度要明显高于我国目前最先进的数控滚齿机的性能参数，达到国际同类产品的性能指标。项目所研制的零传动滚齿机在工件主轴与滚刀主轴的传动原理上完全取消机械传动副，不仅可以大幅度提高机床加工齿轮零件的精度，也可以解决机械传动链中由于磨损造成的机床精度不稳定问题。此外零传动数控滚齿机还可极大地简化机床的机械结构，提高机床的动静刚度，也有利于实现可重构机床的设计和制造。零传动数控滚齿机的上述特点使得它完全适用于高速、高精度、硬齿面加工，在机床设计中也从进行干式切削的方面进行了充分考虑，在提高生产效率、降低制造成本的同时做到环境保护、清洁加工，满足绿色环保性的要求。在干态高速滚齿时，切削能量大约需要8～18kW，绝大部分会转化为热能。我们期望热量主要由切屑迅速带走，而传导给刀具和工件的热量尽量小。这样，有利于延长刀具寿命，使工件的热膨胀减少，而机床温升尽快稳定下来。实现零传动高速干式滚齿的前提条件①提供足够高的切削速度和切削功率；②从保证工件质量和延长滚刀寿命出发，处理好能量分配；③循环时间短；④热敏性低。这四个必要条件对机床提出了巨大的挑战。零传动高速干式滚齿机突破了传统齿轮加工机床的结构设计原理，研究和开发高速、高精度零传动滚齿机是齿轮机床的重大变革。那么零传动滚齿机的设计和研究就不能完全等同于普通数控滚齿机，既要实现零传动，又要满足干式切削。2.2滚齿机床的传动系统设定2.2.1传统滚齿机床的传动系统传统齿轮加工机床运动关系复杂，以滚齿机为例，在齿轮机床中存在着主运动传动链、展成分度链、差动传动链、轴向进给传动链、径向进给传动链、切向进给传动链、刀架回转运动链等，简图如图2.2所示(只表示了滚刀、工件旋转运动和轴向进给运动)。主运动传动链：联系电机和滚刀主轴之间的传动链，由它决定滚刀的切削速度，是“外联系”传动链。展成分度链：从刀具旋转到工作台旋转的传动关系，用以严格保证加工过程中工件的分度运动，确保工件展成齿形的正确性。工作台的最终传动副采用蜗杆——蜗轮副。在刀具旋转到工作台旋转的传动链中采用了光杠传动(图2.2中未画出)，以完成工作台径向进给运动。差动传动链：当加工斜齿轮时，或对角滚齿滚刀作切向进给时，随着工件的轴向运动或切向运动，工件应有附加转动，这种运动关系就是通过差动传动链来实现。进给传动链：工件的轴向、切向、径向进给。径向进给传动链(Y3150E、YW3180等机型)实现工作台的径向进给。分度交换挂轮：在展成分度链中，为了适应工件齿数与刀具头数的变化，专门设计了交换挂轮，以保证工件的正确分度。差动交换挂轮：在差动传动链中，为了适应工件的螺旋角、齿数和模数的变化，设计了交换挂轮，以保证加工的正确性。图2.2传统滚齿机床传动链示意图这种机床调整既复杂又费时。快速趋进、工进、快退的位置和距离都需精心调整或试切才能完成，且需要的辅件多。2.2.2普通数控滚齿机床传动系统自从20世纪80年代初数控技术引入齿轮加工机床以来，齿轮加工机床的技术水平有了明显的提高。近年来，由于计算机技术的迅猛发展和高精度、高速响应伺服系统的出现，全功能数控齿轮加工机床已成为国际市场上的主流产品。全功能数控指不仅齿轮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。这类数控系统的刀具主轴一般采用变频装置控制，工件主轴通过数控指令经伺服电动机单独驱动(如图2.3所示)。