YK3150滾齒機(jī)滾刀主軸部件設(shè)計(jì)數(shù)控滾齒機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

YK3150E數(shù)控滾齒機(jī)滾刀主軸組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)控高效滾齒機(jī)的設(shè)計(jì)不僅要求在參數(shù)的選擇、計(jì)算上應(yīng)科學(xué)合理的，更主要的還應(yīng)合理地設(shè)計(jì)出各主要部件的結(jié)構(gòu)功能，以最優(yōu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)各部件的功能。因而作為最重要的主軸主件的設(shè)計(jì)，必須在結(jié)構(gòu)上有創(chuàng)新的特點(diǎn)，以滿足數(shù)控高效滾齒機(jī)的切齒要求。下面將對(duì)YK3150E數(shù)控高效滾齒機(jī)的主軸部件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析說(shuō)明。3.1結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)對(duì)于滾齒機(jī)來(lái)講，刀架部件為滾齒機(jī)的關(guān)鍵的部件之一，從滾齒機(jī)的出廠檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)(普通或數(shù)控滾齒機(jī))共有12~16個(gè)檢驗(yàn)項(xiàng)目，而刀架部件就占了1/3的內(nèi)容，從滾齒機(jī)的工作精度來(lái)講，刀架這個(gè)部件對(duì)機(jī)床的精度的影響很大，直接對(duì)加工齒輪的精度第1公差組和第2公差組及齒面粗糙度產(chǎn)生作用。例如：刀架主軸的軸向串動(dòng)，影響被加齒輪的相鄰齒距誤差；刀架主軸的徑向跳動(dòng)，影響著被加工齒輪的齒圈徑向跳動(dòng)誤差；刀架的主軸高速切齒的振動(dòng)(刀架整體剛性的強(qiáng)弱)影響著被加工齒輪的表面粗糙度。因而在進(jìn)行刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮數(shù)控高效滾齒機(jī)的切齒特點(diǎn)，以便從結(jié)構(gòu)上最大限度地保證切齒的綜合性能要求。1—成組軸承2—拉桿3—主軸4—傳動(dòng)軸5—高精度斜齒輪6—專用旋轉(zhuǎn)油缸7—油缸活塞數(shù)控滾齒機(jī)利用錐孔為7﹕24的BT—50標(biāo)準(zhǔn)銑削刀桿接口模式，有利于滾刀桿自動(dòng)夾緊與放松，縮短了滾齒機(jī)輔助調(diào)整時(shí)間，通常普通滾齒機(jī)采用莫氏5號(hào)錐度的孔徑定心，且為手動(dòng)的夾緊與放松方式，該錐度的標(biāo)準(zhǔn)的孔位(大端)為Φ47.75mm，不能為滾刀提供更大的刀桿尺寸。在YKX3140數(shù)控高效滾齒機(jī)的刀桿設(shè)計(jì)中，為了確保刀架整體剛性，最小刀桿直徑為Φ40mm，同時(shí)為了滿足高效強(qiáng)力切齒，對(duì)自動(dòng)夾緊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)夾緊力最低不少于20000N，以充分保證刀桿切齒的剛性要求，而一般自動(dòng)夾緊刀桿系統(tǒng)通常在15000N左右(普通數(shù)控滾齒機(jī)或小規(guī)格數(shù)控滾齒機(jī))。