铣床主传动箱齿轮副断齿的分析及对策.pdf

改装与维修 铣床主传动箱齿轮副断齿的分析及对策 四川柴油机厂 赵 虎 赵树忠 摘要 运用改变传动路线的斜齿轮 电磁离合器变速方案 以提高主轴计算转速 降低其计算扭矩 获得齿 轮节圆处计算接触应力的减小 增加齿轮副的重合度 提高传动平衡性 消除齿轮疲劳裂纹断齿现象 关键词 X53T 铣床 断齿 接触应力 电磁离合器 上海某厂生产的 X53T 含 X63T 铣床 由于具有 较大的主传动功率 较宽的调速范围 刚性好及操作方 便等特点 广泛地被国内各机械加工行业所选用 但该机床主传动箱中齿轮副断齿现象 是长期存 在的主要问题 以我厂数台 X53T 铣床为例 其主传动 箱的齿轮副均出现过断齿 由于断齿而顶弯 轴现象 时有发生 给使用单位生产和维修带来不少麻烦 1 断齿的原因 经过多年来对该型铣床主传动箱失效损坏的齿轮 进行统计和断面切口进行显微观察与分析后发现 断 齿均出现在主传动轴 的输入及输出齿轮副中最薄弱 环节的齿轮上 其断面切口均呈疲劳裂纹 并有较为严 重的齿面点蚀 它均布在靠近节线的齿根间齿面上 为 此 我们分别对其接触应力进行计算 1 输出齿轮副 降速档的齿轮节圆处 H 1016MPa 齿根圆处 f H 1394MPa 升速档齿轮副节圆处 H 1568MPa 齿根 圆处 f H 1448MPa 2 输入齿轮副 u 17 50 小齿 轮的节圆处 H 1877MPa 齿根圆处 f H 2588MPa 从计算结果看出 它均超出该齿轮所选用材料 40Gr 齿部G52 的许用接触应力值 H P 1249MPa 而其断 口所呈现的疲劳裂纹 是在机床重载高速断续切削过 程中 对于较难切削的合金钢材料尤为突出 机床主 传动系统的巨大撞击 使其齿面承受着过大的冲击负 荷 甚至瞬时冲击负荷值超过齿轮材料极限应力值 使 轮齿上的裂纹不断地扩展和延伸 能看到与在负荷作 用下的循环次数相对应的裂纹延展波纹 最后当裂纹 达到临界尺寸时 轮齿发生瞬时折断 且当主轴以一定 转速旋转时 若要停车 系统在回转件惯性力的作用 下 制动时必然会出现剧烈的冲击 从而使处于啮合齿 轮的齿间引起激烈的撞击 而导致齿轮断齿 安装在 轴上的双联齿轮 Z1 17 和 Z2 26 经计算齿面接触 应力并不算过高 但仍出现断齿现象 2 解决措施 2 1 提高主轴计算转速 从铣床的主传动系统转速和级比图 图 1 中可以 看到 有 4 级重复转速 112 224r min 铣床在变速 机构设计时 系利用齿数比 u 45 20 变速组满足其要 求 这时传动轴 的计算转速为 67r min 在机床电机 功率一定的前提下 传动轴的计算扭矩与转速成反比 因此 在主轴计算转速范围内 传动轴处在较高的转速 下工作为好 若采用齿数比 u 17 48 的齿轮副满足其 要求 这时传动轴 的计算转速为 168r min 其计算 扭矩降至 568N m 使 轴的传动刚性明显增强 图 1 原主传动系统转速和级比图 从铣削刀具材料发展情况表明 切削速度都有普 遍提高的趋势 因此对主传动系统的改装设计时 将主 运动转速作适当的调整 规定其最低转速 n 30r min 最高转速 n 2000r min 其定比传动机构齿数比 u 27 53 变速机构组均保持原结构形式 不作更大的 34 制造技术与机床 动比 uh2降低84 1 压强比 2降低34 2 而且大 小齿轮滑动比及压强比差值甚微 近似相等 它将对齿 轮副的抗磨损能力 抗疲劳剥伤及抗弯曲折断等都较 直齿有较大的改善 尤其是小齿轮更为显著 定比传动齿轮副的传动质量指标计算对比值列于 表 3 改进后斜齿传动的总重合度 增加 39 6 滑 动比uh1降低 56 9 压强比 1降低 17 5 主 要是 重合度 增加较多 提高了齿轮传动平稳性 并可适 当增大装在齿轮轴端联接器的孔径及传递扭矩键的切 面 将有效地克服其受冲击负荷而使键及键槽侧受损 坏而失效 斜齿轮传动在啮合过程中 轮齿沿法向综合刚度 表 3 定比传动齿轮副传动质量计算对比值 传 动 种 类 传 动 质 量 指 标 重 合 度滑 动 比压 强 比 uh1uh2 1 2 