数控高效滚齿机YKX3140的设计开发.pdf

重庆大学 硕士学位论文 数控高效滚齿机YKX3140的设计开发 姓名 夏重 申请学位级别 硕士 专业 机械工程 指导教师 蒋和生 袁滨 20051001 中文摘要 I 摘要 本文的研究开发的课题是重庆机床厂滚齿机数控化 高效化发展的重点和急 待解决的课题 是利用数控技术以及机电一体化理论对滚齿机床进全新设计开发 的实际应用和探索论证 本文成功地开发出数控 高效 高速 强力滚齿机床 YKX3140 为企业取得了良好的经济效益和社会效益 本文首先 对齿轮加工行业的工艺及制齿设备现状和需求进行了分析 针对 以汽车工业为龙头带动相关齿轮行业的企业由生产型向制造型企业的转变和提 升 而对制齿设备在加工精度和加工效率的更高要求 提出了开发一档数控高效 滚齿机 是解决目前制齿发展面临的现实问题 同时也使我厂走出一条高效滚齿机 数控产业化发展之路 本文对国内 外数控高效滚齿机技术的发展进行了跟踪分析 结合企业和国 内现行数控滚齿机技术的发展水平 较为合理 科学地制定了数控高效滚齿机基 本性能参数 应用机电一体化理论知识对数控高效滚齿机重要动态性能参数进行 了分析计算 力求突出数控高效滚齿机的动态性能和动 静刚度的优化设计 同 时利用对滚齿机设计的专业知识和经验 对整机的基础元件进行了较为精确的设 计计算 并力求更加合理 经济 在对重要部件的结构设计上突出独创和创新点 以最大限度满足重载 高效的切齿条件 最后还对数控滚齿机的控制原理及数控 系统配置进行分析说明 并对数控高效的切齿工作精度及效率作了深入仔细的分 析对比 通过切齿检验认证 表明较成功地开发出了数控高效滚齿机床 本文作者作为课题负责人 参与了 YK3140 数控高效滚齿机设计制造的全过 程 为我厂数控高效滚齿机床的开发提供了切合实际设计应用方法 不仅能提升 产品的综合性能 更能做到产品性能价格比的优配 使产品具有自主核心技术的 优势 提高企业的竞争力 关键词 数控技术 数控滚齿机 数控高效滚齿机 重载 高效 机电一体化 工作精度 优配 英文摘要 III ABSTRACT The theme aims to develop apply and prove a new design method of gear hobbing machines on the base of CNC and mech electrical integration theories It tries to find a solution for equipment providers on the task of high efficiency CNC machines prodution A new model of high efficiency high speed and power CNC gear hobbing machine YKX3140 is successfully developed which has earned both profit and reputation The theme first analyzes the present production methods and equipment conditions of gear manufacturing industry Along with market competition and the trend of equipment replacement equipment with high accuracy and high efficiencyare much more required Comparing with international production of gear hobbing machines and in combination with domestic technology and production capability the theme reasonably and scientifically proposes machine s basic parameters Applying mech electrical integrationtheoriesitanalyzesandcalculatesmachine simportantdynamic performances and emphasizes machine s static and dynamic rigidities With professional know how and design experiences the author not only precisely calculated and designed machine s basic elements which also keep the balance between functions and costs but also developed unique constructions for key parts Through detailed comparison on machine s working accuracies and efficiency it concludes