刀桿的自動(dòng)夾緊與放松過(guò)程為：油缸往右前推拉桿壓縮碟形彈簧時(shí)，由拉桿推動(dòng)夾爪向前移動(dòng)并張開，此時(shí)為松開刀桿；當(dāng)油缸往后移動(dòng)時(shí)，拉桿在縮碟形彈簧恢復(fù)力作用下帶動(dòng)夾爪向后移動(dòng)，由夾爪夾住并拉緊刀桿。顯然，刀桿的拉緊力為碟形彈簧提供的純機(jī)械拉力，油缸的推力僅起著放松刀桿的作用。刀桿的拉緊力不受油壓及電壓波動(dòng)的影響。此種刀桿拉緊方式，能更好地適應(yīng)高效滾齒機(jī)的切齒特點(diǎn)。傳動(dòng)系統(tǒng)中充分利用傳動(dòng)鏈誤差分析理論提出的未端元件高精度原理，以提高傳動(dòng)鏈精度。即在刀架的末端傳動(dòng)元件的大小斜齒輪，其齒輪的精度達(dá)到3級(jí)精度，不但減少傳動(dòng)鏈的總誤差，而且可有效降低高速切制的噪音。在刀架箱體內(nèi)采用大流量循環(huán)潤(rùn)滑的冷卻系統(tǒng)，有效地保證了高速、重載的切齒時(shí)刀架體的熱平衡，從而保證了機(jī)床刀架主軸冷態(tài)和熱態(tài)精度的一致性；而普通滾齒機(jī)在刀架箱體中，多采用油池潤(rùn)滑方式，切齒時(shí)刀架箱體高速旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)件產(chǎn)生的熱量無(wú)法帶走，機(jī)床的主軸冷態(tài)和熱態(tài)精度變化較大。3.2主軸設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題分析主軸系統(tǒng)是滾齒機(jī)的核心，它在很大程度上影響著齒輪的加工精度。主軸部件的精度主要體現(xiàn)在主軸的回轉(zhuǎn)精度和剛度的提高，而回轉(zhuǎn)精度與剛度又決定于主軸的形式及裝配形式。數(shù)控滾齒機(jī)最高加工速度相對(duì)于普通數(shù)控滾齒機(jī)有成倍的提高，達(dá)到500轉(zhuǎn)/分，要達(dá)到這樣高的轉(zhuǎn)速，軸承的合理選擇，精度、調(diào)整、潤(rùn)滑和軸系的平衡、阻尼特性等都對(duì)此有影響。滾刀軸軸系如何在這樣的高速下保證精度，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中必須對(duì)下面幾個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行研究：3.2.11.回轉(zhuǎn)精度的定義軸件作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，線速度為零的點(diǎn)的連線稱為軸件的回轉(zhuǎn)中心線，軸件回轉(zhuǎn)中心線相對(duì)于某一固定參考系統(tǒng)的空間位置，在理想情況下是不應(yīng)隨時(shí)間變化的。但實(shí)際上由于軸承的誤差，軸件的撓曲和振動(dòng)等原因，軸件的回轉(zhuǎn)中心線的空間位置在每一瞬時(shí)都是變化的，這時(shí)瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心線空間位置的平均中心線稱為理想回轉(zhuǎn)中心線，瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心線相對(duì)于理想回轉(zhuǎn)中心線在空間的位置偏離就是回轉(zhuǎn)軸件的瞬時(shí)誤差，這些瞬時(shí)誤差的范圍就是軸件回轉(zhuǎn)精度。軸件誤差分為三種基本形式：軸向漂移、徑向漂移、角向漂移。2.影響滾刀軸回轉(zhuǎn)精度的主要因素1)軸頸的圓度誤差，主要引發(fā)主軸周期性的徑向誤差。2)軸承誤差，如滾道的圓度，滾動(dòng)體直徑及圓度的不一致性引發(fā)徑向誤差。