數(shù)控高速滾齒機(jī)總體布局及尾座部件設(shè)計(jì)

數(shù)控高速滾齒機(jī)總體布局及尾座部件設(shè)計(jì)1緒論齒輪是機(jī)械產(chǎn)品的重要基礎(chǔ)零件，它以其恒功率輸出、承載能力大、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于機(jī)床、汽車(chē)、摩托車(chē)、農(nóng)機(jī)、建筑機(jī)械、工程機(jī)械、航空、兵器、工具等領(lǐng)域，其質(zhì)量、性能、壽命直接影響到各類(lèi)機(jī)械的總成質(zhì)量。齒輪因其形狀復(fù)雜，技術(shù)問(wèn)題多，制造難度較大，也造成齒輪加工機(jī)床的高度復(fù)雜性，所以齒輪制造水平在較大程度上反映了一個(gè)國(guó)家機(jī)械工業(yè)的水平。近年來(lái)，隨著汽車(chē)、機(jī)械、航天等工業(yè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對(duì)齒輪提出了更高的要求：傳動(dòng)速度大、承載能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)行噪音小、制造成本低，相應(yīng)地對(duì)齒輪的設(shè)計(jì)、加工、檢測(cè)等方面也提高了要求。在這種背景下，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法、先進(jìn)制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的交叉融合，使齒輪相關(guān)技術(shù)的研究進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。1.1齒輪加工技術(shù)圓柱齒輪的加工方法很多，按齒廓形成原理，可以分為成形法和展成法兩大類(lèi)。成形法是用刃部形狀與被切齒輪槽形狀相同的成形刀具來(lái)加工齒輪的，屬于成形法的齒輪加工方法有銑齒、拉齒、沖齒、成形磨齒、壓鑄等。展成法又稱(chēng)滾切法，是加工時(shí)切削刀具與工件作相對(duì)展成運(yùn)動(dòng)，刀具和工件的瞬心線(xiàn)相互作純滾動(dòng)，兩者之間保持確定的速比關(guān)系，所獲得加工表面就是刀刃在這種運(yùn)動(dòng)中的包絡(luò)面?，F(xiàn)代齒輪生產(chǎn)中，主要是展成法。屬于展成法的齒輪加工方法有滾齒、插齒、剃齒、珩齒、展成法磨齒、車(chē)齒等。①滾齒加工滾齒是一種高效的、應(yīng)用最廣泛的一種齒廓加工方法，是依照交錯(cuò)軸斜齒輪嚙合原理進(jìn)行加工的。滾齒精度一般可達(dá)7~8級(jí)，當(dāng)采用高精度滾刀和高精度滾齒機(jī)時(shí)，可滾切5級(jí)精度的齒輪。目前滾齒加工的先進(jìn)技術(shù)有：1）多頭滾刀滾齒，可以大幅度提高生產(chǎn)效率，滾刀頭數(shù)最多可達(dá)7頭，但各頭之間的偏差影響齒輪的齒向精度。2）硬齒面滾齒技術(shù)，國(guó)外硬齒面滾齒精度達(dá)DIN6級(jí)，加工費(fèi)用僅為磨齒的1/3，效率較普通的磨齒高1～5倍，且無(wú)磨削燒傷或裂紋。3）滾齒機(jī)數(shù)控化，大幅度提高了機(jī)床的加工精度及工藝能力指數(shù)，增加了機(jī)床的可靠性并且擴(kuò)大了機(jī)床的加工范圍。4）干切工藝。德國(guó)Liebherr公司的LC80系列滾齒機(jī)，美國(guó)Gleason一Pfauter公司的GP130系列滾齒機(jī)，日本三菱重工公司的GN10系列滾齒機(jī)等均可以采用高速干式切削加工。國(guó)內(nèi)齒輪機(jī)床制造廠家在齒輪加工干切技術(shù)方面，目前正處于研究的初級(jí)階段。在CIMT2005機(jī)床展上，日本三菱公司展出的GE15A滾齒機(jī)上，采用了表面涂有超級(jí)干切涂層的MACH7高速鋼滾刀，線(xiàn)速度達(dá)250m/min；重慶機(jī)床廠展出的YKS3112滾齒機(jī)上，采用了表面涂有DUAL涂層的硬質(zhì)合金滾刀，線(xiàn)速度達(dá)181m/min。干式滾削具有高的生產(chǎn)率、高精度和高的工件質(zhì)量，無(wú)切削液，工件不受油液污染，符合環(huán)保要求，屬于無(wú)污染的綠色加工工藝。②插齒加工插齒也是廣為采用的切齒方法，它是用形狀為齒輪或齒條的插齒刀具，與被加工齒輪按一定的速度作相嚙合運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，刀具沿齒長(zhǎng)方向作往復(fù)運(yùn)動(dòng)形成切削加工，特別適合于加工內(nèi)齒輪和多聯(lián)齒輪。采用特殊刀具和附件后，還可加工棘輪、內(nèi)外花鍵、扇形齒輪、齒條、端面齒輪等。插削速度最高可達(dá)1000～2500次/min沖程數(shù)，加工精度達(dá)5～6級(jí)。插齒技術(shù)的研究重點(diǎn)有：1）插齒機(jī)的數(shù)控化，以便加工橢圓齒輪、非圓齒輪和特殊形狀的齒輪。2）提高插齒機(jī)的沖程次數(shù)，從而提高插齒效率。3）硬齒面齒輪的插削工藝的研究。4）數(shù)控插螺旋齒，以提高螺旋齒輪的加工精度。③剃齒加工剃齒方法除了人們所熟知的平行軸剃齒、對(duì)角剃齒外，徑向剃齒的發(fā)展近年來(lái)格外引人注目。徑向剃齒由于只作徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)而省掉了軸向或?qū)沁M(jìn)給，因而效率大大提高。徑向剃齒時(shí)，齒輪的齒形和齒向修形均靠剃齒刀修形完成。剃齒刀齒面輪廓形狀和精度要求高，齒形要求中凹，齒向要反鼓，同時(shí)對(duì)剃齒刀刃口槽形位置、形狀（如刃口錯(cuò)位排列）、矩形槽都有很高要求，因此剃齒刀設(shè)計(jì)和制造上都有相當(dāng)?shù)碾y度。近年來(lái)由于徑向剃齒刀的研制成功，使徑向剃齒這一高效方法在越來(lái)越多的齒輪加工中得到應(yīng)用。國(guó)內(nèi)一些工具廠近年來(lái)成功地研制出徑向剃齒刀，同時(shí)不少齒輪制造廠引進(jìn)了相應(yīng)的剃齒刀修磨機(jī)床，因而徑向剃齒工藝在我國(guó)也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由與徑向剃齒比平行剃齒或?qū)翘挲X產(chǎn)生更大的徑向擠壓力，因此要求機(jī)床具有更高的剛性。重慶機(jī)床廠近年開(kāi)發(fā)的YA4232A剃齒機(jī)和YAT4232徑向剃齒機(jī)均具有很高的剛性，適合于汽車(chē)、摩托車(chē)和機(jī)床齒輪的剃齒加工。④珩齒加工珩齒技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從自由珩到強(qiáng)迫珩，從最初的齒輪式外嚙合珩到蝸桿珩再到現(xiàn)在的內(nèi)嚙合珩等階段。最初的齒輪式外珩齒技術(shù)，采用的是自由珩技術(shù)，靠珩輪輪齒對(duì)工件齒輪表面進(jìn)行光整加工，可有效地改善齒面質(zhì)量。80年代，卡譜（Kapp）公司推出的VAC65型珩齒機(jī)，采用了稱(chēng)為Coronieren的硬齒面精加工方法。其珩磨輪是一個(gè)有高精度內(nèi)齒輪的鋼環(huán)，內(nèi)齒輪齒面上電鍍單層CBN磨料。工具齒輪與工件齒輪間采用電子同步系統(tǒng)相聯(lián)系，運(yùn)轉(zhuǎn)中通過(guò)進(jìn)給使工件齒輪的各項(xiàng)誤差逐漸得到修正，從而達(dá)到十分穩(wěn)定的精度。目前晰齒都用于中、小模數(shù)的齒輪。我國(guó)大連理工大學(xué)研究了可控電解珩磨工藝，解決大模數(shù)齒輪的珩齒，其特點(diǎn)是不受齒輪模數(shù)、齒數(shù)、尺寸及結(jié)構(gòu)形式限制，可在滾齒的基礎(chǔ)上，將齒形精度提高1～2級(jí)，表面粗糙度降低到Ra0.5m以下。⑤磨齒加工磨齒是獲得高精度齒輪最有效和可靠的方法。由于現(xiàn)在多用硬齒面的齒輪，磨齒成為高精度齒輪的主要加工方法。目前碟形砂輪和大平面砂輪磨齒精度可達(dá)DIN2級(jí)，蝸桿砂輪磨齒精度達(dá)DIN3～4級(jí)，錐形砂輪磨齒精度達(dá)DIN4～5級(jí)。磨齒的主要問(wèn)題是效率低、成本高，所以提高磨齒效率，降低費(fèi)用成為當(dāng)前主要研究方向。近年來(lái)出現(xiàn)的新技術(shù)有：1）改進(jìn)磨削方法，Maag公司提出了“K"磨削法和Niles公司提出了“雙面磨削法”，提高了磨齒效率。2）應(yīng)用立方氮化硼砂輪高效磨齒，比用單晶剛玉砂輪磨削效率提高5-10倍，被磨削表面不易發(fā)生燒傷和裂紋，疲勞強(qiáng)度高。3）采用數(shù)控技術(shù)，提高了效率和自動(dòng)化程度，獲得了穩(wěn)定和可靠的精度。4）開(kāi)拓新的磨削原理和磨齒工藝，瑞士賴(lài)斯豪爾公司新開(kāi)發(fā)的RZP200型磨齒機(jī)采用了環(huán)面蝸桿砂輪磨削的連續(xù)成形磨齒工藝，其效率是普通磨齒法的5倍。以上幾種圓柱齒輪工藝方法與加工精度的比較見(jiàn)表1.1表1.1圓柱齒輪工藝加工方法和加工精度比較工藝方法 工藝方法簡(jiǎn)圖 加工精度 加工特點(diǎn)生產(chǎn)率高，通用性大，滾齒 5～9連續(xù)分度滾齒，運(yùn)動(dòng)誤差易保證適用于中小模數(shù)齒輪加工，通用性好，廣插齒 5～8泛用于內(nèi)齒輪、雙聯(lián)及多聯(lián)齒輪加工主要用于齒輪的滾、插預(yù)加工后的精加工，和磨齒相比，具剃齒 5～7有效率高，成本低，齒面無(wú)燒傷和裂紋等優(yōu)點(diǎn)效率高，成本低，表面質(zhì)量好，齒面無(wú)燒珩齒 6～8 傷，尤其適用于作硬齒面滾、插后改善表面粗糙度的后續(xù)工序磨成型砂生產(chǎn)率很高，砂輪是7～8專(zhuān)用的，適用于較大齒輪磨齒批量生產(chǎn)齒輪蝶形砂采用碟形砂輪的棱邊4～7磨削不加冷卻液，生輪磨齒產(chǎn)率較低蝸桿砂生產(chǎn)率很高，特別適5～7用于成批生產(chǎn)和大量輪磨齒生產(chǎn)1.2傳統(tǒng)滾齒機(jī)分析傳統(tǒng)滾齒機(jī)典型機(jī)型Y3150E，傳動(dòng)系統(tǒng)圖如圖1.1所示。傳統(tǒng)的滾齒機(jī)傳動(dòng)采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用分流傳動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，內(nèi)聯(lián)傳動(dòng)鏈嚴(yán)格的速度同步與行程同步關(guān)系是靠具有準(zhǔn)確傳動(dòng)比的傳動(dòng)元件（齒輪、蝸輪、蝸桿等）實(shí)現(xiàn)的，調(diào)整環(huán)節(jié)采用掛輪以保證足夠精度的傳動(dòng)比與調(diào)整范圍。傳動(dòng)系統(tǒng)有五條傳動(dòng)鏈：主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈、展成運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈、軸向進(jìn)給傳動(dòng)鏈、附加運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈、快速空行程傳動(dòng)鏈。這些傳動(dòng)使?jié)L齒機(jī)只具有滾切圓柱齒輪、蝸輪的加工能力，其工作范圍不僅較窄，而且機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且傳動(dòng)鏈上的工作元件多。例如展成運(yùn)動(dòng)鏈和附加運(yùn)動(dòng)鏈除了要必須經(jīng)過(guò)合成運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)外，從首端件到末端件還各自需要經(jīng)過(guò)9對(duì)齒輪、蝸桿蝸輪、以及10根左右軸的順序傳遞；軸向進(jìn)給傳動(dòng)鏈則需要經(jīng)過(guò)8對(duì)齒輪、蝸桿蝸輪、絲杠螺母、7根軸的順序傳遞。這些傳動(dòng)鏈不僅傳動(dòng)元件多，積累誤差大，而且誤差還交替?zhèn)鬟f，尤其是展成運(yùn)動(dòng)鏈和附加運(yùn)動(dòng)鏈有一部分重復(fù)使用，這樣就易形成誤差的交替?zhèn)鬟f，從而將附加運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)誤差，傳入到要求分度運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性很高的展成運(yùn)動(dòng)上。傳統(tǒng)機(jī)械滾齒機(jī)的滾刀主軸轉(zhuǎn)速最高為500rpm，工作臺(tái)轉(zhuǎn)速最高為32rpm。傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)鏈滾齒機(jī)已經(jīng)不適合新型機(jī)床對(duì)傳動(dòng)精度與傳動(dòng)速度的要求。