the success of design which is also proved by tested accuracies of workpieces The author is the project leader involving the whole process of the development and production of model YKX3140 This project provides machine manufacturers applicable design methods which not only increase machine s comprehensive performances but also keep the optimal price performance ratio Key word CNC technology CNC gear hobbing machine high efficiency CNC gear hobbing machine heavy duty high efficiency mech electrical integration working accuracy optimal price performance ration 1绪论 1 1绪论 1 1 YKX3140 数控高效滚齿机开发的背景和问题提出 自 20 世纪 80 年代后期以来 我国机床行业已朝着数控方面深入地发展 特 别是进入九十年代后 机床的数控化标志着机床行业进入了一个新的时代 北京 国际机床博览会统计数据表明 80 年代末第一届北京机床展览的数控机床仅为 5 比例 到 2003 年国际机床博览会上几乎除专用设备外全都为数控机床 作为齿轮 加工机床的数控滚齿机 我国自八十时代开发以来 无论从品种的类型上还功能 复合上都得到了长足的发展 特别是近十多年以来 以汽车工业为龙头的相关支 柱型产业更是把齿轮加工机床数控化发展推向了一个新的高度 其中尤其对数控 高效滚齿机的需求显得十分突出 重庆机床厂作为我国齿机机床生产的骨干企业 在 2000 年 瞄准这一市场的需求潜力 为填补国内高效 高速 高刚性数控滚齿 机床的空白 组织人力物力 在国内汽车行业 军工行业 进行了深入细致的调 查 于 2003 年将 YKX3140 产品开发成功 于 2003 年首次亮相于北京国际机床博 览会上展出 1 2 数控高效滚齿机开发的意义及必要性 随着载重汽车 工程机械 船开发 电梯及军工行业中对齿轮的加工精度 质量和效率的要求不断提高 特别是在这些行业中经常遇见 4 8 模数的直齿 斜 齿 花键 小锥度 鼓形齿轮等的加工问题 开发一档数控高效全新型滚齿机床 更好地满足该行业对齿轮的精度和效率的需求 为我国制齿行业提供坚实的基础 设备显得迫切而必要 其意义和必要性主要有如下几个方面 1 加速数控高效滚齿机床向产业化发展 目前在国内齿轮行业中 以轻型 标准类型普通数控滚齿机的产品占绝大多数 真正意义上的数控 稳定切削全面达到国标 7 级精度 高效 强力 高刚性 能实现 一刀切削中等模数的数控高精度滚齿机尚为空白 这档机床的研制成功 无疑会 加速数控滚齿机的系列化 标准化 模块化的进一步发展 从而推动数控机床在 制齿行业的产业化发展 2 全面提升企业的产品档次 开发数控高效滚齿机 有机地把数控技术 数控伺服系统及变频技术 与高速无 间隙切齿加工技术 工作台 刀架等无间隙结构 研发结合起来 各运动部件应用无 间隙的滚动导轨和预加负荷的滚珠丝杆使高速切齿实现无间隙和高刚性 这样的 数控高效滚齿机 国内尚无先例 如果这档数控高效滚齿机开发成功 将会使我 重庆大学硕士学位论文 2 厂的数控滚齿机的产品科技含量和档次越上一个新台阶 3 提高企业的市场竞争能力和经济效益 率先将独有的数控高效滚齿机的产品推向市场 不仅可以占有更大的市场份 额 提高竞争能力 而且在此制行业中带来巨大的市场利润 给后续的数控高效 的发展带动无尽的动力 4 进一步缩小设备与国外的差距 目前国内外齿轮加工机床行业目前已朝着高速 高效 高精度 全数控功能复 合 柔性 智能化 绿色环保制造网络化方面发展 以德国的 Liebher 利波海尔 公司 美国的 Gleasen pfauter Hurth 格里森集团 以及日本 Mitsubishi 三菱重工 等为代表世界著名的成套齿轮加工机床的制造商 均能生产高档数控滚齿机床 且对直径 150 320 规格的数控高效滚齿机床已形成批量化生产 我厂此产品设 计开发的成功不仅能缩小与国外滚齿设备技术水平的差距 而且也能打破国内制 齿设备无数控高效机床的局面 在一定程度上对外出口创汇 形成国产数控高效 制齿机床自主的核心技术 5 提高企业在国内外市场的声誉 数控高数型滚齿机的开发研制成功 并推向市场 可以提高企业在国内外市场 上的声誉 有助于企业实现品牌战略 形成数控高效滚齿机床的基地 更好地使 企业成为国内制齿设备技术的领头羊 6 体现了我国机床数控化发展的方向 现代先进制造技术的朝流是 数控化 信息化 高效和智能化 技术创新的 方法是机械技术与高新技术的融合创新 对齿轮别制造技术装备来说 表现为工 艺与装置一体化 加工与检测一体化 机械与控制一体化 软件与硬件一体化 需用信息化带动工业化 实现跨越式发展 