3)軸承端面對(duì)軸頸的垂直度及推力軸承的滾道與滾動(dòng)體誤差引發(fā)軸向誤差。4)前后軸承的同軸度及其徑向跳動(dòng)大小和方向的不一致會(huì)引發(fā)擺動(dòng)誤差。5)滾刀軸的不平衡及其支撐剛度的變化會(huì)引發(fā)徑向誤差和擺角誤差。6)滾刀軸的振動(dòng)會(huì)引發(fā)徑向誤差。3.提高零傳動(dòng)滾齒機(jī)滾刀軸部件回轉(zhuǎn)精度的措施1)裝配時(shí)采用定向選配，定向選配的目的是使誤差相互抵消，注意拆卸時(shí)必須在軸承內(nèi)圈和主軸軸頸間，軸承外圈與箱體孔間畫線為記，重新裝配時(shí)按記號(hào)、裝配，才能保證精度。2)裝配后精加工，將主軸部件裝配好后，以主軸的安裝基面和定位基面互為基準(zhǔn)進(jìn)行精磨。3)提高精度要求選用高精度的軸承，提高軸承配合面比如軸頸和箱體孔的精度要求。4)對(duì)軸承適當(dāng)預(yù)緊，減小間隙，保持適當(dāng)過(guò)盈，提高剛度。5)提高抗振性，一般說(shuō)來(lái)，提高抗振性的措施除了提高剛度外，還可以采用增加阻尼，采用彈性傳動(dòng)件，采取隔振措施等方法 。對(duì)于數(shù)控滾齒機(jī)滾刀軸來(lái)說(shuō)，為了保證精度，主要采取提高主軸和支撐部件剛性以及裝配好后進(jìn)行動(dòng)平衡的措施。6)保證正確潤(rùn)滑，為軸承選擇正確的潤(rùn)滑方式和潤(rùn)滑材料。3.1.2主軸靜剛度主軸的靜剛度又稱主軸剛度，是機(jī)床主軸系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)，它反映主軸單元抵抗靜態(tài)外力的能力，與負(fù)荷能力及抗振性密切相關(guān)。主軸單元最重要的靜剛度指標(biāo)是彎曲剛度和軸向剛度。彎曲剛度Kr的定義是：為使主軸前端產(chǎn)生單位徑向位移δ時(shí)所需施加的力Fr，即主軸單元的軸向剛度Ka，定義為使主軸軸向產(chǎn)生單位位移時(shí)，在軸向所需施加的力。一般情況下，彎曲剛度比軸向剛度要重要的多，是衡量主軸單元?jiǎng)偠鹊闹匾笜?biāo)，通常用來(lái)代指主軸的剛度，它與主軸單元的懸伸量、跨距、幾何尺寸、金屬的物理性能及軸承剛度有關(guān)。1.靜剛度近似估算對(duì)滾齒機(jī)滾刀主軸軸系進(jìn)行簡(jiǎn)化將變截面的主軸，簡(jiǎn)化為單一等效截面的等效主軸，設(shè)其截面抗彎慣性距為I，將前后軸承組簡(jiǎn)化為前后兩個(gè)剛度系數(shù)為K1、K2的彈簧支承，確定支反力的合理位置。如圖所示：主軸本身的彎曲變形引起的軸端位移ys為（mm）式中F—靜載荷（N）縣伸量（mm）E—彈性模量，鋼的彈性模量為2.1*(N/)L—支承跨距（mm）前后支承的支反力為：前后支承的變形為：由于軸承變形引起的主軸軸端位移為：主軸軸端總位移y為：2.懸伸量和跨距對(duì)主軸剛度的影響由式可知，前懸伸越長(zhǎng)，伸出端撓度越大，對(duì)主軸組件的綜合剛度影響越大，應(yīng)該盡量縮短。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，考慮到軸承的安裝位置及密封等因素，前懸伸量基本上是沒(méi)有優(yōu)化余地的，能夠優(yōu)化的是前后軸承組之間的跨距。由式可求得主軸柔度為由式可以看出跨距對(duì)主軸剛度的影響不是單向的，將式對(duì)跨距L求導(dǎo)并令dy/dL=0得：對(duì)式求解就可得到最佳跨距值，實(shí)際上，由于實(shí)際設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)的限制，此最佳跨距值是一個(gè)近似的參考值，若實(shí)際跨距在此附近，則有可能使主軸剛度達(dá)到最大值。