由于各傳動(dòng)元件的制造和安裝誤差，使得內(nèi)聯(lián)傳動(dòng)鏈?zhǔn)锥思湍┒思荒馨蠢硐氲膫鲃?dòng)關(guān)系運(yùn)動(dòng)，存在傳動(dòng)誤差。滾齒機(jī)傳動(dòng)鏈精度是指按規(guī)定的工件齒數(shù)調(diào)整后，工件主軸相對(duì)于滾刀主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)角誤差。傳動(dòng)鏈中的傳動(dòng)環(huán)節(jié)與傳動(dòng)元件越多，傳動(dòng)誤差的來(lái)源越多，傳動(dòng)誤差也越大，傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)誤差是影響齒輪加工精度的主要因素。提高內(nèi)聯(lián)傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)精度一直是此類(lèi)機(jī)床的研究重點(diǎn)。圖1.1Y3150E滾齒機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)圖1.3數(shù)控滾齒機(jī)分析二十世紀(jì)80年代以來(lái)，數(shù)控滾齒機(jī)進(jìn)入了實(shí)用階段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外滾齒機(jī)產(chǎn)品中，數(shù)控滾齒機(jī)已占主導(dǎo)作用，我國(guó)研制的數(shù)控滾齒機(jī)始于二十世紀(jì)80年代中期。數(shù)控滾齒機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在很多方面繼承了傳統(tǒng)機(jī)械滾齒機(jī)的特點(diǎn)，但由于應(yīng)用了數(shù)控技術(shù)所以在結(jié)構(gòu)上作了相應(yīng)的改進(jìn)，以充分發(fā)揮機(jī)電一體化的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)代數(shù)控滾齒機(jī)，各個(gè)運(yùn)動(dòng)都由單獨(dú)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，交流主軸電機(jī)直接安裝在刀架上，經(jīng)過(guò)幾對(duì)高精度圓柱斜齒輪傳至滾刀主軸，區(qū)別于傳統(tǒng)滾齒機(jī)設(shè)計(jì)中主軸運(yùn)動(dòng)由普通或變頻電機(jī)通過(guò)較長(zhǎng)傳動(dòng)鏈傳至主軸，而此設(shè)計(jì)大大降低了傳動(dòng)誤差，提高了傳動(dòng)精度，并增強(qiáng)了相關(guān)的傳動(dòng)特性和傳動(dòng)剛性，轉(zhuǎn)速可達(dá)1500rpm。工作臺(tái)采用大直徑高精度圓柱斜齒輪傳動(dòng)，改變了傳統(tǒng)的工作臺(tái)由蝸輪、蝸桿傳動(dòng)的形式，提高了加工效率，采用高精度、高剛性滾動(dòng)軸承支承，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)150rpm，顯著提高了機(jī)床的加工精度。數(shù)控滾齒機(jī)采用全數(shù)字控制，并帶有EGB（ElectronicGearBox）電子齒輪箱，由它代替了傳統(tǒng)機(jī)械滾齒機(jī)各種交換齒輪的功能，所以機(jī)床各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)精度高，調(diào)整方便。機(jī)床的柔性好，切削循環(huán)可設(shè)置一次、二次方框循環(huán)，L循環(huán)等多種切削循環(huán)方式，除可加工圓柱直齒輪、斜齒輪、短花鍵軸、鏈輪、蝸輪等外，還可加工多種錐齒輪、鼓形齒等特殊齒形的齒輪。圖1.2數(shù)控滾齒機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)圖數(shù)控滾齒機(jī)由于傳動(dòng)鏈大大縮短，減少了軸、軸承和齒輪等元件的制造誤差、間隙和裝配誤差的影響；另一方面由于剛度的提高和熱變形的減少保持了精度的穩(wěn)定性；第二是可以方便地對(duì)機(jī)械誤差進(jìn)行補(bǔ)償。所以相對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械滾齒機(jī)來(lái)說(shuō)，機(jī)械誤差對(duì)加工精度的影響能得到有效的控制。圖1.2是國(guó)內(nèi)目前最先進(jìn)的數(shù)控滾齒機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)圖。1.4滾齒加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)滾齒是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣的切齒方法，一些國(guó)家滾齒機(jī)的擁有量約占所有齒輪機(jī)床總量的45～50%。為適應(yīng)齒輪加工行業(yè)對(duì)制造精度、生產(chǎn)效率、提高質(zhì)量及清潔生產(chǎn)的要求，滾齒機(jī)及滾齒加工技術(shù)出現(xiàn)了以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：①全數(shù)控化所謂的全數(shù)控化，指不僅齒輪加工機(jī)床的各軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是數(shù)控的，而且機(jī)床的展成運(yùn)動(dòng)和差動(dòng)運(yùn)動(dòng)也是數(shù)控的，即機(jī)床的各運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行CNC控制及軸間實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。齒輪加工機(jī)床全數(shù)控化后具有如下特點(diǎn)：1）機(jī)床結(jié)構(gòu)發(fā)生革命性的變化齒輪加工機(jī)床全數(shù)控化使得機(jī)床傳動(dòng)鏈大大縮短，并且各軸間沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)的聯(lián)系，與傳統(tǒng)機(jī)床相比機(jī)床的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，增強(qiáng)了機(jī)床的剛性。機(jī)床結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，更有利于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的模塊化。2）提高齒輪的加工精度機(jī)械傳動(dòng)鏈縮短或完全被取代，刀具磨損的自動(dòng)補(bǔ)償，計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，新的智能控制算法的應(yīng)用，伺服系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量的進(jìn)一步減小，從而提高了機(jī)床的加工精度及工藝能力指數(shù)。3）提高齒輪加工的效率完全排除了交換齒輪和行程擋塊的調(diào)整，縮短調(diào)整時(shí)間，而且可在一次安裝下不經(jīng)過(guò)任何調(diào)整就可加工多聯(lián)齒輪。工件程序可以?xún)?chǔ)存供再次加工時(shí)調(diào)用，調(diào)整時(shí)間顯著縮短，一般調(diào)整時(shí)間僅是非數(shù)控系統(tǒng)的10%～30%。4）高精度快速地加工非圓齒輪、修形齒輪由于數(shù)控技術(shù)的采用，可以方便調(diào)整、控制各軸間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，從而加工出橢圓齒輪等各種非圓齒輪和各種修形齒輪，且加工精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的機(jī)械靠模加工方法。5)高度自動(dòng)化和柔性化可實(shí)現(xiàn)任意工作循環(huán)，縮短調(diào)整時(shí)間，便于實(shí)現(xiàn)小批量多品種加工。同時(shí)機(jī)床本身柔性大為增加，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)床重組，易于組成柔性齒輪制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)齒輪制造的柔性自動(dòng)化過(guò)程。②零傳動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用“零傳動(dòng)”即直接驅(qū)動(dòng)，由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)刀具、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)及直線(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)，完全取消所有機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力源對(duì)機(jī)床工作部件的直接傳動(dòng)傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度為“零”。一般數(shù)控滾齒機(jī)的滾刀主軸由變頻交流主電機(jī)通過(guò)一到兩對(duì)斜齒輪驅(qū)動(dòng)，直接驅(qū)動(dòng)工件主軸的分度副，一般采用高精度蝸輪副或特殊齒形的多頭雙蝸輪副以及大尺寸齒輪副，各進(jìn)給軸通過(guò)滾珠絲杠副實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)向直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。近幾年國(guó)外的各齒輪制造廠家在小直徑（<200mm）、小模數(shù)（m<3mm）齒輪加工方面已推出滾刀軸和工件軸直接驅(qū)動(dòng)的機(jī)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。直接驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)是使用電主軸直接驅(qū)動(dòng)滾刀主軸，用同步力矩伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)。由于直接傳動(dòng)，去掉了高精密齒輪等關(guān)鍵零件，這樣就消除了由于傳動(dòng)裝置而產(chǎn)生的誤差，如反向間隙、嚙合誤差等。而各進(jìn)給軸仍通過(guò)滾珠絲杠副實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)向直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換，如果各進(jìn)給軸采用直線(xiàn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，將完全實(shí)現(xiàn)零傳動(dòng)。零傳動(dòng)齒輪加工機(jī)床不僅可以大幅度提高機(jī)床的加工精度和加工速度，也可以完全解決機(jī)械傳動(dòng)鏈中存在的磨損問(wèn)題，可以長(zhǎng)期保持機(jī)床的精度。此外，零傳動(dòng)方案還可極大地簡(jiǎn)化機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高機(jī)床的動(dòng)靜剛度，也有利于實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造。③高速、高精度滾齒機(jī)的高速化，主要是指機(jī)床擁有高的刀具主軸轉(zhuǎn)速和高的工作臺(tái)轉(zhuǎn)速。它們是影響切削效率的主要指標(biāo)。傳統(tǒng)機(jī)械滾齒機(jī)的滾刀主軸轉(zhuǎn)速最高為500rpm，工作臺(tái)轉(zhuǎn)速最高為32rpm。電主軸和大扭矩同步力矩伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用使刀具主軸和工作臺(tái)轉(zhuǎn)速得到提高。Gleason—Pfauter公司制造的P60臥式滾齒——磨齒復(fù)合機(jī)床，刀具主軸轉(zhuǎn)速達(dá)12000rpm，工作臺(tái)轉(zhuǎn)速達(dá)3000rpm。德國(guó)Liebherr公司制造的LC80干式切削滾齒機(jī)，滾刀主軸轉(zhuǎn)速為9000rpm，工作臺(tái)轉(zhuǎn)速為rpm。國(guó)外廠家在小直徑小模數(shù)方面均有刀具主軸轉(zhuǎn)速達(dá)3000rpm，工作臺(tái)轉(zhuǎn)速達(dá)1000rpm的機(jī)型。