在滚刀和工作台之间已不存在传统的分齿和内联系传动链，而代之以电子齿轮箱，所以大大简化了机械传动结构，降低了传动误差，但为了给切削加工提供必要的扭矩和刚性，增加滚齿加工平稳性，通常在伺服电机和工作台之间保留蜗杆——蜗轮作为最终传动副，有时也会根据电机和工作台的安装位置情况，增加一两对传动齿轮副。近几年国内外各主要齿轮加工机床生产厂家都将主要精力放在缩短机床的传动链方面，但仍然无法完全取消滚珠丝杠副、蜗轮蜗杆副和高精度齿轮副等机械传动元件，使得机床的加工精度、速度和可靠性等指标无法得到根本性的改善。图2.4普通滚齿机床传动链示意图2.2.3零传动滚齿机的传动系统滚刀主轴回转运动和工件主轴回转运动均去掉一般数控滚齿机中的高精度齿轮副或蜗轮副，采用内置主轴电机(电主轴，用于滚刀主轴)、内置力矩电机(DDR电机，用于工件主轴)分别驱动，这样就消除了由于传动装置而产生的误差，如反向间隙、啮合误差等，其传动精度主要决定于反馈装置的精度，由于直接驱动只有很少的运动部件，所以噪音很小，系统中唯一的磨损件是轴承，维护减少，如果轴承采用定期润滑，整体电主轴装置就能达到零维护。可以看出，使用零传动技术，机床的结构将会得到最大限度的简化，它是机床设计和制造技术的一次重大革新。图2.4零传动滚齿机床传动链示意图2.3滚刀主轴——工件主轴速度匹配性设计研究在滚齿切削中，最能体现高效加工的机床参数是滚刀主轴的转速、工作台主轴的转速、轴向进给速度、各直线坐标(X、Y、Z轴)及滚刀角度旋转调整轴(A轴)的快速运动速度。在机床设计时，滚刀主轴的最高转速设计、工作台的最高转速设计应综合考虑下面几个因素：滚刀所能承受的切削速度——随着新型刀具材料、新的涂层方法的不断出现和走向实用，如硬质合金刀具、陶瓷刀具切削速度可达250m/min以上、高速钢加TiN或TiAlN等涂层刀具也能达120m/min以上，对于中等模数齿轮采用这些刀具加工时，滚刀的转速一般在5OOrpm左右;然而对于汽车转向器行业的齿轮，由于直径小，要求的滚刀直径也小(否则会伤及工件定位面)，在采用淬硬加工时，滚刀的转速要达800～1OOOrpm。滚刀旋转运动、工作台旋转运动的传动方式，滚刀主轴的支承方式、工作台主轴的支承方式——传统的机械传动式滚齿机受传动链较长，又必须采用蜗杆传动和伞齿轮传动来满足传动路线、方向要求，以及滚刀主轴、工作台主轴采用滑动轴承支承方式等限制，机床滚刀主轴转速一般在5OOrpm以下，工作台转速一般在30rpm以下。然而全数控滚齿机由于采用独立电机驱动而使传动链大大缩短，高速高精度的无隙齿轮传动结构的可实施性，以及高精度滚动轴承的出现与成熟，使滚刀主轴转速、工作台主轴转速大大提高得以可行。跟随数控系统一起发展与成熟的内置主轴电机和DDR力矩电机技术，这也使数控滚齿机的滚刀主轴的最高转速、工作台的最高转速都大大提高得以可行。在机床设计时，轴向进给速度、各直线坐标(X、Y、Z轴)及滚刀角度旋转调整轴(A轴)的快速运动速度设计应综合考虑下面几个因素：机床刚性——各部件及整机结构体现出机床刚性，直线导轨的运用、合理的筋壁厚度及结构布置使机床的刚性大大增强。机电参数的匹配——合理的机电参数匹配设计既可解决部件低速运动及在MDA单步指令进给运动中的误差，又可解决部件在高速运动过程中的超调。传动路线、传动方式——得益于各轴独立驱动的较短的传动路线，使各直线坐标的快速速度大大提高，减少了切削加工中的辅助时间，提高了加工效率。2.3.1滚刀主轴最高转速的设计滚刀主轴和工件主轴转速的高低是衡量滚齿机性能的一个重要指标。