直齿高度变位齿轮传动 21 65 1 621261 621261 49540 46291 34850 8655 斜齿圆柱齿轮传动 27 53 1 48560 77872 26430 64480 63941 11280 948 比较结果 0 1357 0 7787 0 643 0 8506 0 1765 0 2357 0 0825 变化近似为正弦波的周期函数 直齿轮近似为矩形波 因此斜齿轮刚度变化比直齿轮小得多 相对其啮合冲 击也会减少 选取斜齿轮螺旋角 20 当其重合度 2 时 由于弹性变形和误差而使被动齿轮相对于主 动齿轮的滞后量的变化就趋于常数值 这时齿轮本体 就不产生振动 所以传动轴 间选用斜齿 电磁 离合器变速传动 对主传动系统极为有利 它将有效地 减小断续切削时所引起床身的剧烈振动 2 3 改用双向推力角接触球轴承 铣床主轴结构见图 4 上半部分为原结构 两对 8120型单向推力球轴承装在薄壁套 3 7mm 上 用圆螺母 1和 2分别对径向和轴向轴承预加负荷 由 于轴承的预加负荷很大 薄壁套 3 的变形相当严重 致 使主轴旋转精度不稳定且难于调整 图 4 主轴部件装配图 上半部为原结构 下半部为改后结构 1 2 圆螺母 3 薄壁套 4 衬套 5 中间隔套 单向推力球轴承的接触角是 90 它对螺母端面 与螺纹的不垂直度非常敏感 而且回转时离心力必然 使钢球向外甩而偏离滚道 从而使主轴的动刚度和动 精度明显降低 图 4 的下半部分为改造后的主轴结构 采用 60 接 触角 C2268120K 双向推力角接触球轴承 另加一个 衬套 4 轴承预加负荷大小是靠中间隔套 5 的宽度尺 寸所控制 这就保证了可以用螺母 1 按径向轴承及轴 向轴承的不同要求来预加负荷 同时这类轴承的接触 角是 60 钢球不会因回转时离心力而偏离滚道 经使 用证明 这类轴承的主轴装配调整简单 具有动刚度 高 精度稳定且保持性好等优点 3 改造后机床的综合性评价 原铣床主传动箱 轴输出齿轮副 轴输出和输 入齿轮副的主要失效原因为疲劳断齿 所以仅对其节 圆和齿根圆处齿面接触强度计算 按渐开线圆柱齿轮 承载能力 GB3480 83 中规定的计算方法进行 其计 算值列于表 4 从表 4 可以看出 改前 轴输出齿轮节圆计算接 触应力 略超过材料许用值 而改后由于定比机构齿数 比的改变 使 轴转速由 468r min 提高到 739r min 则节圆处的接触应力降低 22 其值在材料许用值的 范围内 原 轴输入齿轮副 u 17 50 节圆计算接触应力 1877MPa 超过材料许用值近 0 5 倍 改后 轴输入齿 轮副 u 31 36 的计算接触应力 908MPa 是材料许 用值的 0 73 倍 轴输出齿轮副 u 41 20 的计算接 触应力 547MPa 是材料许用接触应力值的 0 44 倍 是改前的 0 35 倍 综合齿轮副各类计算结果及对比性试验 可得出 以下综合性评价 经改后主传动系统的齿轮副 其节圆 处计算接触应力明显低于其所选用材料许用值 较好 地解决了其薄弱处齿轮副的疲劳断齿及齿面点蚀现 象 并使其传动平衡性得以显著改善 齿轮的工作寿命 得以明显延长 在 轴间电磁离合器的变速机构 同时也是 主传动系统的制动装置 它是利用在不同传动路线上 的两个离合器同时瞬间工作的方式 使 轴和 轴的 离合器摩擦片间产生相对滑动 由打滑所作的摩擦功 36 制造技术与机床 ABSTRACTS 轴降速齿轮副被动齿轮与电磁离合器 DLM5 25C 图 3 轴间电磁离合器安装位置图 1 降速齿轮 2 升速齿轮 3 输入齿轮 外片联接件装在一起 由于 轴的大 小齿轮的旋转方 向相同 当 轴上电磁离合器接通 轴上电磁离合器 断开时 以主轴最高转速进行计算 检查其空转时内 外摩擦片的相对转速是否小于摩擦片的许用相对转速 值 经计算 DLM5 25C 的主 被动侧的相对转速为 2188r min 没有 超过 其摩 擦片 许 用相 对转 速 值 2200r min 2 2 改直齿传动为斜齿传动 针对 X53T 铣床在重载高速断续切削条件下 主 传动系统齿轮副经常有巨大的撞击 使床身有较强的 振动及齿根处接触应力偏高 