在CIMT2005機(jī)床展上，日本三菱公司展出的GE15A滾齒機(jī)上，采用了表面涂有超級(jí)干切涂層的MACH7高速鋼滾刀，線(xiàn)速度達(dá)250m/min，滾切模數(shù)1.4mm，齒數(shù)34,螺旋角22.5的齒輪，切削時(shí)間為lOs，加上上下料等輔助時(shí)間，加工一個(gè)齒輪總循環(huán)時(shí)間僅為14.3s。提高加工精度的途徑可分為兩大類(lèi)，一是提高機(jī)床本身的精度，二是通過(guò)誤差補(bǔ)償來(lái)減少加工誤差。由于采用了高精度、具有預(yù)加負(fù)荷的高剛性直線(xiàn)導(dǎo)軌、滾珠絲杠、滾動(dòng)軸承、電主軸、大扭矩同步力矩伺服電動(dòng)機(jī)，使齒輪加工機(jī)床在高速加工的條件下精度得到保證并有所提高。電主軸精度一般為徑向振擺0.002mm，軸向跳動(dòng)0.001mm；大扭矩同步力矩伺服電動(dòng)機(jī)定位精度達(dá)0.5"，重復(fù)定位精度達(dá)0.01"。直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)軸的定位精度小于0.008mm，重復(fù)定位精度小于O.OO5mm。影響齒輪加工精度的因素很多，除了電氣方面的以外，還有如機(jī)床結(jié)構(gòu)特性與熱特性、刀具磨損、機(jī)床主軸運(yùn)動(dòng)誤差、各種靜態(tài)載荷，以及工件裝火和機(jī)床振動(dòng)等因素。所有這些因素都可以通過(guò)建模（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模）來(lái)加以補(bǔ)償。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和插補(bǔ)算法的不斷改進(jìn)，數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和曲線(xiàn)擬合精度可以達(dá)到很高。采用多種智能控制方式，可以改善伺服系統(tǒng)的跟蹤響應(yīng)特性，也可以提高加工精度。滾齒盡管一般用于粗加工，但在高速切削的條件下仍能達(dá)到DIN6～7級(jí)精度，為其后的精加工工序獲得高精度提供了保證。④環(huán)?；娝苤?，金屬切削中的切削液具有冷卻、潤(rùn)滑和排屑等作用，可獲得良好的加工質(zhì)量，并提高刀具耐用度和生產(chǎn)率。但隨著近年來(lái)切削速度和切削功率的急劇提高，單位時(shí)間內(nèi)金屬切除量大量增加，切削液的用量也越來(lái)越大，并且在高速切削過(guò)程中，切削液產(chǎn)生飛濺、形成油霧，不僅提高了企業(yè)生產(chǎn)成本，還污染了生態(tài)環(huán)境，并損害了工人的身體健康。為此，通常將加工區(qū)用保護(hù)罩封閉起來(lái)，安裝上油霧分離器，使排出的只是不含油的霧，而切削油則重新流回機(jī)床內(nèi)循環(huán)利用。但這并不能從根本上解決環(huán)保問(wèn)題，因?yàn)樽冑|(zhì)切削液的更換排放會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境。因此，不使用切削液的干切削就成為改善生態(tài)環(huán)境，降低生產(chǎn)成本的有效措施，也是實(shí)現(xiàn)清潔化生產(chǎn)的一條重要途徑。國(guó)內(nèi)外著名的齒輪加工機(jī)床制造商及齒輪刀具制造商，均把研制滿(mǎn)足環(huán)保要求的干式切削機(jī)床和刀具作為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)首要的任務(wù)來(lái)抓。有的機(jī)床甚至不采用液壓油及循環(huán)潤(rùn)滑油，實(shí)現(xiàn)綠色制造及清潔加工。干式切削要解決的問(wèn)題是刀具壽命問(wèn)題、刀具價(jià)格問(wèn)題和切屑的安全迅速地排走問(wèn)題。采用硬質(zhì)合金涂層刀具進(jìn)行干切削，盡管第一次購(gòu)刀價(jià)格比濕式刀具價(jià)格高，但因切削效率高且刀具壽命長(zhǎng)，還節(jié)省了切削液及噴淋過(guò)濾裝置的費(fèi)用，從而單件齒輪的加工成本反而有所降低，同時(shí)又符合環(huán)保無(wú)污染的要求。據(jù)日本三菱重工資料報(bào)道，采用高速干式切削刀具的使用壽命是濕式切削的3倍，刀具費(fèi)用降低47％，加工效率提高2倍，單件齒輪加工成本（刀具費(fèi)、設(shè)備費(fèi)、切削油費(fèi)、人員費(fèi)）降低40％。因此，干式切削降低了單件齒輪的加工成本。目前，國(guó)外主要的齒輪加工機(jī)床廠家都在大力開(kāi)發(fā)數(shù)控高速干切滾齒機(jī)。例如:德國(guó)Liebherr公司的LC80系列滾齒機(jī)，美國(guó)Gleason—Pfauter公司的GP130系列滾齒機(jī)，日本三菱重工公司的GN10系列滾齒機(jī)等均可以采用高速干式切削加工。國(guó)內(nèi)齒輪機(jī)床制造廠家在齒輪加工干切技術(shù)方面，目前正處于研究的初級(jí)階段。在CIMT2005機(jī)床展上，日本三菱公司展出的GE15A滾齒機(jī)上，采用了表面涂有超級(jí)干切涂層的MACH7高速鋼滾刀，線(xiàn)速度達(dá)250m/min；重慶機(jī)床廠展出的YKS3112滾齒機(jī)上，采用了表面涂有DUAL涂層的硬質(zhì)合金滾刀，線(xiàn)速度達(dá)181m/min。⑤復(fù)合化齒輪機(jī)床（特別是大型齒輪機(jī)床）有集多種工藝于一體的趨勢(shì)。如Hurth公司的WF3500滾齒機(jī)，將插齒、滾齒（包括滾內(nèi)齒輪）、磨齒和齒輪檢測(cè)集于一體，工件一次裝夾只需更換切削頭，就可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的齒輪加工功能，同時(shí)還可以對(duì)加工過(guò)程中的齒輪進(jìn)行檢測(cè)，以決定加工用量。Gleason公司的P60滾齒—磨齒復(fù)合機(jī)床，能完成先用銑刀加工雙頭蝸桿，再用CBN磨輪磨該蝸桿，并具有去除蝸桿端面毛刺的功能。同時(shí)該機(jī)床還配有自動(dòng)對(duì)齒機(jī)構(gòu)和工件自動(dòng)上下料機(jī)械手及料倉(cāng)。Liebherr公司的LC80型滾齒機(jī)，機(jī)床采用模塊化設(shè)計(jì)，只要更換切削頭，就可組合成滾齒、單分度銑齒或插齒。重慶機(jī)床廠的YKS3120系列六軸數(shù)控高速滾齒機(jī)，能在一次安裝中加工不同模數(shù)、不同齒數(shù)、不同螺旋角及不同螺旋方向的雙聯(lián)齒輪及單分度銑槽，并可配備自動(dòng)對(duì)齒機(jī)構(gòu)、去除齒輪端面毛刺及工件自動(dòng)上下料裝置，在該系列機(jī)床上還可進(jìn)行硬齒面滾齒。⑥網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的通訊聯(lián)網(wǎng)功能不斷加強(qiáng)。開(kāi)放式的CNC系統(tǒng)已成為數(shù)控行業(yè)不可抵擋的趨勢(shì)，開(kāi)放性的CNC系統(tǒng)可以方便地進(jìn)入各級(jí)通用網(wǎng)絡(luò)，從而可以柔性地實(shí)現(xiàn)DNC、FMS、CIMS和FA（自動(dòng)化工廠）。NC技術(shù)使FMS和CIMS成為可能；FMS和CIMS的發(fā)展反過(guò)來(lái)要求CNC系統(tǒng)應(yīng)具有通訊和聯(lián)網(wǎng)功能，以便實(shí)現(xiàn)CIM環(huán)境中的信息集成和系統(tǒng)管理?，F(xiàn)代CNC系統(tǒng)一般都具有用于通訊的串行口和DNC接口，高檔數(shù)控系統(tǒng)充分利用Internet/Intranet的功能，使網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)、遠(yuǎn)程調(diào)試、遠(yuǎn)程診斷等功能得以實(shí)現(xiàn)。⑦智能化由于計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)控技術(shù)的發(fā)展智能技術(shù)也逐漸用于高性能數(shù)控齒輪機(jī)床中，具體表現(xiàn)在：1）完成加工質(zhì)量與加工過(guò)程智能控制。根據(jù)對(duì)工件在線(xiàn)檢測(cè)的結(jié)果和實(shí)時(shí)采集的機(jī)床狀態(tài)，預(yù)測(cè)工件的加工質(zhì)量，并及時(shí)調(diào)整加工過(guò)程的工藝參數(shù)，以保證機(jī)床的加工精度。2）智能診斷。故障診斷的智能化表現(xiàn)在兩方面：一方面是機(jī)床會(huì)對(duì)曾經(jīng)產(chǎn)生的故障作記錄，當(dāng)下次碰到該故障時(shí)，它會(huì)首先提示可能的原因；另一方面，現(xiàn)場(chǎng)信息經(jīng)過(guò)壓縮，存貯在機(jī)床的“黑匣子”中，一旦機(jī)床發(fā)生的故障超出其自身的診斷能力，就可以通過(guò)Internet從網(wǎng)上專(zhuān)家系統(tǒng)獲得支持，進(jìn)行交互式的遠(yuǎn)程協(xié)同診斷。1.5零傳動(dòng)滾齒機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展1.5.1零傳動(dòng)滾齒機(jī)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展目前為止，國(guó)際上著名的齒輪加工機(jī)床生產(chǎn)廠家：美國(guó)Gleason—Pfauter、德國(guó)Liebherr、日本的三菱重工等企業(yè)都投入大量的人力、物力和財(cái)力研究零傳動(dòng)技術(shù)在齒輪加工機(jī)床中的應(yīng)用，這些廠家在小直徑（<200mm）、小模數(shù)(m<3mm)齒輪加工方面推出的最新產(chǎn)品都部分應(yīng)用了零傳動(dòng)技術(shù)及其它相關(guān)新技術(shù)，使得齒輪加工機(jī)床的性能達(dá)到了一個(gè)新的高度。如：Gleason—Pfauter公司研制的P60、P100、P210、GP130滾齒機(jī)；Liebherr公司制造的LC80、LC120、LC150、LC180滾齒機(jī)；Koepfer公司制造的Koepfer160滾齒機(jī)，Hurth公司制造的S160滾齒機(jī)等。LC80干式切削滾齒機(jī)，滾刀主軸最高轉(zhuǎn)速為9000rpm，工作臺(tái)轉(zhuǎn)速為800rpm；P60臥式滾齒——磨齒復(fù)合機(jī)床，刀具主軸轉(zhuǎn)速達(dá)12000rpm，工作臺(tái)轉(zhuǎn)速達(dá)3000rpm。在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方面取消機(jī)械傳動(dòng)副，不僅大幅度提高了機(jī)床的加工精度和加工速度，也可以完全解決機(jī)械傳動(dòng)鏈中存在的磨損問(wèn)題，可以長(zhǎng)期保持機(jī)床的精度，此外，還極大地簡(jiǎn)化了機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)。但是，這些廠家提供的機(jī)床價(jià)格卻非常昂貴，高達(dá)400萬(wàn)元人民幣/臺(tái)。圖1.3為L(zhǎng)iebherr公司生產(chǎn)的LC80直接驅(qū)動(dòng)滾齒機(jī)。圖1.3LiebherrLC80直接驅(qū)動(dòng)滾齒機(jī)目前國(guó)內(nèi)齒輪加工機(jī)床的最高水平如下：在工作臺(tái)直線(xiàn)移動(dòng)方面，采用數(shù)控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)代替普通滾齒機(jī)的各種交換掛輪，采用交流伺服電機(jī)通過(guò)多對(duì)降速齒輪副和一對(duì)滾珠絲杠副來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件；在滾刀回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方面，采用交流伺服電機(jī)通過(guò)2～3對(duì)降速齒輪副來(lái)實(shí)現(xiàn)；在工作臺(tái)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方面，絕大多數(shù)齒輪加工機(jī)床仍然需要采用多對(duì)高精度齒輪副和一對(duì)高精度蝸輪蝸桿副實(shí)現(xiàn)。由于存在著大量的機(jī)械傳動(dòng)元件，對(duì)機(jī)床的加工精度產(chǎn)生極大的影響，也使得機(jī)械結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜，調(diào)整維修也極不方便。