从市场调研及用户提供的信息来看，目前很多用户已开始使用硬质合金滚刀加工零件，主要的原因是硬质合金的耐磨性高，滚刀的生产工艺已经成熟，价格在不断下降，同时滚刀的切削转速高，可大大提高生产效率，因此高效滚齿机的主轴最高转速应以能满足硬质合金滚刀的切削速度为参考。近几年，不使用切削液的干切削已成为改善生态环境、实现清洁化生产的一条重要途径，国内外主要的齿轮加工机床厂家都在大力开发数控高速干切滚齿机。目前干切削加工工艺需要的线速度从250m/min～400m/min，按目前国内用户常用的模数1mm、直径为32mm的滚刀取最大值计算：nv100040010003979rpm（2.1）Bmaxd32因此为了适应干切削加工工艺的需要，滚刀主轴最高转速确定为4000rpm。2.3.2滚刀主轴最低转速的设计考虑到采用常规的硬质合金滚刀进行高效加工时，通常使用的滚刀线速度在80m/min～100m/min，同时为加强滚刀的刚性需要使用大直径滚刀，按国内常用的模数1mm、直径为40mm的滚刀考虑，切削4齿时的速度为：nv1000801000636rpm（2.2）Bmind40考虑到用户可根据切削零件的具体情况对滚刀转速进行微量调整，增加10%的速度调整余量，因此滚刀主轴最低转速确定为550rpm。2.3.3工件主轴最高转速的设计工件主轴转速应与滚刀主轴转速相匹配。目前用户加工齿轮的齿数范围在6～100齿以内，如果选择常见少齿数为8～10齿，当滚刀主轴最高转速为4000rpm，此时的工件主轴转速为400～500rpm。并且最高转速的选择要与切削时工件轴所需扭矩相结合，确定所选择DDR力矩电机的最高转速为495rpm，即为工件主轴最高转速。nCmaxn4000(400~500)rpm（2.3）Bmaxmin2.3.4工件主轴最低转速的设计按加工齿轮齿数为100，使用标准硬质合金滚刀加工，滚刀转速为1000～1200rpm，此时的工件主轴转速为10～12rpm，考虑到各种其它因素，选择工件主轴最低转速为5rpm。nnB1000~1200(10~12)rpm（2.4）CminZ100max3零传动滚齿机床的总体布局3.1零传动滚齿机床的总体布局研究在滚齿机设计中，机床总体布局的好坏直接影响机床满足给定加工工艺的适应程度、机床的精度、动静刚度、抗振性、可靠性、制造工艺性、操作宜人性、维修方便性、占地面积、结构复杂程度及外观等。同时，总体布局的好坏也将决定机床整机的技术经济性能，对机床开发的成败、机床的生存能力和市场竞争能力起着至关重要的作用。3.1.1影响总体布局设计的主要因素分析影响滚齿机总体布局的因素很多，主要有以下几个方面:①滚齿机动力特性的影响滚齿在切削原理方面采用展成逼近的切削原理，带切削槽及螺旋升角的滚刀的旋转运动形成假想齿条的直线运动，工件根据滚刀的螺旋升角、旋转方向也按相应的方向作回转运动。由于切削原理、刀具参数及刀具结构型式，使滚齿切削过程的机理远比车、磨、铣、刨等工艺方法的机理复杂得多。在滚齿动力特性中影响机床总体布局的最显著的因素有三个方面：1）滚齿过程是一种断续切削，在滚刀转速越高时，切削力变化频率越高；2）滚齿过程中滚切力大小是变化的，滚齿负荷具有很明显的冲击性质；3）滚齿过程中滚切力方向是变化的。上述三点滚齿的动力特性决定了对滚齿机动静刚度有着特殊要求，为了避免在滚齿时出现共振，机床的固有频率应远离切削力变化频率，亦即在机床工作区间内，机床的固有频率不应与切削力变化频率的频带重叠。由于各种滚齿机生产效率、规格及刀具参数等的不同，对滚齿机动静刚度的要求也不相同。对于采用优质高速钢或硬质合金钢滚刀进行高速切齿的机床，显然要求其应比普通机床的动静刚度高得多。