而导致齿面点蚀和裂纹 不断延伸的不良现象 将原机床 传动轴间 轴 输出直齿圆柱齿轮副改为斜齿 20 2052 高度变 位圆柱齿轮传动 同时也将定比传动齿轮副改用斜齿 21 5289 标准圆柱齿轮副 其相关的传动质量指 标计算对比值列于表 2 改进后 降速档齿轮副的总重合度 增加 53 7 滑动 比 uh1降 低 83 8 压强 比 1降 低 14 7 升速档齿轮副的总重合度 增加 35 9 滑 表 2 轴输出齿轮副传动质量指标计算对比值 传 动 种 类 传 动 质 量 指 标 重 合 度滑 动 比压 强 比 uh1uh2 1 2 直齿高度变位 齿轮传动 降速 17 48 1 5441 5444 79180 75641 3720 8802 升速 45 20 1 64631 64630 95809 70570 92351 7293 斜齿高度变位 齿轮传动 降速 17 44 1 38390 98962 37350 77580 81741 17030 9006 升速 41 20 1 42390 81362 23752 02461 5400 95671 1372 比较结果 降速 0 1601 0 9896 0 8295 4 016 0 061 0 2017 0 0204 升速 0 2227 0 8136 0 5912 1 0666 8 1637 0 0332 0 5921 35 1998年第 1期 表 4 齿面计算接触应力值 项 目定比机构 轴输出 轴输入 轴输出 降 速升 速 备 注 改 进 前 改 进 后 齿 数 比 节圆 齿根圆 接触应力 M Pa 齿 数 比 节圆 齿根圆 接触应力 M Pa 21 6517 4017 5017 4845 20 1420187710161568 1915258813941448 27 5317 4031 3617 4441 20 1110908598547 12351233700523 齿轮所用材料为Cr40 齿面高频淬火 许用接触 应力值 1249MPa 来消耗系统惯性能量而起制动作用 制动摩擦功在整 个制动过程中 两个离合器的摩擦片均有打滑作用 共 同负担制动摩擦功 相互交替作用而出现均化过程 因 此离合器发热与磨损就较为均匀一致 不会出现摩擦 片过热现象 且这种制动形式电磁离合器距主轴位置 较近 它对降低整个系统的制动冲击较为有利 可缩短 制动时间 省去专用制动器 简化传动结构 改后机床的主传动系统 建议使用 N320 中极压 工业齿轮油 使油膜在工作时不会受到破坏 4 结束语 在机床结构受到限制的条件下 利用斜齿高度变 位齿的技术措施 解决该类型铣床主传动箱齿轮副断 齿现象较为合理 在主传动末端选用斜齿轮 电磁离 合器变速机构传动 以减小重载高速断续切削时附加 的振动和冲击力是较为理想的方法 由于计算转速传 动路线的改变 使传动轴 的计算转速增至 269r min 它是解决传动轴刚性不足的切实有效措施之一 在使用多片式电磁离合器传动中 可利用在不同传动 路线上的两个离合器同时瞬间工作的方式实现系统制 动 它可使制动摩擦功均化 比使用专用制动器的发热 要低和磨损均匀 也使结构简化 我厂在该类型铣床主传动箱上采用此种方法改装 后 其设备长期以来运转正常 再无断齿现象发生 使 机床的维修费用显著降低 提高了劳动生产率 取得了 良好的经济效益 第一作者 赵 虎 重庆江津四川柴油机厂技术中 心 邮编 632284 收修改稿日期 1997 08 11 上接第 32页 安装一根变径套管 图 5 变径套管的壁厚为2mm 其 内径 I 与送料导管的内径一致 A 与主轴的内径 一致 套管与导管应有同样的根数 3 5 夹紧方式 采用弹簧卡头夹紧 图 6 为几种形式的弹簧卡头 按其加工精度分 图 6b 形式夹紧效果最好 图 6c 形式 其次 图 6 弹簧卡头 图 7 硬爪夹紧 图 8 软爪夹紧 加工中如果没有合适的弹簧卡头 对于精度要求 不很高的工件 也可采用卡盘夹紧 但应采取措施 保 证卡爪夹紧面的圆弧半径小于被卡棒料的半径 以保 证每个卡爪上有两个夹持点 图 7 图 8 3 6 棒料的准备 1 棒料的直线性 如果棒料