若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中實(shí)際跨距不能等于L時(shí)，則寧大勿小，以較大的實(shí)際跨距為宜。因?yàn)楫?dāng)實(shí)際跨距小于最佳跨距時(shí)，綜合剛度的降低比跨距大于最佳值時(shí)要敏感得多。3.1.31.主軸軸承的選擇數(shù)控滾齒機(jī)滾刀軸部件加工速度高，其軸承的選用首先必須滿足高速運(yùn)轉(zhuǎn)的要求,并且具有高的回轉(zhuǎn)精度和較低的溫升，其次，因?yàn)闈L齒機(jī)承受的是斷續(xù)沖擊的切削力，所以其軸承必須具有盡可能高的徑向和軸向剛度。另外，還必須具有較長(zhǎng)的使用壽命，特別是保持精度的壽命。滾動(dòng)軸承的選用，主要看轉(zhuǎn)速、載荷、結(jié)構(gòu)尺寸要求等工作條件。一般來(lái)說(shuō)，線接觸軸承、滾柱、滾錐、滾針承載能力大，同時(shí)摩擦大，則相應(yīng)極限轉(zhuǎn)速較低，點(diǎn)接觸球軸承則反之，但推力球軸承由于對(duì)中性較差，極限轉(zhuǎn)速較低，單個(gè)軸承同時(shí)承受徑向載荷和單雙向軸向載荷，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，但滾動(dòng)體受力不在最優(yōu)方向，使極限轉(zhuǎn)速降低。軸系的徑向和軸向載荷分別由不同軸承承受，受力狀態(tài)較好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜尺寸大。一般軸系要同時(shí)承受徑向載荷與雙向軸向載荷，需按下列條件選用滾動(dòng)軸承。1)中高速重載，雙列圓柱滾子軸承配雙向推力角接觸球軸承，若配推力軸承，會(huì)使極限轉(zhuǎn)速降低，成對(duì)圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但極限轉(zhuǎn)速較低，空心圓錐滾子軸承的極限轉(zhuǎn)速提高，但成本較高。2)高速輕載，采用成組角接觸球軸承，根據(jù)軸向載荷的大小分別選用250或者150接觸角。3)軸向載荷為主，精度不高時(shí)，選用推力軸承配深溝球軸承，精度較高時(shí)，選用向心推力軸承。綜上所述，對(duì)于數(shù)控滾齒機(jī)主軸部件，顯然應(yīng)該以中高速重載的條件來(lái)選擇滾動(dòng)軸承，故選用雙列圓柱滾子軸承配雙向推力角接觸球軸承。2.主軸軸承的配置主軸軸承的配置形式應(yīng)該根據(jù)轉(zhuǎn)速、剛度、承載能力、抗振性和噪聲等要求來(lái)選擇。常見(jiàn)的有以下幾種典型的配置形式：速度型、剛度型和剛度速度型。1)速度型主軸前后軸承都采用具有良好高速性能的角接觸球軸承，雙聯(lián)或者三聯(lián)。當(dāng)軸向切削分力較大時(shí)，選用接觸角為250的球軸承；當(dāng)軸向切削分力較小時(shí)，選用接觸角為150的球軸承載。在相同條件下，前者的軸向剛度比后者大一倍。2)剛度型前支承采用雙列圓柱滾子軸承承受徑向載荷和600角接觸雙列推力球軸承承受軸向載荷，后支撐采用雙列短圓柱滾子軸承，這種軸承配置的主軸部件適用于中等轉(zhuǎn)速和切削負(fù)載較大要求剛度高的機(jī)床。3)速度剛度型前軸承采用三聯(lián)角接觸球軸承，后支撐采用雙列短圓柱滾子軸承，前軸承組的配置特點(diǎn)是：外測(cè)的兩個(gè)角接觸球軸承大口朝向主軸工作端，承受主要方向的軸向力，第三個(gè)角接觸球軸承則通過(guò)軸套與外測(cè)的兩個(gè)軸承背靠背配置，使三聯(lián)角接觸球軸承有一個(gè)較大的支承跨距以提高承受顛覆力矩的剛度。