对于大规格的机床而言，由于切削模数大，切削力及切削力矩变化更大，因而要求机床的刚度更高。②滚齿机滚齿工作方式的影响滚齿机滚齿工作方式分为轴向进给加工、径向进给加工、切向进给加工、对角进给加工。一般而言，目前对角进给加工方式应用较少，前三种进给加工方式应用较多。对于数控滚齿机而言，前三种进给加工方式均应具备。这些工作方式决定机床的运动及布局。③滚齿机各部件运动分配的影响滚齿机除了滚刀和工作台的旋转完成展成运动之外，一般还必须具备轴向进给运动，径向进给运动，切向进给运动，这些运动的有无及分配不同，机床的布局也随之变化。径向进给运动可以由立柱运动来完成，也可以由工作台运动来完成。运动的分配则要根据工件的参数、加工精度要求、对机床的生产率要求及刚性要求而定。机床总体布局的选择应保证机床各种运动分配的实现。④滚齿机传动型式的影响机械滚齿机的传动链是由机械内联系传动链来实现的，机床的主运动——滚刀旋转运动及工作台旋转运动现在流行两种方式:一种是由置于床身上的交流电机来实现，另一种是置于大立柱内的交流电机或变频调速电机来实现。机床的进给运动也可以根据与主运动的链接点不同而各异。数控滚齿机的传动是靠CNC（ComputerNumericControl）系统以电子齿轮箱（EGB——ElectronicGearBox）的形式实现的，各运动是由独立的伺服电机或交流主轴电机传动的，根据数控轴的数量和机床规格的不同，机床的总体布局也是有较大差异的。⑤滚齿机自动化程度及生产效率高低的影响机床的布局应适应机床的自动化程度及生产效率的要求。汽车齿轮加工等大批量生产的行业需要的高效、高速滚齿机，必须保证机床生产率较高，自动化程度高，以便于实现单机自动化或纳入生产线自动化。为此，机床除必须有一定刚性外，为便于自动上、下料，工件轴线位置最好是固定的，即机床的工作台最好是固定的，采用立柱移动来实现进给运动。同时，大量切屑的排除，大流量冷却系统的防护、切削过程中油雾的收集等，对机床总体布局也有较大影响。⑥工件尺寸、形状、重量对机床布局的影响对于小规格的工件(一般直径在125mm以下)，为了便于工件装夹、上下料及自动化要求，一般采用卧式布局，由滑板的平稳进给进行加工，这样，有利于提高齿轮加工精度和降低齿面粗糙度;对于中小型规格的工件(一般直径在200～1250mm以内)，这种规格的机床一般采用立式布局，在这种规格中，对于400mm规格以内的机床，一般根据自动化程度采用工作台固定，主柱移动的布局；而对于1250mm以上的大规格机床，一般采用工作台固定，立柱移动的布局，并且对工作台的承载(重量)能力也有严格要求，结构上也必须采用一定措施加以解决。⑦机床的总体布局应有利于减少热变形及其影响机床工作时，所消耗能量的相当部分转变为热量，使机床各部分的温度不一致而出现热变形，这对机床的几何精度、工作精度有较大影响，特别是对批量生产的高效机床影响更大，它是决定机床加工工序能力大小的一个重要因素。所以，总体布局采取对应措施，减小热变形及其影响，提高机床的热稳定性，在机床布局时，一般采取措施有：1）隔离热源将液压油箱、冷却油箱、电气控制箱、主电机等热源置于机床外，这一点对精密机床尤为重要。2）合理布置热源，使机床达到热平衡，以减小相对热变形。3）合理选择布局，使机床热变形对机床精度影响减小到最小程度。例如，立式布局中的工作台固定、立柱移动布置方式中，将后立柱布置在工作台上与布置在床身上的两种方式中，后一种结构可以消除工作台分度副发热对后立柱外支架支承轴承孔中心线与工作台回转轴线的同轴度的影响。