数控高效机床的发展 不仅关系到我 国装备工业经济技术实力的增强 更好满足制齿行业实际的需求 打破国外技术 封锁的状态 同时也关系到国家战略的安全 担负着我国机床数控化发展的方向 的问题 因而对滚齿行业来说 发展和开发数控高数滚齿设备是当前行业装备的 重要而迫切的任务之一 1 3 市场需求分析 国内机械行业对中等模数以上 M4 M8 直径小于 400m 的圆柱齿轮需求量很 大 而目前各行业的主要齿轮加设备只相当于国外 20 世纪 60 70 年代的水平 虽 然少数企业也购买了进口机床 但价格昂贵 数量极其有限 且使用的成本较高 难以满足这些行业对产品变化的需求 目前迫切需要性价比高的数控高效滚齿机 床 以解决这些行业日益发展的瓶颈问题 据调查 齿轮行业现在有些企业正在 1绪论 3 实施或计划进行技术改造 资金投入少则 3000 万元 5000 万元 多则 1 亿 5 亿 元 主要用于购置各类齿轮加工专用设备和通用设备 据预测 2010 年前 齿轮 行业需要添置滚齿机 3000 3500 台 磨齿机 400 500 台 热处理设备 500 台 齿轮测量中心 200 台 此外在 9 万台的齿轮机床中 约有 5 万台服役超过 20 年 已经或将要报废 余下的 4 万台普通齿轮机床其中一部分也将进行数控化改造 本产品开发成功主要适宜的对象有 1 机车及重型汽车变速箱齿轮加工行业用户 2 工程及矿山机械行业中的齿轮加工用户 3 船泊工业中的齿轮加工及维修用户 4 高级电梯行业中的齿轮和蜗轮加工用户 5 国防 军工企业的齿轮加工用户 1 4 国内外数控高效滚齿机的现状及发展趋势 从 2001 2003 年北京国际机床展览会和 2002 年德国汉罗威国际机床展览来 看 以欧美 日等制造强国为代表的几大公司 L1ebherr Gleason Mitsubishii 展 出数控高效高速滚齿机床是几大公司的主流产品 他们均能进行批量化 系列化 标准化的生产 并具有较高的可靠性和市场份额 但在国内同档次产品尚属空白 虽然自上世纪九十年代以来 国内的数控滚齿轮有一个较大的发展和提高 但数 控滚齿机大都是在传统滚齿机的基础上进行数控化的改造 无论是从机床的整体 动 静刚性 还是从整机的传动精度 以及数控系统的可靠性等性能上看 总体 水平较为低档 真正意义上的全新设计的数控高效滚齿机正在起步阶段 至 2004 年底 据机床行业的数据统计 数控高效滚齿机的销量仅占数控机床 0 2 左右 目前国内外数控高效滚齿机的发展趋势是 高速 滚刀主轴 8000r min 以上 工 作台转速 800 转 r 高精度 可滚齿 5 6 级齿轮 全数控 六轴五联动以上 模块 系列化 直径 200 规格机型向 120 350 双向覆盖 绿色制造 干式滚切和冷风滚 切 网络化 多台滚齿机联网 因此 齿轮加工机床制造商正不断地为满齿轮加 工行业的新需求 提供高效率 高精度 环保 低成本和高可靠性和稳定性的精 良齿轮加工装备方向推进 1 5 本章小结 本章论述了国内外数控机床的发展现状 以及数控滚齿机国内的发展水平 指 出开发设计数控高效滚齿机不仅是齿轮加工行业发展的的一种需求 而且也是数 控技术和机电一体化技术相结合的必然产物 是制齿机床行业发展的一个方向 具有广阔的技术发展前景和市场拓展空间 2YKX3140 数控高效滚齿机总体设计 5 2YKX3140 数控高效滚齿机总体设计 2 1 总体设计要求 为了使 YKX3140 数控高效滚齿机适合汽车尤其是重型汽车 工程机械 船舶 工业等齿轮行业的需要 以满足 4 8 模数 一刀全齿深切削 稳定达到 GB10095 2001 的 7 级精度要求 YKX3140 数控机床的各项性能指标必须达到下列设计要 求 1 滚刀主轴速度范围能适应采用单 双头或多头滚刀进行高速 高效滚齿加 工 2 为了达到高速 高效的滚齿要求 滚刀刀杆采用自动夹紧 自动放松 以 及快卸螺母锁紧滚刀的刀架结构 3 刀架主轴的轴承结构需采用高刚性 高精度方式 其主轴轴承采用进口高 精度滚动轴承 主运动采用二级齿轮传动 未端应采用消除齿轮副间隙结 构的传动 以保证切削刚性 4 工作台应采用高精度的滚动轴承支承 用高精度的传动副实现高速转动 并有消除间隙及阻尼调节装置 5 各直线坐标轴 xyz 采用精密滚珠丝杆传动 丝杆支承结构可靠且采用 高精度 高刚性的组合轴承 各导轨副须采用高精度 高刚性滚动圆柱滚 子导轨 或矩形镶钢贴塑导轨 为实现高精度 大走刀量 高效率切齿提 供充分的保障 6 机床必须进行独立液压系统设计 保证液压油箱的液压及液位显示 液压 系统设有回油油温冷却器 7 机床必须采用独立的循环润滑系统及定量润滑系统 以分别润滑各运动执 行部件 并具有故障显示及报警功能 8 机床的布置及机械结构设计必须保证机床的热平衡 以提高机床适宜大批 量生产的能力 9 机床的电气控制系统符合 GB T522 61 1996 国家标准要求 电气系统具有 故障诊断功能 发生故障可以 CRT 显示故障号 具有安全保护功能 能够 在断电及发生故障时自动让刀避免碰撞 对整机的安全防护要求方面 全封密护罩使冷却油不外漏及飞溅 并保证操作者 安全 防护门的开闭与主轴启动联锁 所有轴和导轨上都有防护装置 安全进口 的油雾分离装置 净化空气 适应环保要求 重庆大学硕士学位论文 6 2 2 