例如，我國(guó)最大的齒輪加工機(jī)床生產(chǎn)廠——重慶機(jī)床廠于2000年通過(guò)鑒定的YKS3120六軸四聯(lián)動(dòng)數(shù)控高速滾齒機(jī)曾被列入“國(guó)家重大技術(shù)裝備創(chuàng)新項(xiàng)目”，被稱(chēng)為是國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控滾齒機(jī)的里程碑，但該機(jī)床仍然采用了滾珠絲杠副和齒輪傳動(dòng)鏈。因此目前為止國(guó)內(nèi)在零傳動(dòng)齒輪機(jī)床方面還是一個(gè)空白。二十世紀(jì)八十年代末，日本人TakashiEmura，ZhaoweiZhong等人就進(jìn)行了直接驅(qū)動(dòng)滾齒機(jī)的研究，他們利用伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾刀和工件，其他運(yùn)動(dòng)仍采用齒輪、絲杠等減速機(jī)構(gòu)。所研究的原型機(jī)床可以加工模數(shù)1.5mm、直徑57mm,JIS2級(jí)精度（相當(dāng)于GB/T6級(jí)）的齒輪。經(jīng)檢索，有關(guān)零傳動(dòng)滾齒機(jī)研究的文獻(xiàn)僅此而已。2005年日本三菱重工MichiakiHashitani等進(jìn)行了直接驅(qū)動(dòng)磨齒機(jī)的研究，如圖1.4所示，用同步內(nèi)置電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)刀具軸和工件軸，刀具軸和工件軸速度分別可達(dá)4500rpm和1500rpm。為了減小負(fù)載周期波動(dòng)的影響，運(yùn)用前饋系統(tǒng)可以減小15％的周期誤差，極大地提高了機(jī)床的加工精度。圖1.4ZE15A直接驅(qū)動(dòng)磨齒機(jī)主軸和工作臺(tái)軸結(jié)構(gòu)圖1.5.2電主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，傳統(tǒng)的齒輪變速系統(tǒng)已不能適應(yīng)要求，代之以寬調(diào)速交流變頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸的變速。一般高速加工采用電主軸作為機(jī)床的主軸形式，電主軸將轉(zhuǎn)子和機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)部件做成一體，把機(jī)床的主傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度縮短為零，故可稱(chēng)之為“零傳動(dòng)”。由十直接傳動(dòng)，減少了高精密齒輪等關(guān)鍵零件，消除了齒輪的傳動(dòng)誤差。與皮帶、齒輪的末端傳動(dòng)方式相比，主電機(jī)內(nèi)置于主軸前后軸承之間，可大大提高主軸系統(tǒng)的剛度和固有頻率。同時(shí)，集成式主軸也簡(jiǎn)化了機(jī)床設(shè)計(jì)中的一些關(guān)鍵性的工作，如簡(jiǎn)化了機(jī)床外型設(shè)計(jì)，易于實(shí)現(xiàn)主軸定位?？傊?，電主軸結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小，響應(yīng)特性好，并可避免振動(dòng)與噪聲，精度高，是高速主軸單元的理想結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)電主軸時(shí)，除選擇適當(dāng)?shù)臒o(wú)外殼電機(jī)外，應(yīng)著重解決散熱與軸承選用兩個(gè)問(wèn)題。由于主軸電動(dòng)機(jī)兩端就是主軸軸承，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱會(huì)直接降低軸承的工作精度，如果主電動(dòng)機(jī)的散熱解決得不好，將會(huì)影響到機(jī)床工作的可靠性和穩(wěn)定性。通常在定子繞組的外部設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)，用循環(huán)冷卻液體吸收和帶走定子散發(fā)的熱量，保持主軸單元?dú)んw均勻的溫度分布。另外，約有1/3的發(fā)熱量是由電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的，轉(zhuǎn)子散熱條件差，又直接安裝在主軸上，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減小電機(jī)徑向的傳熱熱阻，使轉(zhuǎn)子的發(fā)熱量盡可能多地通過(guò)氣隙傳到定子和殼體中去，并由冷卻液帶走。因?yàn)橐话銠C(jī)床中用電主軸速度都大于10000轉(zhuǎn)，絕大多數(shù)都采用陶瓷滾動(dòng)軸承，這種軸承的結(jié)構(gòu)和尺寸系列與普通鋼質(zhì)滾動(dòng)軸承完全相同，只是將滾動(dòng)體材料換成氮化硅陶瓷，故又稱(chēng)混合軸承。氮化硅陶瓷材料的密度只有鋼的40，熱膨脹系數(shù)只有鋼的25%，而彈性模量為鋼的1.5倍，硬度為鋼的2.3倍。用這種材料做滾動(dòng)體，可得到低溫升、高剛度和長(zhǎng)壽命的高速滾動(dòng)軸承，很好地保證主軸的精度。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)電主軸廠家多達(dá)幾十家。在國(guó)外的廠家中，以德國(guó)GMN公司和瑞士Fischer公司名氣最大，德國(guó)Siemens和口本Fanuc公司也有相應(yīng)的產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)電主軸的生產(chǎn)以洛陽(yáng)軸承研究所最為著名，廣東工業(yè)大學(xué)對(duì)電主軸的動(dòng)靜態(tài)特性、熱態(tài)特性以及軸承的選用等關(guān)鍵技術(shù)的研究已比較深入。電主軸目前多用于加工中心、磨床、銑床、鉆床等數(shù)控機(jī)床。1.5.3力矩電機(jī)一般滾齒機(jī)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)傳動(dòng)系統(tǒng)采用伺服電機(jī)。通常，單個(gè)伺服電機(jī)輸出扭矩小，在低速旋轉(zhuǎn)時(shí)，效率不高。為使回轉(zhuǎn)裝置實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效運(yùn)轉(zhuǎn)，必須采用減速機(jī)構(gòu)。一般滾齒機(jī)直接驅(qū)動(dòng)工件主軸的分度副采用高精度蝸輪副或是特殊齒形的多頭雙蝸輪副以及大尺寸齒輪副。這些機(jī)構(gòu)，都使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，并且產(chǎn)生齒隙和空轉(zhuǎn)，致使控制精度降低，加工精度下降。因此，為了減小齒隙的影響，有時(shí)在齒輪的嚙合部位施加預(yù)負(fù)荷，但由此又會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)、噪音及齒輪的異常磨損等，從而損害了工作臺(tái)原有的性能。不用減速機(jī)構(gòu)而使用直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載的力矩電機(jī)，是解決減速機(jī)構(gòu)存在的齒隙、空轉(zhuǎn)等問(wèn)題的有效手段。力矩電機(jī)也叫做DDR（DirectDriveRotary)電機(jī)，是近幾年出現(xiàn)的一種新型電機(jī)，是一種低速大扭矩電機(jī)。DDR電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子及反饋裝置組成，負(fù)載直接與轉(zhuǎn)子剛性連接，也就是說(shuō)轉(zhuǎn)子與滾齒機(jī)工作臺(tái)直接連接，這樣就消除了由于傳動(dòng)裝置而產(chǎn)生的誤差，DIN6～7級(jí)精度。這些技術(shù)參數(shù)對(duì)于傳統(tǒng)齒輪加工機(jī)床根本是不可能的，而我國(guó)機(jī)床制造行業(yè)也沒(méi)有可能獲得其設(shè)計(jì)/制造技術(shù)。為了打破國(guó)外的技術(shù)壟斷，盡快提高我國(guó)齒輪加工機(jī)床的設(shè)計(jì)/制造水平，本項(xiàng)目以傳動(dòng)原理中最復(fù)雜的齒輪加工機(jī)床為對(duì)象，提出以“零傳動(dòng)”功能部件為核心，通過(guò)對(duì)“零傳動(dòng)”的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，建立起“零傳動(dòng)”齒輪加工機(jī)床的多因素綜合設(shè)計(jì)模型。在此模型指導(dǎo)下，對(duì)機(jī)床設(shè)計(jì)/制造中關(guān)鍵的理論和技術(shù)進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，以研究成果為指導(dǎo)，研制成功一臺(tái)基于零傳動(dòng)功能部件的高速、高精度滾齒機(jī)原型，為我國(guó)機(jī)床行業(yè)趕超世界先進(jìn)水平打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2零傳動(dòng)滾齒機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究2.1零傳動(dòng)滾齒機(jī)概述滾齒機(jī)正朝著全數(shù)控化、高速高精度、零傳動(dòng)、綠色環(huán)保的方向發(fā)展，我們研究的零傳動(dòng)滾齒機(jī)正是在這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)下應(yīng)運(yùn)產(chǎn)生的。零傳動(dòng)滾齒機(jī)實(shí)現(xiàn)了全數(shù)控、高速高精度、干式切削，是滾齒機(jī)朝著全數(shù)控化——數(shù)控高速化后更進(jìn)一步發(fā)展的結(jié)果，它的實(shí)現(xiàn)還得益于滾刀制造技術(shù)的提高和數(shù)控技術(shù)、電主軸及力矩電機(jī)等技術(shù)的發(fā)展。為此，我們研制了一臺(tái)基于零傳動(dòng)原理的滾齒機(jī)床。2.1.1機(jī)床用途及產(chǎn)品適用范圍滾齒機(jī)是使用最廣泛的齒輪加工機(jī)床，數(shù)控滾齒機(jī)同機(jī)械式傳動(dòng)滾齒機(jī)在切削原理方面是一樣的，即：一方面，利用一對(duì)齒輪互相嚙合傳動(dòng)時(shí)其兩輪的齒廓互為包絡(luò)的原理——展成原理來(lái)加工的，也就是只要滾刀與工件齒形共軛，就可以采用展成法加工；另一方面，由于全數(shù)控滾齒機(jī)的各軸均為獨(dú)立伺服驅(qū)動(dòng)并帶檢測(cè)反饋功能，這樣對(duì)于圓柱體上的等分與不等分槽(或齒)，其也可以完成加工；同時(shí)，由于數(shù)控滾齒機(jī)的各軸為獨(dú)立伺服驅(qū)動(dòng)，對(duì)于徑向進(jìn)給和軸向進(jìn)給可很容易實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)算控制，從而使機(jī)床可完成小錐度齒輪、鼓形齒輪的加工。所研制的零傳動(dòng)滾齒機(jī)主要用于模數(shù)小于1.5mm的直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪的精密、高效加工，可進(jìn)行硬齒面齒輪的一次成形加工或二次對(duì)刀成形加工，也可進(jìn)行模數(shù)小于2.5mm的直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪的精密加工。通過(guò)閉環(huán)的X軸控制可進(jìn)行高精度小錐度齒輪、鼓形齒輪的加工。此機(jī)床可廣泛用于汽車(chē)、摩托車(chē)、儀器、儀表、玩具、電動(dòng)工具、漁具等行業(yè)的各種不同精度的齒輪的大批量、高效率加工。2.1.2設(shè)計(jì)輸入——技術(shù)規(guī)格參數(shù)和性能參數(shù)1.技術(shù)規(guī)格參數(shù)最人加工直徑——————————————100mm最人加工模數(shù)——————————————2.5mm最人軸向行程——————————————150mm加工齒數(shù)范圍——————————————4～100齒滾刀架可轉(zhuǎn)動(dòng)范圍————————————50°最人滾刀直徑——————————————63mm滾刀軸轉(zhuǎn)速———————————————500～4000rpm工件軸轉(zhuǎn)速———————————————5～495rpm軸向運(yùn)動(dòng)快速——————————————5000mm/min徑向運(yùn)動(dòng)快速——————————————5000mm/min切向運(yùn)動(dòng)快速——————————————5000mm/min2.