数控高速滚齿机总体布局及尾座部件设计.doc

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。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78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15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250 m/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181 m/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。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10002500次/min冲程数，加工精度达56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。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。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12级，表面粗糙度降低到Ra0.5m以下。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DIN 2级，蜗杆砂轮磨齿精度达DIN 34级，锥形砂轮磨齿精度达DIN 45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滚齿59生产率高，通用性大，连续分度滚齿，运动误差易保证插齿58适用于中小模数齿轮加工，通用性好，广泛用于内齿轮、双联及多联齿轮加工剃齿57主要用于齿轮的滚、插预加工后的精加工，和磨齿相比，具有效率高，成本低，齿面无烧伤和裂纹等优点珩齿68效率高，成本低，表面质量好，齿面无烧伤，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齿成型砂轮磨齿78生产率很高，砂轮是专用的，适用于较大批量生产齿轮蝶形砂轮磨齿47采用碟形砂轮的棱边磨削不加冷却液，生产率较低蜗杆砂轮磨齿57生产率很高，特别适用于成批生产和大量生产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1.1 Y3150E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（Electronic Gear Box）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4550%。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： 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。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（m3mm）齿轮加工方面已推出滚刀轴和工件轴直接驱动的机型。如GleasonPfauter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Koepfer 160，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。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500 rpm，工作台转速最高为32 rpm。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。GleasonPfauter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800 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CIMT 2005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250 m/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0.008 mm，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DIN 67级精度，为其后的精加工工序获得高精度提供了保证。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GleasonPfauter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。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。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。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GleasonPfauter、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(m3mm)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：GleasonPfauter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1.3 Liebherr LC80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23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Takashi Emura ， Zhaowei Zhong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Michiaki Hashitani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1.4 ZE15A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（Direct Drive Rotary)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，如反向间隙、啮合误差等。其精度主要决定于反馈装置的精度，但DDR电机反馈装置的精度是非常精确的。由于DDR电机只有较少的运动部件，所以噪音很小。系统中唯一的磨损件是轴承，维护减少，如果轴承能定期润滑，装置就能达到零维护。总之，DDR电机具有直接力传动、高扭矩、高静态和动态负载刚性、高定位精度、零维护等特点。DDR电机定位精度达0.5，重复定位精度达0.01，最大力矩达数千Nm，最大速度达750rpm。用DDR电机直接驱动滚齿机工作台，能达到高速、高精度的性能要求。DDR电机较为成熟的生产厂家是美国的Kollmorgen公司和德国的Bosch Rexroth公司，德国Siemens和口本Fanuc公司也有相应的产品，多用在磨床的回转工作台、机器人关节驱动、飞行转台、天文望远镜等低速大扭矩的情况。1.6 课题的研究意义在我国，全国的齿轮加工机床拥有量高达九万余台。在这些机床中，很大部分是六、七十年代的产品，急需更新换代。八十年代以后生产的齿轮加工机床的技术含量有所提高，但与国外同类机床相比仍有相当差距，不能适应现代机械产品对齿轮加工提出的高精度、高速加工的要求，而且进口机床的比例偏大(特别是高性能齿轮加工机床)。在设计制造方面，重庆机床厂生产的YKS3120和YKS3112数控高速滚齿机和南京第二机床厂生产的YS3112CNC六轴控制高速滚齿机代表了我国现代滚齿机生产的最高水平，但与发达国家同类产品相比仍然存在着不少差距。究其原因，主要还是基础研究差、整体设计能力不足，由此导致新技术应用慢和仿制比重较大，如零传动技术、干切技术在齿轮加工机床中的应用一直处于落后状态。机床设计/制造的先天不足，将极大地限制我国齿轮加工机床的设计/制造水平的提高并削弱其可持续发展潜力。“零传动”又称直接驱动(Direct Drive )，最早称为“电主轴”，在机床设计领域并不是新概念，但其应用范围一直仅局限在机床的主轴驱动上，可以较好地解决“外联”传动链长的问题，随着直线电机技术的逐渐成熟，直线运动也开始实现零传动。但对传动原理异常复杂，“内联”传动精度要求非常高的齿轮加工机床而言，由于缺乏理论作指导，在20世纪90年代以前国内外一直没有见到“零传动”技术在齿轮加工机床中成功应用的先例，齿轮加工机床一直沿用传统的传动方式，造成机床的传动结构异常复杂、传动效率低、传动精度差、磨损严重、切削速度低。一直到进入二十一世纪，“干切削”、“高速切削”、“高精度切削”、“硬齿面切削”等现代加工工艺进入齿轮加工领域，基于传统机械传动链的机床难于满足这些需求，因此国外的部分厂家才开始研制“零传动”齿轮加工机床，但机床的售价很高(是一般数控机床的23倍)，设计原理和技术资料严格保密，形成了技术垄断的局面。如：GleasonPfauter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，这些机床都部分应用了零传动技术及其它相关新技术(结构特性、热特性、刀具磨损、误差补偿等)，使得齿轮加工机床的性能达到了一个新的高度，如前述的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。这些滚齿机在高速切削的条件下仍能达到DIN67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4100齿滚刀架可转动范围50最人滚刀直径63mm滚刀轴转速5004000rpm工件轴转速5495rpm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、Z1m 旋转坐标：A、B、C0.001伺服系统：采用Siemens 840D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818kW，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提供足够高的切削速度和切削功率；从保证工件质量和延长滚刀寿命出发，处理好能量分配；循环时间短；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8001OOOrpm。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/min400m/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： （2.1）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/min100m/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： （2.2）考虑到用户可根据切削零件的具体情