主要性能参数和确定 要设计和开发具有高效性能数控滚齿机 必须对数控滚机的主要性能参数进行 适当选取和科学的制定 这些参数包括 主轴最高转速 工作台最高转速 加工 最大模数 快速进给速度等 合理选择和确定主要性能参数是决定数控高效滚齿 机先进的技术水平重要指标 为此 必须对目前滚齿行业齿轮加工工艺进行必要 的调研和科学的分析 并加以合理的确定 根据调查 目前国内 以一汽大众 二汽东风神龙 大同齿轮厂 哈尔滨变速 箱厂 杭州前进齿轮箱厂为代表的汽车制造厂家 因种种原因在齿轮加工工艺上 仍较为落后 通常切齿速度大都在 60m min 以下 个别企业的仅能达到 70 80m min 内 且轴向进给量最大均在 2mm 工作台转左右 难以满足因产品种数多 产品增 加的需求 而且滚齿加工的单向精度和综合精度也仅能达到 7 8 级 GB10095 88 精度标准 随着这些龙头企业产品不断升级 以及载重汽车和客车的需求量不断 增加 以直径在 200 350mm 模数为 4 8 的齿轮需求量越来越多 齿轮加工 的精度要求稳定在 6 7 级需求越来越多 且工程能力指数大于 1 33 的要求成为机 床验收的重要指标 为此对机床的可靠性也提出更高的要求 国内现有的滚齿机 难以达到这一切齿要求 因而设计开发数控高效滚齿机的参数 必须满足这一国内机床新的要求 我 厂结合实际情况 提出的指标是 新型的数控高效机床性能必须达到切齿速度 80 120m min 高效切齿 轴向进给量在一刀全齿深度最大可达 3 5mm 工作台高速 切齿工艺 且切齿精度稳定达到 GB10095 2001 齿轮标准 7 级精度 2 2 1 主轴最高转速的确定 根据滚齿原理 滚刀主轴转速可按下式计算 n D V 1000 2 2a 式中 n 滚动的转速 r min v 切削速度 m min D 滚刀的外径 mm 故主轴最高转速 man n为 man n min 1000 D vman 2 2b 根据前述分析 且结合目前齿轮滚刀湿式加工的最高切削速度范围 80 120m min 取min 120 max mv 关于 min D的选取 根据国标 6083 85 标准 齿轮滚刀的基本型式和尺寸 2YKX3140 数控高效滚齿机总体设计 7 以及德国 DIN3968 标准齿轮滚刀的尺寸中 见表 2 1 表 2 2 综合实际的加工 考虑 我们取mmD70 min 将min 120 70 maxmin mVmmD 代入公式 2 2b 得 min 6 547 1000 min max max r D V n 取滚刀主轴最高转速为安全值min 500 max rn 表 2 1国标 GB 6083 85 标准齿轮滚刀尺寸参数 Tab2 1dimension parameters of standard gear hob for GB 型 型模数 mdmLDaminZKdmLDaminZK 132 1 25 63632750 40 22 1 5 1 75 7171 416 63 2 63 2 25 8080 32 71 2 5 2 75 9090 71 80 27 3 3 25 3 5 80 12 3 75 10010090 4 4 5 112112 40 514 90 100 5100100 32 5 5 125125 6 112112 6 5 4 7 0 140140 50 118 8160160125132 9180180140150 40 10200200 60 512 16017050 5 10 dm滚刀外径 L滚刀长度 D滚刀内径 amin滚刀轴肩最小宽度 ZK滚刀刀刃数 重庆大学硕士学位论文 8 表 2 2德国 DiN 标准滚刀尺寸参数 Tab2 2dimension parameters of standard gear hob for DIN 2 2 2 工作台最高转速的确定 在齿轮加工中 除了滚刀的转速之外影响加工齿轮的效率的第一重要因素是 工作台的转速 随着多头滚刀的广泛使用 更多的制约加工效率的因素就反映到 工作台的极限转速上来了 滚齿机的工作台主要采用精密蜗轮副传动 其极限转 速受蜗轮蜗杆的相对滑移速度以及蜗杆的材料及润滑条件等限制 由蜗轮蜗杆的 啮合图 2 1 可知 sincos 21 vv vs 2 2c 1 v 11d n 2 2d ty 1 d mk 2 2e 2YKX3140 数控高效滚齿机总体设计 9 2 1 传动比i k Z n n z 2 2f 1 v 蜗杆分度圆速度m min 2 v 蜗杆轴向速度m minn2 s v 蜗轮到的滑移速度m mind2 蜗杆分度圆导角度 1 n 蜗杆的转速r minn1d1 1 d 蜗杆的分度圆直径mm k 蜗杆的头数 m 蜗杆的轴向模数mmV2 2 n 蜗轮的转速r min s v V1 将公式 2 2 c 2 3f 转换 整理得 图 2 1蜗杆传动相对滑移速度图 Fig2 1sliding speed between cylindrical worm gear and wormwheel n1 1 cos d vs 2 2g 2 1max z k nnz 2 2h 提高工作台极限转速 应降低蜗杆的实际相对滑移速度或提高极限滑移速度 具体措施为 1 利用小直径 多头蜗杆结构参数 降低相对滑移速度 以有效提高解决蜗 轮工作台转速 