機(jī)床性能參數(shù)1）控制參數(shù)控制軸數(shù)：6軸，A、B、C、X、Y、Z軸聯(lián)動(dòng)軸數(shù)：4軸，B、C、X、Z或B、C、Y、Z坐標(biāo)軸精度：直線(xiàn)坐標(biāo)：X、Y、Z——1m旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)：A、B、C——0.001°伺服系統(tǒng)：采用Siemens840D數(shù)字控制系統(tǒng)2）精度指標(biāo)機(jī)床幾何精度按照J(rèn)B/T8360.1-1996《數(shù)控滾齒機(jī)精度》檢驗(yàn)出廠機(jī)床直線(xiàn)坐標(biāo)位置精度按照GB/T8064-99《數(shù)控滾齒機(jī)精度》檢驗(yàn)出廠機(jī)床工作精度按照J(rèn)B/T8360.1-1996《數(shù)控滾齒機(jī)精度》檢驗(yàn)出廠機(jī)床加工5-6-6級(jí)(GB10095-88）機(jī)床加工工藝能力：Cpk1.332.1.3零傳動(dòng)滾齒機(jī)需要研究的關(guān)鍵技術(shù)從機(jī)床的主要技術(shù)規(guī)格參數(shù)和性能參數(shù)可以看出，項(xiàng)目所研制的滾齒機(jī)的加工速度和加工精度要明顯高于我國(guó)目前最先進(jìn)的數(shù)控滾齒機(jī)的性能參數(shù)，達(dá)到國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品的性能指標(biāo)。項(xiàng)目所研制的零傳動(dòng)滾齒機(jī)在工件主軸與滾刀主軸的傳動(dòng)原理上完全取消機(jī)械傳動(dòng)副，不僅可以大幅度提高機(jī)床加工齒輪零件的精度，也可以解決機(jī)械傳動(dòng)鏈中由于磨損造成的機(jī)床精度不穩(wěn)定問(wèn)題。此外零傳動(dòng)數(shù)控滾齒機(jī)還可極大地簡(jiǎn)化機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高機(jī)床的動(dòng)靜剛度，也有利于實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造。零傳動(dòng)數(shù)控滾齒機(jī)的上述特點(diǎn)使得它完全適用于高速、高精度、硬齒面加工，在機(jī)床設(shè)計(jì)中也從進(jìn)行干式切削的方面進(jìn)行了充分考慮，在提高生產(chǎn)效率、降低制造成本的同時(shí)做到環(huán)境保護(hù)、清潔加工，滿(mǎn)足綠色環(huán)保性的要求。在干態(tài)高速滾齒時(shí)，切削能量大約需要8～18kW，絕大部分會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能。我們期望熱量主要由切屑迅速帶走，而傳導(dǎo)給刀具和工件的熱量盡量小。這樣，有利于延長(zhǎng)刀具壽命，使工件的熱膨脹減少，而機(jī)床溫升盡快穩(wěn)定下來(lái)。實(shí)現(xiàn)零傳動(dòng)高速干式滾齒的前提條件①提供足夠高的切削速度和切削功率；②從保證工件質(zhì)量和延長(zhǎng)滾刀壽命出發(fā)，處理好能量分配；③循環(huán)時(shí)間短；④熱敏性低。這四個(gè)必要條件對(duì)機(jī)床提出了巨大的挑戰(zhàn)。零傳動(dòng)高速干式滾齒機(jī)突破了傳統(tǒng)齒輪加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，研究和開(kāi)發(fā)高速、高精度零傳動(dòng)滾齒機(jī)是齒輪機(jī)床的重大變革。那么零傳動(dòng)滾齒機(jī)的設(shè)計(jì)和研究就不能完全等同于普通數(shù)控滾齒機(jī)，既要實(shí)現(xiàn)零傳動(dòng)，又要滿(mǎn)足干式切削。2.2滾齒機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)定2.2.1傳統(tǒng)滾齒機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)傳統(tǒng)齒輪加工機(jī)床運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜，以滾齒機(jī)為例，在齒輪機(jī)床中存在著主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈、展成分度鏈、差動(dòng)傳動(dòng)鏈、軸向進(jìn)給傳動(dòng)鏈、徑向進(jìn)給傳動(dòng)鏈、切向進(jìn)給傳動(dòng)鏈、刀架回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)鏈等，簡(jiǎn)圖如圖2.2所示(只表示了滾刀、工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng))。主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈：聯(lián)系電機(jī)和滾刀主軸之間的傳動(dòng)鏈，由它決定滾刀的切削速度，是“外聯(lián)系”傳動(dòng)鏈。展成分度鏈：從刀具旋轉(zhuǎn)到工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)關(guān)系，用以嚴(yán)格保證加工過(guò)程中工件的分度運(yùn)動(dòng)，確保工件展成齒形的正確性。工作臺(tái)的最終傳動(dòng)副采用蝸桿——蝸輪副。在刀具旋轉(zhuǎn)到工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)鏈中采用了光杠傳動(dòng)(圖2.2中未畫(huà)出)，以完成工作臺(tái)徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。差動(dòng)傳動(dòng)鏈：當(dāng)加工斜齒輪時(shí)，或?qū)菨L齒滾刀作切向進(jìn)給時(shí)，隨著工件的軸向運(yùn)動(dòng)或切向運(yùn)動(dòng)，工件應(yīng)有附加轉(zhuǎn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)關(guān)系就是通過(guò)差動(dòng)傳動(dòng)鏈來(lái)實(shí)現(xiàn)。進(jìn)給傳動(dòng)鏈：工件的軸向、切向、徑向進(jìn)給。徑向進(jìn)給傳動(dòng)鏈(Y3150E、YW3180等機(jī)型)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的徑向進(jìn)給。分度交換掛輪：在展成分度鏈中，為了適應(yīng)工件齒數(shù)與刀具頭數(shù)的變化，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了交換掛輪，以保證工件的正確分度。差動(dòng)交換掛輪：在差動(dòng)傳動(dòng)鏈中，為了適應(yīng)工件的螺旋角、齒數(shù)和模數(shù)的變化，設(shè)計(jì)了交換掛輪，以保證加工的正確性。圖2.2傳統(tǒng)滾齒機(jī)床傳動(dòng)鏈?zhǔn)疽鈭D這種機(jī)床調(diào)整既復(fù)雜又費(fèi)時(shí)。快速趨進(jìn)、工進(jìn)、快退的位置和距離都需精心調(diào)整或試切才能完成，且需要的輔件多。2.2.2普通數(shù)控滾齒機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)自從20世紀(jì)80年代初數(shù)控技術(shù)引入齒輪加工機(jī)床以來(lái)，齒輪加工機(jī)床的技術(shù)水平有了明顯的提高。近年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和高精度、高速響應(yīng)伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，全功能數(shù)控齒輪加工機(jī)床已成為國(guó)際市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。全功能數(shù)控指不僅齒輪機(jī)床的各軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是數(shù)控的，而且機(jī)床的展成運(yùn)動(dòng)和差動(dòng)運(yùn)動(dòng)也是數(shù)控的。這類(lèi)數(shù)控系統(tǒng)的刀具主軸一般采用變頻裝置控制，工件主軸通過(guò)數(shù)控指令經(jīng)伺服電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)(如圖2.3所示)。在滾刀和工作臺(tái)之間已不存在傳統(tǒng)的分齒和內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈，而代之以電子齒輪箱，所以大大簡(jiǎn)化了機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，降低了傳動(dòng)誤差，但為了給切削加工提供必要的扭矩和剛性，增加滾齒加工平穩(wěn)性，通常在伺服電機(jī)和工作臺(tái)之間保留蝸桿——蝸輪作為最終傳動(dòng)副，有時(shí)也會(huì)根據(jù)電機(jī)和工作臺(tái)的安裝位置情況，增加一兩對(duì)傳動(dòng)齒輪副。近幾年國(guó)內(nèi)外各主要齒輪加工機(jī)床生產(chǎn)廠家都將主要精力放在縮短機(jī)床的傳動(dòng)鏈方面，但仍然無(wú)法完全取消滾珠絲杠副、蝸輪蝸桿副和高精度齒輪副等機(jī)械傳動(dòng)元件，使得機(jī)床的加工精度、速度和可靠性等指標(biāo)無(wú)法得到根本性的改善。圖2.4普通滾齒機(jī)床傳動(dòng)鏈?zhǔn)疽鈭D2.2.3零傳動(dòng)滾齒機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)滾刀主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和工件主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)均去掉一般數(shù)控滾齒機(jī)中的高精度齒輪副或蝸輪副，采用內(nèi)置主軸電機(jī)(電主軸，用于滾刀主軸)、內(nèi)置力矩電機(jī)(DDR電機(jī)，用于工件主軸)分別驅(qū)動(dòng)，這樣就消除了由于傳動(dòng)裝置而產(chǎn)生的誤差，如反向間隙、嚙合誤差等，其傳動(dòng)精度主要決定于反饋裝置的精度，由于直接驅(qū)動(dòng)只有很少的運(yùn)動(dòng)部件，所以噪音很小，系統(tǒng)中唯一的磨損件是軸承，維護(hù)減少，如果軸承采用定期潤(rùn)滑，整體電主軸裝置就能達(dá)到零維護(hù)?？梢钥闯?，使用零傳動(dòng)技術(shù)，機(jī)床的結(jié)構(gòu)將會(huì)得到最大限度的簡(jiǎn)化，它是機(jī)床設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的一次重大革新。圖2.4零傳動(dòng)滾齒機(jī)床傳動(dòng)鏈?zhǔn)疽鈭D2.3滾刀主軸——工件主軸速度匹配性設(shè)計(jì)研究在滾齒切削中，最能體現(xiàn)高效加工的機(jī)床參數(shù)是滾刀主軸的轉(zhuǎn)速、工作臺(tái)主軸的轉(zhuǎn)速、軸向進(jìn)給速度、各直線(xiàn)坐標(biāo)(X、Y、Z軸)及滾刀角度旋轉(zhuǎn)調(diào)整軸(A軸)的快速運(yùn)動(dòng)速度。在機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)，滾刀主軸的最高轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)、工作臺(tái)的最高轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮下面幾個(gè)因素：滾刀所能承受的切削速度——隨著新型刀具材料、新的涂層方法的不斷出現(xiàn)和走向?qū)嵱?，如硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具切削速度可達(dá)250m/min以上、高速鋼加TiN或TiAlN等涂層刀具也能達(dá)120m/min以上，對(duì)于中等模數(shù)齒輪采用這些刀具加工時(shí)，滾刀的轉(zhuǎn)速一般在5OOrpm左右;然而對(duì)于汽車(chē)轉(zhuǎn)向器行業(yè)的齒輪，由于直徑小，要求的滾刀直徑也小(否則會(huì)傷及工件定位面)，在采用淬硬加工時(shí)，滾刀的轉(zhuǎn)速要達(dá)800～1OOOrpm。