數(shù)控滾齒機(jī)加工速度雖然相對(duì)于普通數(shù)控滾齒機(jī)有了很大提高，但絕對(duì)速度與加工中心的主軸相比卻不能算高速，由于其加工特點(diǎn)，它顯然屬于剛度型的結(jié)構(gòu)。由于YK3150E數(shù)控滾齒機(jī)加工過(guò)程中，主軸前端微小的變形都會(huì)反映到工件的精度上，因此主軸前端必須具有極高的徑向和軸向剛度，因此，前端的雙列圓柱滾子軸承和雙向推力角接觸球軸承都必須施加預(yù)緊力以提高剛度。前端必須固定，后端軸承遠(yuǎn)離加工區(qū)域，承受的徑向力比較小，主軸在加工過(guò)程中，軸承熱和轉(zhuǎn)子熱都會(huì)有一部分傳遞到主軸上，造成主軸溫升變形，因此后端軸承必須浮動(dòng)，否則主軸中段會(huì)產(chǎn)生彎曲變形。綜上所述，滾刀主軸采用一端固定一端浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)，靠近加工區(qū)域一端固定，遠(yuǎn)離加工區(qū)域一端浮動(dòng)。這樣的結(jié)構(gòu)使的主軸具有高的剛性，同時(shí)避免溫升變形。3.主軸軸承的潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑目的是減少軸承內(nèi)部摩擦及磨損，防止燒結(jié)，延長(zhǎng)疲勞壽命，防止異物進(jìn)入，防銹防腐。評(píng)定軸承速度性能的是速度參數(shù)dn值(單位:mm.r/min)，其中d為軸承的中徑，等于軸承內(nèi)外徑的平均值(單位:mm)，n為轉(zhuǎn)速(單位:r/min)，dn值反映了軸承滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)速度，這也是軸承轉(zhuǎn)速的主要限制因素，代表軸承速度性能的dn值同時(shí)表征著相應(yīng)主軸的轉(zhuǎn)速及線速度特性。我國(guó)主軸單元系列型譜將機(jī)床主軸單元?jiǎng)澐譃閮纱箢悾焊邉偠刃秃透咚俣刃停鋵?duì)應(yīng)的dn值及潤(rùn)滑方式見(jiàn)下表：YE3150E滾齒機(jī)滾刀主軸前軸承的dn值為：按照上表的規(guī)定，屬于高剛度型，采用脂潤(rùn)滑，脂潤(rùn)滑時(shí)要注意不同型號(hào)的脂類不能混用，且補(bǔ)充的周期要短于潤(rùn)滑期限，一般情況下為（0.5~0.7）倍潤(rùn)滑期限。4.主軸軸承的預(yù)緊滾動(dòng)軸承的預(yù)緊又稱為預(yù)加負(fù)荷，是指在安裝軸承時(shí)采用一定的方法，以消除軸承的游隙，并在滾動(dòng)體和內(nèi)外圈接觸處產(chǎn)生預(yù)變形使工作表面的接觸面積增加。對(duì)軸承進(jìn)行預(yù)緊的目的有以下幾點(diǎn)：1)在正確決定軸的徑向方向及軸向方向位置的同時(shí)抑制軸的跳動(dòng)。2)提高軸的剛性。3)防止軸向方向的振動(dòng)及由于共振而造成的異音。4)抑制滾動(dòng)體的旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)，公轉(zhuǎn)滑動(dòng)及自轉(zhuǎn)滑動(dòng)，以減小離心力和陀螺力矩并且可以抑制磨損。軸承的預(yù)緊有兩種方法，一種是定位預(yù)緊，另一種是定壓預(yù)緊。定位預(yù)緊是對(duì)置軸承在軸方向的相對(duì)位置，在使用中也不會(huì)改變的預(yù)緊方法。定壓預(yù)緊是利用螺旋彈簧、碟形彈簧給予軸承適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力的方法，在使用中軸承的相對(duì)位置即使有變化，預(yù)緊力也可以大體保持一致。