2 采用国内新型材料的铜合金具有专利生产的 kk 合金 有效地提高极限滑 移速度 此合金材料相对滑移速度可达 8 9m s 取 smvs 9 8 max m mm6 k 2 mmd70 1 蜗轮滚齿数83 2 z 得 min 83 51 2 1max r z k nnz 取工作台最高转速为 50r min 转为合理 2 2 3 径向进给和轴向进给的快速确定 数控高效滚齿机不仅要提高切削的刀具转速的高速性 工进速度 大走刀量 重庆大学硕士学位论文 10 以及工作台转速 而且在进行切齿加工时各伺服轴的快进速度也是提高切齿效率 的重要组成部分 如果快进速度过慢 则辅助时间加长 直接影响加工效率 但 如快进速度过高 则滚齿机运动部件的速度变化较大 难以进行惯性的匹配 运 动精度难以保证 且各轴的伺服电机选择的额定功率或扭矩过大 造成能量和成 本的浪费 因而合理设计各轴的快速进给速度是确保数控高效机床综合性能的重 要指标 一般普通数控滚齿机的快速速度为 轴向快速 V轴 500 600mm min 径向快速 V径 600 800mm min 切向快速 V切 100 150mm min 数控高效滚齿机的快速进行速度为 轴向快速度1000 5000 mm min 径向快速度1000 5000 mm min 切向快速度500 1500mm min 参考上述国内外滚齿机的快进速度的大小 并考虑到快进速度占整个滚齿时间 的比例毕竟有限 本文的 YKX3140 数控高效滚齿机的最大快移速度取为 V轴 1000mm min V径 1500mm min V切 1500mm min 2 2 4 最大加工模数的确定 数控高效滚齿机必须确定它的极限 以便能确定机床的加工能力 此参数的确 定和适应的加工范围 为了一刀切齿直径在 200 350 模数在 4 8mm 稳定 达到全面 7 级精度要求 该机床的最大加工模数可根据数控滚齿机技术条件 以 及相应数控滚齿机的精度标准中规定 由对机床的最终工作精度进行重切和精切 的切削规范所决定 即精切试坯参数 dp1 d 3 2 2 4a mp1 m 3 1 2 4b d 最大加工直径 m 最大加工模数 dp1 试件的分度圆直径 mp1 试件的加工模数 重切试坯的加工模数 mp2 一般取最大加工加工模数的 5 4 即 2YKX3140 数控高效滚齿机总体设计 11 mp2 m 5 4 2 4c mp2 重切削试坯模数 由上述分析综合确定 12 15 模数为此数控机床的最大加工模数 考虑到 m 12 以上的模数在重型汽车和重型机械及相关行业的传动箱中已较少见 最大模数取 最高线值 还会增加主电机功率以及加大安装最大模数的装齿刀尺寸 因而实际 最大加工模数取为 12mm 表 2 5a滚齿机各大厂家主要参数对照表 同规格加工直径在mm400 Tab2 5amajor parameters of production of gear hobbing machine for 400mm 型号 规格 单 位 凤凰 400GH P400LC382GD40400HKA400KL450YKX400 最大加工 直径 mm 400 450 400380400455400450400 最大模数mm1212788512 加工齿数22 9994 1000208 200 最大轴向 行程 mm 400 600 350 600 350400 230 55 0 300400 径向行程mm275 切向行程mm180210200180180220220200 工作台最 高转速 rpm 300 齿轮副 300 齿轮副 350 齿轮副 300 齿轮副 150 齿轮副 50 蜗轮副 35 蜗轮副 50 蜗轮副 滚刀最大 设定角 度 45 45 45 45 45 45 45 45 刀架旋转 角 度210 45 12 0 4545 滚刀速度 范围 rpm 100 10 00 30 300 80 80 0 80 800120 75080 60050 66775 300100 500 滚刀直径 长度mm 160 240 240 400 152 178150 200 125 15 0 200 240 最小 最 大滚刀与 工件中心 距 mm 35 310 30 35025 4 30530 33030 30035 310 最小 最 大工作台 面与滚刀 距离 mm 75 600 320 720 重庆大学硕士学位论文 12 续上表 最小 最 大工作台 面到尾架 距离 mm203 1320290 650325 625600 1100 最大窜刀 行程 mm152150100180 工作台直 径 mm220203420450450 滚刀心轴 直径 mm 30 40 50 8240 50 60 工件主轴 速度 Rp m 1 75 5 150 1 50 轴向进给 速度 Mm min 60001000 径向进给 速度 100001500 切向进给 速度 12001500 刀架电机 功率 KW32 4515 机床尺寸m 2 2x 3 3x 3 3 2 754 2 365 2 6 80 2 350 1 450 2 1 65 3 2 2 4 2 75 机床重量Kg26 00090004300Kg1500 2 3 YKX3140 数控高效滚齿机的总体布局设计 数控滚齿机的总体布局的设计 