滾刀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)方式，滾刀主軸的支承方式、工作臺(tái)主軸的支承方式——傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)式滾齒機(jī)受傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)，又必須采用蝸桿傳動(dòng)和傘齒輪傳動(dòng)來(lái)滿(mǎn)足傳動(dòng)路線(xiàn)、方向要求，以及滾刀主軸、工作臺(tái)主軸采用滑動(dòng)軸承支承方式等限制，機(jī)床滾刀主軸轉(zhuǎn)速一般在5OOrpm以下，工作臺(tái)轉(zhuǎn)速一般在30rpm以下。然而全數(shù)控滾齒機(jī)由于采用獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)而使傳動(dòng)鏈大大縮短，高速高精度的無(wú)隙齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的可實(shí)施性，以及高精度滾動(dòng)軸承的出現(xiàn)與成熟，使?jié)L刀主軸轉(zhuǎn)速、工作臺(tái)主軸轉(zhuǎn)速大大提高得以可行。跟隨數(shù)控系統(tǒng)一起發(fā)展與成熟的內(nèi)置主軸電機(jī)和DDR力矩電機(jī)技術(shù)，這也使數(shù)控滾齒機(jī)的滾刀主軸的最高轉(zhuǎn)速、工作臺(tái)的最高轉(zhuǎn)速都大大提高得以可行。在機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)，軸向進(jìn)給速度、各直線(xiàn)坐標(biāo)(X、Y、Z軸)及滾刀角度旋轉(zhuǎn)調(diào)整軸(A軸)的快速運(yùn)動(dòng)速度設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮下面幾個(gè)因素：機(jī)床剛性——各部件及整機(jī)結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出機(jī)床剛性，直線(xiàn)導(dǎo)軌的運(yùn)用、合理的筋壁厚度及結(jié)構(gòu)布置使機(jī)床的剛性大大增強(qiáng)。機(jī)電參數(shù)的匹配——合理的機(jī)電參數(shù)匹配設(shè)計(jì)既可解決部件低速運(yùn)動(dòng)及在MDA單步指令進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中的誤差，又可解決部件在高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的超調(diào)。傳動(dòng)路線(xiàn)、傳動(dòng)方式——得益于各軸獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的較短的傳動(dòng)路線(xiàn)，使各直線(xiàn)坐標(biāo)的快速速度大大提高，減少了切削加工中的輔助時(shí)間，提高了加工效率。2.3.1滾刀主軸最高轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)滾刀主軸和工件主軸轉(zhuǎn)速的高低是衡量滾齒機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。從市場(chǎng)調(diào)研及用戶(hù)提供的信息來(lái)看，目前很多用戶(hù)已開(kāi)始使用硬質(zhì)合金滾刀加工零件，主要的原因是硬質(zhì)合金的耐磨性高，滾刀的生產(chǎn)工藝已經(jīng)成熟，價(jià)格在不斷下降，同時(shí)滾刀的切削轉(zhuǎn)速高，可大大提高生產(chǎn)效率，因此高效滾齒機(jī)的主軸最高轉(zhuǎn)速應(yīng)以能滿(mǎn)足硬質(zhì)合金滾刀的切削速度為參考。近幾年，不使用切削液的干切削已成為改善生態(tài)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)清潔化生產(chǎn)的一條重要途徑，國(guó)內(nèi)外主要的齒輪加工機(jī)床廠家都在大力開(kāi)發(fā)數(shù)控高速干切滾齒機(jī)。目前干切削加工工藝需要的線(xiàn)速度從250m/min～400m/min，按目前國(guó)內(nèi)用戶(hù)常用的模數(shù)1mm、直徑為32mm的滾刀取最大值計(jì)算：nv100040010003979rpm（2.1）Bmaxd32因此為了適應(yīng)干切削加工工藝的需要，滾刀主軸最高轉(zhuǎn)速確定為4000rpm。2.3.2滾刀主軸最低轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)考慮到采用常規(guī)的硬質(zhì)合金滾刀進(jìn)行高效加工時(shí)，通常使用的滾刀線(xiàn)速度在80m/min～100m/min，同時(shí)為加強(qiáng)滾刀的剛性需要使用大直徑滾刀，按國(guó)內(nèi)常用的模數(shù)1mm、直徑為40mm的滾刀考慮，切削4齒時(shí)的速度為：nv1000801000636rpm（2.2）Bmind40考慮到用戶(hù)可根據(jù)切削零件的具體情況對(duì)滾刀轉(zhuǎn)速進(jìn)行微量調(diào)整，增加10%的速度調(diào)整余量，因此滾刀主軸最低轉(zhuǎn)速確定為550rpm。2.3.3工件主軸最高轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)工件主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)與滾刀主軸轉(zhuǎn)速相匹配。目前用戶(hù)加工齒輪的齒數(shù)范圍在6～100齒以?xún)?nèi)，如果選擇常見(jiàn)少齒數(shù)為8～10齒，當(dāng)滾刀主軸最高轉(zhuǎn)速為4000rpm，此時(shí)的工件主軸轉(zhuǎn)速為400～500rpm。并且最高轉(zhuǎn)速的選擇要與切削時(shí)工件軸所需扭矩相結(jié)合，確定所選擇DDR力矩電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為495rpm，即為工件主軸最高轉(zhuǎn)速。nCmaxn4000(400~500)rpm（2.3）Bmaxmin2.3.4工件主軸最低轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)按加工齒輪齒數(shù)為100，使用標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金滾刀加工，滾刀轉(zhuǎn)速為1000～1200rpm，此時(shí)的工件主軸轉(zhuǎn)速為10～12rpm，考慮到各種其它因素，選擇工件主軸最低轉(zhuǎn)速為5rpm。nnB1000~1200(10~12)rpm（2.4）CminZ100max3零傳動(dòng)滾齒機(jī)床的總體布局3.1零傳動(dòng)滾齒機(jī)床的總體布局研究在滾齒機(jī)設(shè)計(jì)中，機(jī)床總體布局的好壞直接影響機(jī)床滿(mǎn)足給定加工工藝的適應(yīng)程度、機(jī)床的精度、動(dòng)靜剛度、抗振性、可靠性、制造工藝性、操作宜人性、維修方便性、占地面積、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度及外觀等。同時(shí)，總體布局的好壞也將決定機(jī)床整機(jī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能，對(duì)機(jī)床開(kāi)發(fā)的成敗、機(jī)床的生存能力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力起著至關(guān)重要的作用。3.1.1影響總體布局設(shè)計(jì)的主要因素分析影響滾齒機(jī)總體布局的因素很多，主要有以下幾個(gè)方面:①滾齒機(jī)動(dòng)力特性的影響滾齒在切削原理方面采用展成逼近的切削原理，帶切削槽及螺旋升角的滾刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形成假想齒條的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，工件根據(jù)滾刀的螺旋升角、旋轉(zhuǎn)方向也按相應(yīng)的方向作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于切削原理、刀具參數(shù)及刀具結(jié)構(gòu)型式，使?jié)L齒切削過(guò)程的機(jī)理遠(yuǎn)比車(chē)、磨、銑、刨等工藝方法的機(jī)理復(fù)雜得多。在滾齒動(dòng)力特性中影響機(jī)床總體布局的最顯著的因素有三個(gè)方面：1）滾齒過(guò)程是一種斷續(xù)切削，在滾刀轉(zhuǎn)速越高時(shí)，切削力變化頻率越高；2）滾齒過(guò)程中滾切力大小是變化的，滾齒負(fù)荷具有很明顯的沖擊性質(zhì)；3）滾齒過(guò)程中滾切力方向是變化的。上述三點(diǎn)滾齒的動(dòng)力特性決定了對(duì)滾齒機(jī)動(dòng)靜剛度有著特殊要求，為了避免在滾齒時(shí)出現(xiàn)共振，機(jī)床的固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)離切削力變化頻率，亦即在機(jī)床工作區(qū)間內(nèi)，機(jī)床的固有頻率不應(yīng)與切削力變化頻率的頻帶重疊。由于各種滾齒機(jī)生產(chǎn)效率、規(guī)格及刀具參數(shù)等的不同，對(duì)滾齒機(jī)動(dòng)靜剛度的要求也不相同。對(duì)于采用優(yōu)質(zhì)高速鋼或硬質(zhì)合金鋼滾刀進(jìn)行高速切齒的機(jī)床，顯然要求其應(yīng)比普通機(jī)床的動(dòng)靜剛度高得多。對(duì)于大規(guī)格的機(jī)床而言，由于切削模數(shù)大，切削力及切削力矩變化更大，因而要求機(jī)床的剛度更高。②滾齒機(jī)滾齒工作方式的影響滾齒機(jī)滾齒工作方式分為軸向進(jìn)給加工、徑向進(jìn)給加工、切向進(jìn)給加工、對(duì)角進(jìn)給加工。一般而言，目前對(duì)角進(jìn)給加工方式應(yīng)用較少，前三種進(jìn)給加工方式應(yīng)用較多。對(duì)于數(shù)控滾齒機(jī)而言，前三種進(jìn)給加工方式均應(yīng)具備。這些工作方式?jīng)Q定機(jī)床的運(yùn)動(dòng)及布局。③滾齒機(jī)各部件運(yùn)動(dòng)分配的影響滾齒機(jī)除了滾刀和工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)完成展成運(yùn)動(dòng)之外，一般還必須具備軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，切向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)的有無(wú)及分配不同，機(jī)床的布局也隨之變化。徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可以由立柱運(yùn)動(dòng)來(lái)完成，也可以由工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成。運(yùn)動(dòng)的分配則要根據(jù)工件的參數(shù)、加工精度要求、對(duì)機(jī)床的生產(chǎn)率要求及剛性要求而定。機(jī)床總體布局的選擇應(yīng)保證機(jī)床各種運(yùn)動(dòng)分配的實(shí)現(xiàn)。④滾齒機(jī)傳動(dòng)型式的影響機(jī)械滾齒機(jī)的傳動(dòng)鏈?zhǔn)怯蓹C(jī)械內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈來(lái)實(shí)現(xiàn)的，機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)——滾刀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)在流行兩種方式:一種是由置于床身上的交流電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，另一種是置于大立柱內(nèi)的交流電機(jī)或變頻調(diào)速電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)也可以根據(jù)與主運(yùn)動(dòng)的鏈接點(diǎn)不同而各異。數(shù)控滾齒機(jī)的傳動(dòng)是靠CNC（ComputerNumericControl）系統(tǒng)以電子齒輪箱（EGB——ElectronicGearBox）的形式實(shí)現(xiàn)的，各運(yùn)動(dòng)是由獨(dú)立的伺服電機(jī)或交流主軸電機(jī)傳動(dòng)的，根據(jù)數(shù)控軸的數(shù)量和機(jī)床規(guī)格的不同，機(jī)床的總體布局也是有較大差異的。⑤滾齒機(jī)自動(dòng)化程度及生產(chǎn)效率高低的影響機(jī)床的布局應(yīng)適應(yīng)機(jī)床的自動(dòng)化程度及生產(chǎn)效率的要求。