⑧机床的总体布局应使机床操作、调整方便，并使机床具有良好的加工工艺性、装配工艺性及维修方便性。⑨机床的总体布局应使机床外形美观、大方、稳定、协调。这一点很大程度上是靠机床防护罩的设计来满足机床整体效果的。机床的油漆色泽(彩)也要满足人机工程学的要求。3.1.2滚齿机总体布局方案比较分析根据论文第2.4.1节的综合分析，滚齿机按工件主轴的空间布置方式分为立式(见图2.5)和卧式(见图2.6)两大类。根据滚齿加工的展成切削原理、各部件运动分配的不同，立式和卧式又可分为多种。表2.1从机床的可操作性、家具的安装盒调整、切屑处理、机床中心高等方面对立式和卧式滚齿机作了详细的比较。图2.5立式滚齿机床 图2.6卧式滚齿机床表2.1立式和卧式滚齿机的比较立式滚齿机的工件主轴垂直布置，这对于大、中型盘状齿轮的安装、夹持和调整操作都比较有利，多数大、中型滚齿机都是立式。卧式滚齿机的工件主轴水平布置，加工长轴齿轮和小模数齿轮的滚齿机多为卧式。根据机床的加工范围和综合因素分析，零传动滚齿机选择卧式布局，下面分析比较常见的几种卧式布局形式：①工件主轴进给，运动中产生的间隙、振动会影响零件的加工精度。②工件主轴不进给，由滚刀滑座兼作轴向和径向进给，根据滚刀主轴的位置又分两种情况:1)滚刀主轴位于工件下方:不利于排屑，万能性好，滚刀轴旋转角可以在90范围内。2)滚刀主轴位于工件后方:利于排屑，容易实现工件装卸料的自动化，滚刀轴旋转角受到限制，达不到90范围。根据Z轴布置形式可分两种情况：1.Z轴水平布置滚刀架稳定性好；2.Z轴垂直布置，其排屑性更优，滚刀架稳定性稍差。经过以上几种卧式滚齿机布局结构形式的比较，从机床结构紧凑、提高机床刚性、提高机床高效切削能力、易于排屑的角度考虑，零传动滚齿机的基本布局形式参照YKJ3610机床的布局形式，即工件主轴采用卧式布局，工件主轴固定，轴向、径向进给拖板位于工件主轴后方，Z轴水平布置，采用类似立式滚齿机的高刚性滚刀架的整体布局方式。图2.7为机床布局总图。图2.7机床布局总图3.2零传动滚齿机床的传动系统设计3.2.1零传动滚齿机运动概述滚齿加工相当于一对交错轴斜齿圆柱齿轮的空间啮合。滚刀是一个螺旋角很大而齿数极少的斜齿圆柱齿轮，其实质就是一个蜗杆。由这种蜗杆组成的滚刀，沿平行于轴线方向或垂直于螺旋线方向开一些容屑槽，刀齿后面经过铲磨加工。切削加工过程中，滚刀和工件的轴线相互交叉，在一定速比关系下作空间啮合，按包络(展成)原理来完成共轭齿形的加工。这种对滚的关系与一对蜗轮副相同，而齿廓是靠连续的展成切削来形成的。切削金属的进给运动是相对于工件径向、轴向或切向的直线运动，它取决于为适应具体要求所采用的工作循环。机床各运动轴均由独立的交流伺服电机驱动，以电子齿轮箱完成切齿时的分度运动、进给运动、差动补偿运动。图2.8是零传动滚齿机二维外观模型。本机床设计为六轴四联动全数控滚齿机，该六轴为：A——滚刀架旋转运动；B——滚刀主轴回转运动；C——工件主轴回转运动；X——滚刀架径向进给运动；Y——滚刀架切向进给运动；Z——滚刀架轴向进给运动。联动轴为：B，C，Y，Z或B，C，X，Z滚齿加工机床工作时是采用展成（范成）原理进行连续切削加工的。滚齿机的各运动的函数运算关系是：分度运动：n KnC Z B轴向差动进给补偿运动：nKnsinvcZBZmzn切向差动进给补偿运动：nKncosvcZBZmyn轴向和切向同时差动进给补偿运动：nKnsinvcosvcZBZmzZmynn式中——与齿轮的旋向、滚刀的旋向、Z轴或Y轴的运动方向有关；Z——工件齿数；K——滚刀头数；——滚刀主轴转速，rpm；B——工作台转，rpm；c——工件螺旋角；——刀架安装角；，v——分别为Z轴、Y轴的移动速度，mm/min；y——工件法向模数，mm。