不仅关系到各大部件之间有机的联系和机床 美观性 同时也影响使用的实用性和方便性 以及制造工艺性和维修的方便性 设计时应考虑的原则是 1 机床外形美观 大方 符合人机工程学 2 便于制造和维修 安装 3 有利于各 企业 厂家的自动线的物流运输 4 有利于机械手等功能部件的配置 5 有利于包装和运输 YKX3140 数控高效滚齿机总体布局图方案 2YKX3140 数控高效滚齿机总体设计 13 A 方案B 方案 悬挂式操作站嵌入式操作站 C 方案D 方案 图 2 6aYKX3140 数控高效滚齿机总体布局方案图 Fig2 6ageneral design fashiog compare for YKX3140 CNC gear hobbing machine A 方案 布局合理 各功能部件独立 但不利于生产自动线的物流输送 B 方案 布局直观 但不利于增加自动机械等级料仓的设计 C 方案 解决上述不足之处 但以悬挂式操纵站会使包装箱设计过于宽大或包 装需分为几箱 不利于运输安全和机床安装调试 D 方案 操作置于全封闭防护置内 结构紧凑 对运输及包装方便 对物流及 配置机械手及料仓均能较好的适应 综合上述分析 本项目 YKX3140 滚齿机的总体布局最后采用 D 方案 电气箱及操作站 液压站 冷却及排屑 大立柱小 立 柱 工作 台 电气 箱及 操作 站 液压站 冷却及排屑 大立柱小 立 柱 工作 台 冷 却 排 屑 大立柱小 立 柱 工作 台 电气箱 液 压 站 冷 却 排 屑 小 立 柱 大立柱 工作 台 电气箱 液 压 站 重庆大学硕士学位论文 14 2 4 本章小结 本章提出了设计开发数控高效滚齿机的总体设计要求 包括了机械 电气 液压等各个部分 在此基础上 进行了主要性能参数设计及机床布局设计 主要 性能参数指标确定的高低 标志着开发机床的性能水平高低 因而合理制定机床 的主要参数是开发数控高效滚齿机的关键 3普通滚齿机加工原理及数控滚齿机加工原理 15 3普通滚齿机加工原理及数控滚齿机加工原理 3 1 普通滚齿机加工原理 2 3iv B1 4B2A 710 5689 ixis A 直线运动 B 旋转运动 传动比换置器符号 图 3 1滚切直齿圆柱齿轮的加工原理图 Fig3 1cutting principle of cylinder gear for mechanical gear hobs 普通滚齿机加工原理可用图 3 1 表示 根据展成法加工原理 滚刀转一转 工 件必须严格地转 K Z 转 其中 Z 为被加工齿轮的齿数 k 为滚刀的头数 从图 3 1 中可以看出 必须保证 B1和 B2之间的严格传动比关系 这条传动链简称滚齿的内 链 在图中该内链的传动路线为 B1 4 5 ix 6 7 B2 工件 而形成直线导 线的运动则是滚刀架沿工件轴线方向的垂直进给运动 即 工件 7 8 is 9 10 刀架升降丝杆 刀架 此外滚刀的旋转及调速由主传动链电机 1 2 iv 3 4 B1提供 因而要进行加工圆柱齿轮所需传动链至少有三个链 即一个展成运 动内链 两个执行简单运动的外链 3 2 数控滚齿机的加工原理 电机 重庆大学硕士学位论文 16 B1 B2A A 直线运动 B 旋转运动 图 3 2数控滚齿机的加工原理图 Fig3 2cutting principle of cylinder gear for CNC hobs 数控滚齿机的加工原理如图 3 2 所示 其内链 B1与 B2传动比关系仍然遵循展 成法加工原理 但数控滚齿机严格传动比关系不是通过调整机械传动比来实现 而是通过数控技术的 电子齿轮箱 来严格保证 实现展成运动 A B1 B2 运动分别用单独的伺服电机进行控制 它们之间没有任何机械的联系 而由数控 系统进行计算控制来实现滚齿展成加工 3 3 数控高效滚齿机 YKX3140 的坐标轴分析及产品系列 YKX3140 数控滚齿机是我厂重点开发的系列数控滚齿机 其开发的设计思想 是为了满足市场的不同需求而设计出三 六轴数控系列产品 以满足不同行业 不 同的企业的各种档次需求 自 2000 年到 2002 年以来 我厂为产品的设计作了大量的市场调查 目前由于 价格等原因 国内对高档次的五 六轴数控滚齿机的需求仅限于少数的大企业 而三 四轴的中档数控高效滚齿机的需求与日俱增 特别是许多中型及专业齿轮 制造厂家对中型三 四轴数控滚齿机倍加亲睐 基于目前市场的需求和数控滚齿 机将向全数控方向发展的原因 我们必须要进行从三轴至六轴的可重新组合的设 计统一 以适应产品的升级和多样化 YKX3140 数控强力滚齿机正是在这市场背 景下利用模块化的设计方法设计出的基型数控高效滚齿机 这也是此款机床最突 出的亮点 同时也找到了一条适合于中国数控滚齿机的发展之路 伺服主轴电机 伺服电机 伺服电机 3普通滚齿机加工原理及数控滚齿机加工原理 17 表 3 1YKX3140 数控高效滚齿机数控轴三到六轴系列产品 Tab3 1seires preducttion 3asix 6 asix of YKX3140 high efficiency CNC gear hobbing machine 型号数控轴备注 有元电子齿轮箱 数控轴说明 YKX3140 X 轴 Y 轴 Z 轴 三轴 基准型产品 电子齿轮箱功能 X 轴 径向进给直线运动 Y 轴 切向进给直线运动 Z 