汽車(chē)齒輪加工等大批量生產(chǎn)的行業(yè)需要的高效、高速滾齒機(jī)，必須保證機(jī)床生產(chǎn)率較高，自動(dòng)化程度高，以便于實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化或納入生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化。為此，機(jī)床除必須有一定剛性外，為便于自動(dòng)上、下料，工件軸線(xiàn)位置最好是固定的，即機(jī)床的工作臺(tái)最好是固定的，采用立柱移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，大量切屑的排除，大流量冷卻系統(tǒng)的防護(hù)、切削過(guò)程中油霧的收集等，對(duì)機(jī)床總體布局也有較大影響。⑥工件尺寸、形狀、重量對(duì)機(jī)床布局的影響對(duì)于小規(guī)格的工件(一般直徑在125mm以下)，為了便于工件裝夾、上下料及自動(dòng)化要求，一般采用臥式布局，由滑板的平穩(wěn)進(jìn)給進(jìn)行加工，這樣，有利于提高齒輪加工精度和降低齒面粗糙度;對(duì)于中小型規(guī)格的工件(一般直徑在200～1250mm以?xún)?nèi))，這種規(guī)格的機(jī)床一般采用立式布局，在這種規(guī)格中，對(duì)于400mm規(guī)格以?xún)?nèi)的機(jī)床，一般根據(jù)自動(dòng)化程度采用工作臺(tái)固定，主柱移動(dòng)的布局；而對(duì)于1250mm以上的大規(guī)格機(jī)床，一般采用工作臺(tái)固定，立柱移動(dòng)的布局，并且對(duì)工作臺(tái)的承載(重量)能力也有嚴(yán)格要求，結(jié)構(gòu)上也必須采用一定措施加以解決。⑦機(jī)床的總體布局應(yīng)有利于減少熱變形及其影響機(jī)床工作時(shí)，所消耗能量的相當(dāng)部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚箼C(jī)床各部分的溫度不一致而出現(xiàn)熱變形，這對(duì)機(jī)床的幾何精度、工作精度有較大影響，特別是對(duì)批量生產(chǎn)的高效機(jī)床影響更大，它是決定機(jī)床加工工序能力大小的一個(gè)重要因素。所以，總體布局采取對(duì)應(yīng)措施，減小熱變形及其影響，提高機(jī)床的熱穩(wěn)定性，在機(jī)床布局時(shí)，一般采取措施有：1）隔離熱源將液壓油箱、冷卻油箱、電氣控制箱、主電機(jī)等熱源置于機(jī)床外，這一點(diǎn)對(duì)精密機(jī)床尤為重要。2）合理布置熱源，使機(jī)床達(dá)到熱平衡，以減小相對(duì)熱變形。3）合理選擇布局，使機(jī)床熱變形對(duì)機(jī)床精度影響減小到最小程度。例如，立式布局中的工作臺(tái)固定、立柱移動(dòng)布置方式中，將后立柱布置在工作臺(tái)上與布置在床身上的兩種方式中，后一種結(jié)構(gòu)可以消除工作臺(tái)分度副發(fā)熱對(duì)后立柱外支架支承軸承孔中心線(xiàn)與工作臺(tái)回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的同軸度的影響。⑧機(jī)床的總體布局應(yīng)使機(jī)床操作、調(diào)整方便，并使機(jī)床具有良好的加工工藝性、裝配工藝性及維修方便性。⑨機(jī)床的總體布局應(yīng)使機(jī)床外形美觀、大方、穩(wěn)定、協(xié)調(diào)。這一點(diǎn)很大程度上是靠機(jī)床防護(hù)罩的設(shè)計(jì)來(lái)滿(mǎn)足機(jī)床整體效果的。機(jī)床的油漆色澤(彩)也要滿(mǎn)足人機(jī)工程學(xué)的要求。3.1.2滾齒機(jī)總體布局方案比較分析根據(jù)論文第2.4.1節(jié)的綜合分析，滾齒機(jī)按工件主軸的空間布置方式分為立式(見(jiàn)圖2.5)和臥式(見(jiàn)圖2.6)兩大類(lèi)。根據(jù)滾齒加工的展成切削原理、各部件運(yùn)動(dòng)分配的不同，立式和臥式又可分為多種。表2.1從機(jī)床的可操作性、家具的安裝盒調(diào)整、切屑處理、機(jī)床中心高等方面對(duì)立式和臥式滾齒機(jī)作了詳細(xì)的比較。圖2.5立式滾齒機(jī)床 圖2.6臥式滾齒機(jī)床表2.1立式和臥式滾齒機(jī)的比較立式滾齒機(jī)的工件主軸垂直布置，這對(duì)于大、中型盤(pán)狀齒輪的安裝、夾持和調(diào)整操作都比較有利，多數(shù)大、中型滾齒機(jī)都是立式。臥式滾齒機(jī)的工件主軸水平布置，加工長(zhǎng)軸齒輪和小模數(shù)齒輪的滾齒機(jī)多為臥式。根據(jù)機(jī)床的加工范圍和綜合因素分析，零傳動(dòng)滾齒機(jī)選擇臥式布局，下面分析比較常見(jiàn)的幾種臥式布局形式：①工件主軸進(jìn)給，運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的間隙、振動(dòng)會(huì)影響零件的加工精度。②工件主軸不進(jìn)給，由滾刀滑座兼作軸向和徑向進(jìn)給，根據(jù)滾刀主軸的位置又分兩種情況:1)滾刀主軸位于工件下方:不利于排屑，萬(wàn)能性好，滾刀軸旋轉(zhuǎn)角可以在90范圍內(nèi)。2)滾刀主軸位于工件后方:利于排屑，容易實(shí)現(xiàn)工件裝卸料的自動(dòng)化，滾刀軸旋轉(zhuǎn)角受到限制，達(dá)不到90范圍。根據(jù)Z軸布置形式可分兩種情況：1.Z軸水平布置滾刀架穩(wěn)定性好；2.Z軸垂直布置，其排屑性更優(yōu)，滾刀架穩(wěn)定性稍差。經(jīng)過(guò)以上幾種臥式滾齒機(jī)布局結(jié)構(gòu)形式的比較，從機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊、提高機(jī)床剛性、提高機(jī)床高效切削能力、易于排屑的角度考慮，零傳動(dòng)滾齒機(jī)的基本布局形式參照YKJ3610機(jī)床的布局形式，即工件主軸采用臥式布局，工件主軸固定，軸向、徑向進(jìn)給拖板位于工件主軸后方，Z軸水平布置，采用類(lèi)似立式滾齒機(jī)的高剛性滾刀架的整體布局方式。圖2.7為機(jī)床布局總圖。圖2.7機(jī)床布局總圖3.2零傳動(dòng)滾齒機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.2.1零傳動(dòng)滾齒機(jī)運(yùn)動(dòng)概述滾齒加工相當(dāng)于一對(duì)交錯(cuò)軸斜齒圓柱齒輪的空間嚙合。滾刀是一個(gè)螺旋角很大而齒數(shù)極少的斜齒圓柱齒輪，其實(shí)質(zhì)就是一個(gè)蝸桿。由這種蝸桿組成的滾刀，沿平行于軸線(xiàn)方向或垂直于螺旋線(xiàn)方向開(kāi)一些容屑槽，刀齒后面經(jīng)過(guò)鏟磨加工。切削加工過(guò)程中，滾刀和工件的軸線(xiàn)相互交叉，在一定速比關(guān)系下作空間嚙合，按包絡(luò)(展成)原理來(lái)完成共軛齒形的加工。這種對(duì)滾的關(guān)系與一對(duì)蝸輪副相同，而齒廓是靠連續(xù)的展成切削來(lái)形成的。切削金屬的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是相對(duì)于工件徑向、軸向或切向的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，它取決于為適應(yīng)具體要求所采用的工作循環(huán)。機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸均由獨(dú)立的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以電子齒輪箱完成切齒時(shí)的分度運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、差動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)。圖2.8是零傳動(dòng)滾齒機(jī)二維外觀模型。本機(jī)床設(shè)計(jì)為六軸四聯(lián)動(dòng)全數(shù)控滾齒機(jī)，該六軸為：A——滾刀架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；B——滾刀主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；C——工件主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；X——滾刀架徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；Y——滾刀架切向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；Z——滾刀架軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。聯(lián)動(dòng)軸為：B，C，Y，Z或B，C，X，Z滾齒加工機(jī)床工作時(shí)是采用展成（范成）原理進(jìn)行連續(xù)切削加工的。滾齒機(jī)的各運(yùn)動(dòng)的函數(shù)運(yùn)算關(guān)系是：分度運(yùn)動(dòng)：n KnC Z B軸向差動(dòng)進(jìn)給補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)：nKnsinvcZBZmzn切向差動(dòng)進(jìn)給補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)：nKncosvcZBZmyn軸向和切向同時(shí)差動(dòng)進(jìn)給補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)：nKnsinvcosvcZBZmzZmynn式中——與齒輪的旋向、滾刀的旋向、Z軸或Y軸的運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)；Z——工件齒數(shù)；K——滾刀頭數(shù)；——滾刀主軸轉(zhuǎn)速，rpm；B——工作臺(tái)轉(zhuǎn)，rpm；c——工件螺旋角；——刀架安裝角；，v——分別為Z軸、Y軸的移動(dòng)速度，mm/min；y——工件法向模數(shù)，mm。n圖2.8零傳動(dòng)滾齒機(jī)三維模型3.2.2零傳動(dòng)滾齒機(jī)各運(yùn)動(dòng)軸的傳動(dòng)設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)高速干式滾齒，滾齒機(jī)刀具主軸與工作臺(tái)主軸的高速及高精度同步回轉(zhuǎn)是先決條件。傳統(tǒng)滾齒機(jī)是通過(guò)展成傳動(dòng)鏈將這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)連在一起的，滾刀主軸采用滑動(dòng)軸承，工作臺(tái)采用蝸輪副分度和滑動(dòng)軸承支承，這就使得這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速都不高，通常滾刀主軸實(shí)際能使用的轉(zhuǎn)速在350rpm以?xún)?nèi)，工作臺(tái)的轉(zhuǎn)速在25rpm以下，在這種轉(zhuǎn)速下要實(shí)現(xiàn)高速、高精度、干式切削是不可能的。簡(jiǎn)化滾齒機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)，不僅可以縮短傳動(dòng)鏈，提高機(jī)床的傳動(dòng)精度，增加了機(jī)床的動(dòng)、靜剛性及熱平衡，便于機(jī)床的安裝及維修，而且傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化帶來(lái)了機(jī)床結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，可以節(jié)約機(jī)床的用材，減少機(jī)床的機(jī)械加工，從而減少滾齒機(jī)制造過(guò)程中對(duì)環(huán)境的影響及節(jié)約能源。零傳動(dòng)滾齒機(jī)利用先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)、伺服技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、電主軸技術(shù)、力矩電機(jī)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)系統(tǒng)極大的簡(jiǎn)化。圖2.9為零傳動(dòng)滾齒機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)圖。該圖中的蝸輪蝸桿傳動(dòng)副，與傳統(tǒng)機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)相同，實(shí)現(xiàn)刀架轉(zhuǎn)位。