n图2.8零传动滚齿机三维模型3.2.2零传动滚齿机各运动轴的传动设计要实现高速干式滚齿，滚齿机刀具主轴与工作台主轴的高速及高精度同步回转是先决条件。传统滚齿机是通过展成传动链将这两个运动连在一起的，滚刀主轴采用滑动轴承，工作台采用蜗轮副分度和滑动轴承支承，这就使得这两个运动的转速都不高，通常滚刀主轴实际能使用的转速在350rpm以内，工作台的转速在25rpm以下，在这种转速下要实现高速、高精度、干式切削是不可能的。简化滚齿机的传动系统，不仅可以缩短传动链，提高机床的传动精度，增加了机床的动、静刚性及热平衡，便于机床的安装及维修，而且传动系统的简化带来了机床结构的简化，可以节约机床的用材，减少机床的机械加工，从而减少滚齿机制造过程中对环境的影响及节约能源。零传动滚齿机利用先进的数控技术、伺服技术、计算机软件技术、电主轴技术、力矩电机技术等实现了传动系统极大的简化。图2.9为零传动滚齿机传动系统图。该图中的蜗轮蜗杆传动副，与传统机床的传动系统相同，实现刀架转位。图2.9传动系统图①滚刀主轴、工件主轴回转运动传动设计B轴(滚刀主轴回转运动)和C轴(工件主轴回转运动)均去掉一般数控滚齿机中的高精度齿轮副或蜗轮副，采用内置主轴电机(电主轴，用于滚刀主轴)、内置力矩电机(DDR电机，用于工件主轴)分别驱动，这样就消除了由于传动装置而产生的误差，如反向间隙、啮合误差等，其传动精度主要决定于反馈装置的精度，由于直接驱动只有很少的运动部件，所以噪音很小，系统中唯一的磨损件是轴承，维护减少，如果轴承采用定期润滑，整体主轴装置就能达到零维护。图2.10为滚刀主轴和工件主轴结构图，表2.2对齿轮传动和直接驱动滚刀轴、工件轴性能进行了比较。表2.2齿轮传动和直接驱动滚刀轴、工件轴性能比较项目齿轮传动滚刀轴、工件轴直接驱动滚刀轴、工件轴速度低高加速度低高抗干扰相对强相对弱夹紧转矩大相对小定位精度较高（主要决定于编码器分高（主要决定于编码器分辨辨率和降速机械）率、机械刚度和轴承刚度）机械噪声大低维修必需（由于机械磨损）基本不需要装配相对容易需要思考（由于磁拉力）冷却一般不需要自然冷、气冷、液冷（决定于连续转矩和散热情况）外形尺寸不紧凑（电机外装）紧凑（电机内装）机械结构 复杂 简单②机床径向及轴向运动的传动设计X轴（滚刀架径向进给运动）、Z轴（滚刀架轴向进给运动）、Y轴（滚刀架切向进给运动）均采用伺服电机与高精度预加载荷的滚珠丝杠直联的传动方式。滚珠螺旋传动具有传动效率高、运动平稳、传动可逆和不自锁、定位精度高、同步性高等特点。这样结构紧凑，传动精度高。③刀架调整角度用蜗杆传动设计相对于两垂直相错轴间具有固定传动比的回转运动，蜗杆传动是运用最广的传动方式。蜗杆传动具有降速比大、结构紧凑、工作平稳、无噪声、能阻滞扭转振动，以及当蜗杆螺旋升角小于摩擦角时，有反向锁紧作用等特点。这些特点使蜗杆传动在机床中得以广泛应用，特别是对于需要传递较大功率（扭矩）及改变传递运动方向的运动轴中。控制滚齿机刀架角度回转为调整轴，只有在加工双联齿轮或换加工品种时才使用。因此，在绝大部分滚齿机中，采用蜗杆副传动调整刀架角度。蜗杆传动的设计是极其成熟的技术，在此不再赘述。图2.10滚刀主轴和工件主轴结构图4尾座部件设计4.1液压缸主要技术性能参数的计算4.1.1液压缸工作压力的确定根据各类液压设备常用压力表机