轴 轴向进给直线运动 YKX3140 CNC4 X 轴 Z 轴 B 轴 C 轴 四 轴 配电子齿轮箱功能 X 轴 径向进给运动 Y 轴 切向进给运动 B 轴 滚刀主轴旋转运动 C 轴 工作台旋转运动 YKX3140 CNC5 X Z 轴 Y 轴 B 轴 C 轴 五轴 配电子齿轮箱功能 X 轴 径向进给运动 Y 轴 切向进给运动 Z 轴 轴向进给直线运动 B 轴 滚刀主轴旋转运动 C 轴 工作台旋转运动 YKX3140 CNC6 X 轴 Y 轴 Z 轴 A 轴 B 轴 C 轴 六轴 配电子轮箱功能 X 轴 径向进给运动 Y 轴 切向进给运动 Z 轴 轴向进给直线运动 A 轴 刀架转角运动 B 轴 滚刀主轴旋转运动 C 轴 工作台旋转运动 为了开发出以上具有不同数控轴的高效滚齿机 不必对每种产品进行单独的设 计 而在于精心设计出其基型产品 将基型产品进行不同方式的模块组合来构成 不同功能的其他数控高效滚齿机 以解决产品的设计和制造周期 成本之间的矛 盾 同时也能最大限度地满足不同用户各种生产模式的需求 因而对于基型产品 的设计就显得特别重要 不仅要满足基型产品的各种功能的设计要求 同时更应 考虑到不同产品之间的重组设计 基于这一设计思想的要求 本文重点论述的是 标准 基型 数控高效滚齿机 YKX3140 的设计过程和计算 此产品的特点是它的直 线运动为数控轴 展成运动为机械 作为数控与机械的结合 机械设计相对较为 复杂 各种结构与相关的模块较多 能集中体现机电统一模块化设计的思想 重庆大学硕士学位论文 18 3 4 YKX3140 数控高效滚齿机传动系统图 图 3 3YKX3140 数控高效滚齿机传动系统图 Fig3 3motion system of atransmission YKX3140 high efficiency CNC gear hobbing machine 3普通滚齿机加工原理及数控滚齿机加工原理 19 3 4 1 YKX3140 数控高效滚齿机传动元件参数 表 3 2YKX3140 数控高效滚齿机传动元件参数表 Tab3 2components parameters for YKX3140 high efficiency CNC hobbing machine 序 号 名称参数 精度 等级 材料 热处 理 1 摆线减速器 XLEDO 09 00 1 187 0 09KwN 1450r min 1伺服电机22Nm2000r min 2齿轮M 2 Z 31 06c40 CrG52 3齿轮M 2 Z 31 06c20Cr渗碳 4滚珠丝杆FYND8010 62 级GCr15 5直线导轨块45P 1851 422 10 6斜齿轮 M 4 5 Z 95 4 18 44 右 8c40 Cr氮化 7油缸 8蜗杆M 4 5 K 1 15 右8b42CrMoG48 9分度蜗杆M 6 K 2 15 右3 级 38CrMoAl A 氮化 10齿轮M 2 5 Z 36 05 级40 CrG52 11双蜗轮 M 6 Z 83 15 D 498 3 级ZQSn10 1 12阻尼蜗杆M 6 K 2 15 左4 级 38CrMoAl A 氮化 13齿轮M 2 5 Z 36 05 级40 CrG52 14夹紧油缸RL 100N 15蜗轮M 4 5 Z 36 15 6 7 7 d ZQSn10 1 16蜗杆M 4 5 K 2 15 右6 级40 CrG48 17弧齿锥齿轮M 4 5 Z 33 20 左6d40 CrG48 18弧齿锥齿轮M 4 5 Z 22 20 右6d40 CrG48 19齿轮M 3 Z 30 06 级40 CrG48 20齿轮M 3 Z 30 06 级40 CrG48 21蜗杆M 4 5 K 3 15 右6c40 CrG48 重庆大学硕士学位论文 20 续上表 22弧齿锥齿轮M 4 Z 30 20 右6 7d40 Cr氮化 23弧齿锥齿轮M 4 Z 30 20 左6 7d40 Cr氮化 24滚珠丝杆FYC2D8010 72 级GCr15G58 25伺服电机30Nm2000r min 26蜗轮M 5 5 Z 25 15 6dZQSn10 1 27蜗杆M 5 5 K 2 15 右5c20Cr渗碳 28弧齿锥齿轮M 4 Z 30 20 右6 7d40 Cr氮化 29弧齿锥齿轮M 4 Z 30 20 左6 7d40 Cr氮化 30齿轮M 3 75 Z 48 05 6d40 CrG48 31齿轮M 3 75 Z 24 05 6d40 CrG48 32蜗轮M 4 5 Z 36 15 6 7 7 d ZQSn10 1 33齿轮M 3 Z 45 06 级40 Cr 34齿轮M 3 Z 27 05 640 Cr 35齿轮M 3 Z 51 06 级40 Cr 36齿轮M 3 Z 45 06 级40 Cr 37伺服电机22Nm2000r min 38主电机YP50 15 6 39弧齿锥齿轮M 4 5 Z 27 20 右6b20Cr渗碳 40弧齿锥齿轮M 4 5 Z 27 20 左6b20Cr渗碳 41小皮带轮D节 224HT200 42大皮带轮D节 315HT200 43滚珠丝杆FYND8010 62 级GCr15 44直线导轨块55P 1853 532 10P 级GCr15 45小齿形带轮Z 16 D节 48 5145调质 46大齿形带轮Z 