圖2.9傳動(dòng)系統(tǒng)圖①滾刀主軸、工件主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)設(shè)計(jì)B軸(滾刀主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))和C軸(工件主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))均去掉一般數(shù)控滾齒機(jī)中的高精度齒輪副或蝸輪副，采用內(nèi)置主軸電機(jī)(電主軸，用于滾刀主軸)、內(nèi)置力矩電機(jī)(DDR電機(jī)，用于工件主軸)分別驅(qū)動(dòng)，這樣就消除了由于傳動(dòng)裝置而產(chǎn)生的誤差，如反向間隙、嚙合誤差等，其傳動(dòng)精度主要決定于反饋裝置的精度，由于直接驅(qū)動(dòng)只有很少的運(yùn)動(dòng)部件，所以噪音很小，系統(tǒng)中唯一的磨損件是軸承，維護(hù)減少，如果軸承采用定期潤(rùn)滑，整體主軸裝置就能達(dá)到零維護(hù)。圖2.10為滾刀主軸和工件主軸結(jié)構(gòu)圖，表2.2對(duì)齒輪傳動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)滾刀軸、工件軸性能進(jìn)行了比較。表2.2齒輪傳動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)滾刀軸、工件軸性能比較項(xiàng)目齒輪傳動(dòng)滾刀軸、工件軸直接驅(qū)動(dòng)滾刀軸、工件軸速度低高加速度低高抗干擾相對(duì)強(qiáng)相對(duì)弱夾緊轉(zhuǎn)矩大相對(duì)小定位精度較高（主要決定于編碼器分高（主要決定于編碼器分辨辨率和降速機(jī)械）率、機(jī)械剛度和軸承剛度）機(jī)械噪聲大低維修必需（由于機(jī)械磨損）基本不需要裝配相對(duì)容易需要思考（由于磁拉力）冷卻一般不需要自然冷、氣冷、液冷（決定于連續(xù)轉(zhuǎn)矩和散熱情況）外形尺寸不緊湊（電機(jī)外裝）緊湊（電機(jī)內(nèi)裝）機(jī)械結(jié)構(gòu) 復(fù)雜 簡(jiǎn)單②機(jī)床徑向及軸向運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)X軸（滾刀架徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)）、Z軸（滾刀架軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)）、Y軸（滾刀架切向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)）均采用伺服電機(jī)與高精度預(yù)加載荷的滾珠絲杠直聯(lián)的傳動(dòng)方式。滾珠螺旋傳動(dòng)具有傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)可逆和不自鎖、定位精度高、同步性高等特點(diǎn)。這樣結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)精度高。③刀架調(diào)整角度用蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)相對(duì)于兩垂直相錯(cuò)軸間具有固定傳動(dòng)比的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，蝸桿傳動(dòng)是運(yùn)用最廣的傳動(dòng)方式。蝸桿傳動(dòng)具有降速比大、結(jié)構(gòu)緊湊、工作平穩(wěn)、無(wú)噪聲、能阻滯扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，以及當(dāng)蝸桿螺旋升角小于摩擦角時(shí)，有反向鎖緊作用等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使蝸桿傳動(dòng)在機(jī)床中得以廣泛應(yīng)用，特別是對(duì)于需要傳遞較大功率（扭矩）及改變傳遞運(yùn)動(dòng)方向的運(yùn)動(dòng)軸中?？刂茲L齒機(jī)刀架角度回轉(zhuǎn)為調(diào)整軸，只有在加工雙聯(lián)齒輪或換加工品種時(shí)才使用。因此，在絕大部分滾齒機(jī)中，采用蝸桿副傳動(dòng)調(diào)整刀架角度。蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)是極其成熟的技術(shù)，在此不再贅述。圖2.10滾刀主軸和工件主軸結(jié)構(gòu)圖4尾座部件設(shè)計(jì)4.1液壓缸主要技術(shù)性能參數(shù)的計(jì)算4.1.1液壓缸工作壓力的確定根據(jù)各類(lèi)液壓設(shè)備常用壓力表機(jī)

床設(shè)備類(lèi)型工作壓力/MPa

磨床≤2

組合機(jī)床車(chē)床、銑床、鏜床等拉床、龍門(mén)刨床≤6.3 2～4 ≤10由液壓缸的公稱(chēng)壓力系列（GB7938——87），MPa0.6311.62.546.31016202540選定設(shè)計(jì)的液壓缸的工作壓力P1=4MPa。4.1.2液壓缸的總效率的確定液壓缸的總效率有以下效率組成：（１）機(jī)械效率m，由活塞及活塞桿密封處的摩擦阻力所造成的摩擦損失，在額定壓力下,通?？扇。簃=0.9～0.95。（２）容積效率v，由各種密封件泄露造成，通常?。夯钊芊鉃閺椥圆牧蠒r(shí)：v＝１活塞密封為金屬環(huán)時(shí)：v＝0.98（３）作用力效率d,當(dāng)排油直接回油箱時(shí)：d＝１（４）液壓缸的總效率t：tmvd＝0.911＝0.94.1.3液壓缸的理論作用力的計(jì)算液壓缸的理論作用力P：P=P0/(t)=3920/(0.60.9)=7260N負(fù)載率，一般=0.5～0.7，?。?.6。t液壓缸的總效率，t=0.90活塞桿的實(shí)際作用力,P0=400Kg=3920N4.1.4液壓缸內(nèi)徑的選取根據(jù)常用液壓缸理論推力表DAP11=4MPa(mm)(C㎡)P(KN)32 8.04 3.2240 12.57 5.0250 19.63 7.8563 31.17 12.47選取液壓缸的內(nèi)徑為D=50mm,此時(shí)活塞的輸出力P=7850N,符合條件.4.1.5活塞運(yùn)動(dòng)速度的選取活塞運(yùn)動(dòng)速度v過(guò)低可能造成液壓缸爬行,導(dǎo)致液壓缸無(wú)法正常工作.故vmax0.05m/s,根據(jù)法MARREL和CPOAC公司采用的液壓缸活塞的許用最大線(xiàn)速度,小型系列缸內(nèi)徑,mmvmax32~630.580~1000.4125~2000.25選取此液壓缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度為v=0.15m/s.4.1.6液壓缸速比的選取為了避免產(chǎn)生過(guò)大的背壓或造成活塞桿太細(xì),穩(wěn)定性不好,活塞的速比不應(yīng)太大或太小.根據(jù)下表,選取活塞桿的直徑d=22mm,此時(shí)速比=1.25速比缸筒內(nèi)徑D(mm)21.461.331.251.15d(mm)36282522184.1.7液壓缸流量的計(jì)算對(duì)于單活塞桿液壓缸,當(dāng)活塞桿伸出時(shí):Q= D2V103=4125104

9103=17.67L/min當(dāng)活塞桿縮回時(shí)：Q= (D2d2)V103=

41

(2500

484)106

9103=14.21L/minD——液壓缸內(nèi)徑，md——活塞桿直徑，mv——活塞桿運(yùn)動(dòng)速度，m/minv——液壓缸容積效率。當(dāng)活塞密封為彈性密封材料時(shí)：v＝14.1.8活塞行程的確定活塞的最大允許行程L=320dkPK=320222278505=782mm＞65mm。根據(jù)活塞行程系列（GB2349-80），mm25 50 80 100125160200250320400500選取活塞行程為L(zhǎng)=80mm。PK——活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力，PkPnkNP——活塞桿縱向壓縮力，Nnk——安全系數(shù)，通常nk=3.5~6，取5。d——活塞桿直徑。4.2液壓缸主要零部件設(shè)計(jì)4.2.1液壓缸缸筒的設(shè)計(jì)（1）缸筒結(jié)構(gòu)：根據(jù)缸筒的額定工作壓力，用途和使用環(huán)境，缸筒采用內(nèi)螺紋連接，此種連接方法具有重量較輕，外徑較小的優(yōu)點(diǎn)。（2）缸筒材料：一般要求具有足夠的強(qiáng)度和沖擊韌性，對(duì)焊接的缸筒要求有良好的焊接性能。因缸筒與端蓋焊接，所以選用S35號(hào)鋼，機(jī)械預(yù)加工后再調(diào)質(zhì)。（3）缸筒計(jì)算：1）缸筒內(nèi)徑：前邊已經(jīng)求得缸筒的內(nèi)徑D=50mm2）缸筒壁厚：缸筒壁厚0C1C20——缸筒材料要求強(qiáng)度最小值（mm）C1——缸筒外徑公差余量。2——-腐蝕余量。缸筒底部為平時(shí)，其厚度可以按照四周嵌住的圓盤(pán)強(qiáng)度進(jìn)行近似的計(jì)算：0.4330 p＝0.4330×4104=8.8ｍｍ考慮到缸筒底部設(shè)有油口管道，選取25mm——筒底厚P——缸筒最大工作壓力——筒底材料許用應(yīng)力，選取方法與上述缸筒厚度計(jì)算相同。5）缸筒頭部法蘭厚度計(jì)算h4Fb103(ral= 472600.00530103104=3.9mm選取其厚度為10ｍｍ．F——法蘭在缸筒最大內(nèi)壓下，所承受的最大壓力，Na——法蘭外圓半徑。6）鋼筒螺紋連接部分校核計(jì)算鋼筒與端部螺紋連接時(shí)，鋼筒螺紋處的強(qiáng)度計(jì)算如下：螺紋處的拉應(yīng)力4KF106(d2D2)0437850(59.8862502)=27.6MPａ螺紋處的切應(yīng)力為：K1KFd01060.2(d2D2)00.1237260640.2(59.8863503)=10.28MPa合成應(yīng)力為： 232n27.62310.282＝33.7MPa104MPaF——缸筒端部承受的最大推力。D——缸筒內(nèi)徑。0——螺紋外徑。1——螺紋底徑。K——擰緊螺紋系數(shù)?！菁y連接的摩擦系數(shù)。17）缸筒與端部焊接校核：缸筒與端部用焊接連接時(shí)，其焊縫應(yīng)力計(jì)算如下：4F(D2d2)1061 1=

47850(702662)0.7=26.7MPa104MPaF-----缸筒最大推力。D-----缸筒外徑。――焊縫底徑。1——焊接效率。4.2.2活塞的設(shè)計(jì)1）活塞結(jié)構(gòu)形式：采用整體活塞，迷宮型間隙密封。用于精度高，直徑小，速度低的液壓缸。沒(méi)有容易刮傷的密封件，不會(huì)因密封件的損壞而發(fā)生泄露。與缸筒的配合公差等級(jí)，形位公差等級(jí)要求高，表面粗糙度參數(shù)值小，一般需配研。2）活塞與活塞桿的連接活塞與活塞桿采用螺母連接。活塞與活塞桿之間設(shè)置靜密封。3）活塞材料：對(duì)于無(wú)導(dǎo)向環(huán)的活塞，采用高強(qiáng)度鑄鐵HT200——300或球墨鑄鐵。5）活塞的尺寸及加工公差?；钊鈴降呐浜弦话悴捎胒9，外徑對(duì)于內(nèi)孔的同軸度公差不大于0.02ｍｍ，斷面于軸線(xiàn)的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，外表面的圓度和圓柱度一般不大于外徑公差之半。4.2.3活塞桿的設(shè)計(jì)1）活塞桿的結(jié)構(gòu)：為了裝有位置傳感器，可采用空心管。為了避免活塞桿在工作中產(chǎn)生偏心負(fù)載力，適應(yīng)液壓缸的安裝要求，提高作用效率，考慮到本設(shè)計(jì)缸工作時(shí)軸線(xiàn)固定不動(dòng)，所以采用螺栓頭連接2）活塞桿的材料和技術(shù)要求：活塞桿采用45號(hào)缸，調(diào)質(zhì)處理，并淬火，淬火深度為0.5～1mm。3）活塞桿的計(jì)算：a：活塞桿的直徑計(jì)算。前面已經(jīng)計(jì)算出活塞桿的直徑為22mm對(duì)于空心活塞桿：d4106Pd211則dd24106P1=1(22103)24106785085=19.1mm取為18mmb：活塞桿的強(qiáng)度計(jì)算在活塞桿穩(wěn)定工況下，如果只受軸向推力或拉力，可以近似的采用直桿承受拉壓負(fù)載的簡(jiǎn)單強(qiáng)度計(jì)算公式計(jì)算：4P106d247850106484106＝20.7MPa≤材料的許用應(yīng)力，無(wú)縫鋼管＝100～110MPa對(duì)于活塞桿上的螺紋，退刀槽等危險(xiǎn)截面，其合成應(yīng)力：＝1.8P2nd22＝1.87850296＝72MPa≤C：活塞桿彎曲穩(wěn)定性驗(yàn)算：當(dāng)受力P完全在軸線(xiàn)上時(shí)，按照1PP2EI10621.801147.9k10.0451nK2L2n0.25kBk＝400KN滿(mǎn)足要求——實(shí)際彈性模數(shù)1EE1.801051(1a)(1b)a——材料組