床设备类型工作压力/MPa

磨床≤2

组合机床车床、铣床、镗床等拉床、龙门刨床≤6.3 2～4 ≤10由液压缸的公称压力系列（GB7938——87），MPa0.6311.62.546.31016202540选定设计的液压缸的工作压力P1=4MPa。4.1.2液压缸的总效率的确定液压缸的总效率有以下效率组成：（１）机械效率m，由活塞及活塞杆密封处的摩擦阻力所造成的摩擦损失，在额定压力下,通常可取：m=0.9～0.95。（２）容积效率v，由各种密封件泄露造成，通常取：活塞密封为弹性材料时：v＝１活塞密封为金属环时：v＝0.98（３）作用力效率d,当排油直接回油箱时：d＝１（４）液压缸的总效率t：tmvd＝0.911＝0.94.1.3液压缸的理论作用力的计算液压缸的理论作用力P：P=P0/(t)=3920/(0.60.9)=7260N负载率，一般=0.5～0.7，取＝0.6。t液压缸的总效率，t=0.90活塞杆的实际作用力,P0=400Kg=3920N4.1.4液压缸内径的选取根据常用液压缸理论推力表DAP11=4MPa(mm)(C㎡)P(KN)32 8.04 3.2240 12.57 5.0250 19.63 7.8563 31.17 12.47选取液压缸的内径为D=50mm,此时活塞的输出力P=7850N,符合条件.4.1.5活塞运动速度的选取活塞运动速度v过低可能造成液压缸爬行,导致液压缸无法正常工作.故vmax0.05m/s,根据法MARREL和CPOAC公司采用的液压缸活塞的许用最大线速度,小型系列缸内径,mmvmax32~630.580~1000.4125~2000.25选取此液压缸活塞的运动速度为v=0.15m/s.4.1.6液压缸速比的选取为了避免产生过大的背压或造成活塞杆太细,稳定性不好,活塞的速比不应太大或太小.根据下表,选取活塞杆的直径d=22mm,此时速比=1.25速比缸筒内径D(mm)21.461.331.251.15d(mm)36282522184.1.7液压缸流量的计算对于单活塞杆液压缸,当活塞杆伸出时:Q= D2V103=4125104

9103=17.67L/min当活塞杆缩回时：Q= (D2d2)V103=

41

(2500

484)106

9103=14.21L/minD——液压缸内径，md——活塞杆直径，mv——活塞杆运动速度，m/minv——液压缸容积效率。当活塞密封为弹性密封材料时：v＝14.1.8活塞行程的确定活塞的最大允许行程L=320dkPK=320222278505=782mm＞65mm。根据活塞行程系列（GB2349-80），mm25 50 80 100125160200250320400500选取活塞行程为L=80mm。PK——活塞杆弯曲失稳临界压缩力，PkPnkNP——活塞杆纵向压缩力，Nnk——安全系数，通常nk=3.5~6，取5。d——活塞杆直径。4.2液压缸主要零部件设计4.2.1液压缸缸筒的设计（1）缸筒结构：根据缸筒的额定工作压力，用途和使用环境，缸筒采用内螺纹连接，此种连接方法具有重量较轻，外径较小的优点。（2）缸筒材料：一般要求具有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸筒要求有良好的焊接性能。因缸筒与端盖焊接，所以选用S35号钢，机械预加工后再调质。