32 D节 97 0245调质 47小斜齿轮 M 4 Z 24 13 24 43 左 4c20Cr渗碳 48大斜齿轮 M 4 Z 83 13 24 43 右 4c40 CrG58 49弧齿锥齿轮M 4 5 Z 27 20 右6b20Cr渗碳 50弧齿锥齿轮M 4 5 Z 27 20 左6b20Cr渗碳 3普通滚齿机加工原理及数控滚齿机加工原理 21 3 5 本章小结 本章论述机械式滚齿机和数控滚齿机加工的工作原理以及这两种机床的主要 区别 同时对数控高效滚齿机 YKX3140 的设计思想作进一步的阐述说明 提出数 控高效滚齿机 YKX3140 从三 六轴控制的重组设计理念 并拟定了基型产品初步 传动系统图及传动元件参数 4YKX3140 数控滚齿机主要参数的设计计算 23 4YKX3140 数控滚齿机主要参数的设计计算 4 1 主电机功率的设计计算 数控滚齿机最主要功率参数之一就是主电机的功率 如果主电机的功率选择 过大 将使机床的结构设计更为困难且机床过于笨重 如果主电机功率选择过小 难以满足高速 高效强力切齿 影响机床的整体性能 4 1 1 滚齿机主运动电动机的功率 P主 根据机床设计理论 有 P主 P切 P空 P辅 4 1a 式中 P切 消耗于切削的功率 又称有效功率 KW P空 空载功率 KW P辅 载荷附加功率 指随载荷而增加的机械摩擦损耗功率 KW 4 1 2P空的计算 机床主运动空转时 由于传动件的摩擦 搅油 空气阻力等原因 电动机要 消耗一部分功率 其值随着传动件转速增大而增加 与传动预紧程度及装配质量 有关 中型机床主传动空载功率可按下列实验公式计算 P空 95500 主 平均 ni Cn kd 4 1b C C1 平均 主 d d 式中 d平均 主运动系统中除主轴外所有传动轴轴颈的平均直径 cm i n 除主轴外各轴的转速和 r min 主 n 主轴转速 r min k 润滑修正系数 k 30 50 润滑情况好时取小值 主 d 主轴前后轴颈的平均值 cm C1 主轴轴承系数 4 1 3 P辅的计算 机床切削时 由于传动件的正压力加大 则摩擦损失将增加 因而 P辅随 P切 重庆大学硕士学位论文 24 的变化而变化 P辅 机 切 P P切 4 1c 式中 机 1 2 1 2 为主传动系统中各传功副的机械效率 将公式 4 1c 代入 4 1a 中得 主 P 机 切 P P空 4 1d 式中 机 机床总机械效率 机 0 7 0 85 主运动为回转运动 或 机 0 4 0 7 主运动为直线运动 显然从公式 4 1b 中可以看出 在滚齿机结构尚未确定时 P空的计算有较大的 的难度和不确定性 因而实际中按照我厂长期以来所总结的经验公式来计算 P空 即 当主轴转速 n 250 r min 时 P空 66 0 056 0n 5 0 175 0 250 n vi 4 1e 当主轴转速 n 250 r min 时 P空 66 0 056 0n 175 0 i v 4 1f 式中 i v znDi m min i D 分度蜗轮节圆直径 m Z 分度蜗轮齿数 4 1 4 切削功率 P切的计算 60000 kw vF P Z 切 4 1g 式中 z F 最大切削力 N V 切削速度 m min 由于滚齿机的切削力计算是较为复杂 主切削 Fm与切削的模数 切削速度 垂直进给量 齿轮材料螺旋角 吃刀深度 滚刀头数和齿形修正系数等因素都有 关 主切削力计算公式都是经过长期的试验研究总结归纳而得 其中德国普发特 公司提出的主切削力经验公式较具有代表性和完整性 4YKX3140 数控滚齿机主要参数的设计计算 25 max F 2000 35 0 0 65 0 6 07 028 0 012 015 08 095 0 kgfCe Aiv CgetSM w Zan 4 1h 式中 n M 法向模数 mm a S 轴向进给量 mm r T 吃刀深度 削切深度 100 2 25 法向模数 i 滚切深度 T t 2 25 n M V 切削速度 m min I 滚刀沟槽数 w C 工件材料系数 A 滚刀系数 滚刀半径 法向模数 齿形修正系数 Z 工件齿数 0 Z 滚刀齿数 螺旋角 度 g C 滚刀头系数 表 4 1滚刀头数系数表 Tab4 1corrention factor of number of threads of hob 滚刀 头数 1 0 z2 0 z3 0 z4 0 z 系数 0 1 01zCg 0 1 02 0zCg 0 1 03 0zCg 0 1 04 0zCg 另外我厂根据经试验总结 也提出了如下滚刀最大力矩计算公式 1 9 37 026 081 065 075 1 max NmKKKZVTsmM 螺硬材 4 1i 最大切削力 maxmax max max 3 2 2FF D M F 静 取最大静载力 式中 m 法向模数 mm D 滚刀半径 重庆大学硕士学位论文 26 S 轴向进给量 mm r 材 K 工件材料系数 T 吃刀深度 mm 螺 K 螺旋角修正系数 Z 工件齿数 硬 K 工件硬度系数 比较公式 4 1h 与公式 4 1i 可知 公式 4 1h 较完整包括了影响切削滚切力的 所有因素 而公式 4 1i 未考虑滚刀头数 刀齿槽数 齿形修正对最大滚切力的影 响 仅适用于单刀滚刀的切削力计算 而对于 YKX3140 数控高效滚齿机而