定位預(yù)緊與定壓預(yù)緊相比較，在預(yù)緊力相等的情況下，定位預(yù)緊有效于增加軸承的剛性。但是，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于軸與外殼的溫度差而造成的軸向延伸率差，內(nèi)外圈溫度差而造成的徑向熱膨脹差及負(fù)荷而造成的變形等影響會(huì)使預(yù)緊力發(fā)生變化。在定壓預(yù)緊的情況下，由于軸伸縮造成彈簧變形很小，所以幾乎可以不考慮預(yù)緊力的變化。由此可知，一般定位預(yù)緊適合于提高剛性的目的，定壓預(yù)緊適用于高速旋轉(zhuǎn)需要防止軸向振動(dòng)的情況。定位預(yù)緊與定壓預(yù)緊方式對(duì)剛度的影響滾動(dòng)軸承的預(yù)緊量應(yīng)該根據(jù)對(duì)剛度和運(yùn)轉(zhuǎn)條件的要求來(lái)決定。較大的預(yù)緊量可以提高軸承的剛度，但是過(guò)大的預(yù)緊量會(huì)增大軸承的工作表面面積，增大摩擦系數(shù)導(dǎo)致溫升增高，潤(rùn)滑條件變壞，軸承的壽命和極限轉(zhuǎn)速降低。因此在預(yù)緊量的選擇上一定要慎重，選擇預(yù)緊量的原則是當(dāng)軸承承受最大工作負(fù)荷時(shí)，軸承始終保持一定的過(guò)盈量而不致于產(chǎn)生間隙。數(shù)控滾齒機(jī)滾刀主軸前軸承預(yù)緊方式方案為：主軸前支承預(yù)緊方式雙列圓柱滾子軸承的預(yù)緊方法是：首先，取掉外圈，用一個(gè)端面平面度和垂直度很高的隔套推其內(nèi)圈，使其沿主軸1：12錐度段軸向移動(dòng)，靠?jī)?nèi)圈的彈性變形將滾子撐開，然后測(cè)量各滾子頂點(diǎn)形成的包絡(luò)圓，在測(cè)量的過(guò)程中修磨調(diào)整片6，直到包絡(luò)圓的圓度非常高，并且直徑要和測(cè)量到的外圈滾道直徑一致，一般情況下，調(diào)整好的圓柱滾子軸承會(huì)有2～3個(gè)微米的過(guò)盈量。雙向推力角接觸球軸承的預(yù)緊方法是：首先通過(guò)密封蓋5，雙列圓柱滾子軸承的外圈將其外圈軸向固定，然后用螺母推動(dòng)隔套頂其內(nèi)圈，使內(nèi)外圈在軸上的相對(duì)位置對(duì)置，通過(guò)修磨調(diào)整片4調(diào)整預(yù)緊力。4.主軸騙碼器的選擇（一）、滾刀軸控制精度分析滾齒機(jī)通過(guò)滾刀軸與工件軸的展成運(yùn)動(dòng)切出工件齒形在嚙合節(jié)線上產(chǎn)生的齒距誤差為：式中--工件的齒距誤差--滾刀或工件模數(shù)--滾刀軸旋轉(zhuǎn)誤差--工件軸軸旋轉(zhuǎn)誤差K—滾刀頭數(shù)Z—工件齒數(shù)由上式可知工件對(duì)工件軸誤差是非常敏感的，假設(shè)滾刀頭數(shù)為1，加工的工件齒數(shù)為100，則工件軸誤差對(duì)工件誤差的影響程度是滾刀軸誤差對(duì)工件誤差影響程度的100倍，因此，在誤差分配的時(shí)候，應(yīng)該盡可能地提高滾刀軸精度以降低對(duì)工件軸精度的要求。（二）、滾刀軸編碼器選擇原則數(shù)控滾齒機(jī)由主軸電機(jī)經(jīng)兩級(jí)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)滾刀軸旋轉(zhuǎn)，選用編碼器為角度編碼器，角度編碼器由測(cè)量輪和感應(yīng)頭組成，測(cè)量輪上有刻線或者做成齒輪的形狀由主軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，感應(yīng)頭通過(guò)光電感應(yīng)，將測(cè)出