（3）缸筒计算：1）缸筒内径：前边已经求得缸筒的内径D=50mm2）缸筒壁厚：缸筒壁厚0C1C20——缸筒材料要求强度最小值（mm）C1——缸筒外径公差余量。2——-腐蚀余量。缸筒底部为平时，其厚度可以按照四周嵌住的圆盘强度进行近似的计算：0.4330 p＝0.4330×4104=8.8ｍｍ考虑到缸筒底部设有油口管道，选取25mm——筒底厚P——缸筒最大工作压力——筒底材料许用应力，选取方法与上述缸筒厚度计算相同。5）缸筒头部法兰厚度计算h4Fb103(ral= 472600.00530103104=3.9mm选取其厚度为10ｍｍ．F——法兰在缸筒最大内压下，所承受的最大压力，Na——法兰外圆半径。6）钢筒螺纹连接部分校核计算钢筒与端部螺纹连接时，钢筒螺纹处的强度计算如下：螺纹处的拉应力4KF106(d2D2)0437850(59.8862502)=27.6MPａ螺纹处的切应力为：K1KFd01060.2(d2D2)00.1237260640.2(59.8863503)=10.28MPa合成应力为： 232n27.62310.282＝33.7MPa104MPaF——缸筒端部承受的最大推力。D——缸筒内径。0——螺纹外径。1——螺纹底径。K——拧紧螺纹系数。—螺纹连接的摩擦系数。17）缸筒与端部焊接校核：缸筒与端部用焊接连接时，其焊缝应力计算如下：4F(D2d2)1061 1=

47850(702662)0.7=26.7MPa104MPaF-----缸筒最大推力。D-----缸筒外径。――焊缝底径。1——焊接效率。4.2.2活塞的设计1）活塞结构形式：采用整体活塞，迷宫型间隙密封。用于精度高，直径小，速度低的液压缸。没有容易刮伤的密封件，不会因密封件的损坏而发生泄露。与缸筒的配合公差等级，形位公差等级要求高，表面粗糙度参数值小，一般需配研。2）活塞与活塞杆的连接活塞与活塞杆采用螺母连接。活塞与活塞杆之间设置静密封。3）活塞材料：对于无导向环的活塞，采用高强度铸铁HT200——300或球墨铸铁。5）活塞的尺寸及加工公差。活塞外径的配合一般采用f9，外径对于内孔的同轴度公差不大于0.02ｍｍ，断面于轴线的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，外表面的圆度和圆柱度一般不大于外径公差之半。4.2.3活塞杆的设计1）活塞杆的结构：为了装有位置传感器，可采用空心管。为了避免活塞杆在工作中产生偏心负载力，适应液压缸的安装要求，提高作用效率，考虑到本设计缸工作时轴线固定不动，所以采用螺栓头连接2）活塞杆的材料和技术要求：活塞杆采用45号缸，调质处理，并淬火，淬火深度为0.5～1mm。3）活塞杆的计算：a：活塞杆的直径计算。前面已经计算出活塞杆的直径为22mm对于空心活塞杆：d4106Pd211则dd24106P1=1(22103)24106785085=19.1mm取为18mmb：活塞杆的强度计算在活塞杆稳定工况下，如果只受轴向推力或拉力，可以近似的采用直杆承受拉压负载的简单强度计算公式计算：4P106d247850106484106＝20.7MPa≤材料的许用应力，无缝钢管＝100～110MPa对于活塞杆上的螺纹，退刀槽等危险截面，其合成应力：＝1.8P2nd22＝1.87850296＝72MPa≤C：活塞杆弯曲稳定性验算：当受力P完全在轴线上时，按照1PP2EI10621.801147.9k10.0451nK2L2n0.25kBk＝400KN满足要求——实际弹性模数1EE1.801051(1a)(1b)a——材料组