高速干式切削滚齿机设计关键技术研究

2022-10-25

高速干式切削法, 即采用高速干式切削滚齿机代替传统的滚齿机, 该加工方法是在无冷却、润滑油剂的作用下, 采用很高的切削速度进行切削加工。高速干式切削法具有严格的要求: (1) 提供足够高的切削速度和切削功率。 (2) 刀具应具有优异的耐高温性能, 可在无切削液条件下工作。 (3) 循环时间短。 (4) 切削刀具应具有比湿式切削刀具更高的强度和抗冲击韧性。 (5) 机床的总体布局应使机床操作、调整方便, 并使机床具有良好的加工工艺性、装配工艺性及维修方便性。 (6) 机床的总体布局应使机床外形美观、大方、稳定、协调。 (7) 机床的布局应适应机床的自动化程度及生产效率的要求, 必须保证机床生产率较高, 自动化程度高, 以便于实现单机自动化或纳入生产线自动化。为此, 机床除必须有一定刚性外, 为便于自动上、下料, 工件轴线位置最好是固定的, 即机床的工作台最好是固定的, 采用立柱移动来实现进给运动。

1 高速干式切削滚齿机设计的关键技术分析

1.1 高速干式切削滚齿机的传动系统设计

滚齿机的传动设计重点在于整个系统的设计, 这方面主要取决于数控技术、和电主轴、力矩电机的发展。特别是六轴数控四轴联动技术和电子齿轮箱技术的发展使滚齿机的传动系统发生了革命性变化。所谓六轴数控滚齿机各运动轴均由独立的交流伺服 (或主轴) 电机驱动。经齿轮传动或齿形带传动, 滚珠丝杆副驱动, 带动各运动部件完成相应的旋转或直线运动。在高速干式切削滚齿机的刀具主轴中, 通常采用“一齿差”齿轮传动结构替代传统的齿轮传动结构, 能有效地消除传动间隙并增加传动阻尼, 提高传动精度和传动的平稳性, 见图1。另外, 就是机床径向及轴向运动的同步齿形带传动设计。同步齿形带是一种工作面为齿形的环形传动带, 同步齿形带传动具有传动比较准确, 不打滑, 效率高, 初张力小, 对传动轴及轴承的压力小, 速度及功率范围广, 不需要润滑, 耐磨损, 允许采用较小的带轮直径、较短的轴间距、较大的传动比, 可使传动系统的结构紧凑等优点, 因而同步齿形带传动在机床中运用较广。

1.2 床身及排屑系统设计

设计干式切削机床的着重点放在如何快速地将滚烫的切屑排出, 以便快速地散发加工产生的热量, 防止机床的温度升高。主要包括: (1) 床身结构设计。为保证机床的刚性、热平衡及排屑顺畅, 采用高刚性的多层壁结构及便于排屑的大斜面结构, 。床身采用双层壁结构且前后完全对称设计, 既刚性好, 又保证了热平衡;排屑槽设计在机床的加工区域内, 可以快速地将滚烫的切屑排出。 (2) 排屑系统设计。对于高速干式切削滚齿机, 铁屑的快速顺利排除可以避免高温铁屑在机床中存留引起机床各零件产生热变形。因此, 要求设计机床时加工区域内不能有凹面及大平面, 而尽可能设计为大斜面, 同时在这些面上安装一层不锈钢板, 使其表面光滑且具有隔热作用, 利于铁屑尽快落到排屑器中排出机外, 对于有可能积存铁屑的地方, 如夹具的定位面, 则采用常规压力空气将其吹走, 也保证了定位面的清洁。如果采用绝热材料的排屑槽, 干切滚齿机的热量问题则不如原来预想的严重, 甚至可能比有冷却液的机床更简单。

1.3 滚刀主轴及工作台主轴高速旋转的设计

要实现高速干式滚齿, 滚齿机刀具主轴与工作台主轴的高速及高精度同步回转是先决条件。普通滚齿机是通过展成传动链将这两个运动连在一起的, 滚刀主轴采用滑动轴承, 工作台采用蜗轮副分度和滑动轴承支承, 这就使得这两个运动的转速都不高, 要实现高速干式滚齿, 滚刀的线速度通常需要达到200r/min以上, 高速干式切削为避免崩刃, 床的各运动应具有消除间隙的装置, 而单蜗杆单蜗轮工作台分度副是不具备的。为此, 需要有新的刀架和工作台结构出现。图2为高速、高精度刀具主轴结构图。新型高速、高精度滚刀主运动的传动是由主电机通过两级高精度齿轮副减速, 将运动传给刀具主轴。在传动过程中为消除反向间隙采用了一齿差结构。同时, 为保证主轴的径向及轴向窜动精度采用了具有预加负荷的高精度滚动轴承, 为避免在高速条件下主轴的发热采用了压力空气加润滑油对主轴进行快速循环润滑, 这样确保滚刀主轴具有高速、高精度、高刚性的性能。

1.4 滚刀安装设计

强力切削要求机床安装滚刀的部位也必须具有相应的刚性。中空锥度柄的设计可满足刚性和精度要求。使用带孔滚刀时, 通过纵向或端面的几个键槽, 可以将主轴的力矩安全地传递到滚刀。此外, 还有针对带柄滚刀而设计的内置夹套式接口, 但是必须保证切削力不能大于夹套的承载力。另一种接口也是为带孔滚刀而设计的, 主轴端部另加一个端面驱动器, 通过一个与之平行的轴将主轴的力矩传递到刀具。机床上同时有一个特殊的夹紧心轴将这个平行轴夹紧。另外, 滚刀托座的设计也很重要, 轴承的设计条件包括两点, 既保证有极强的径向刚度, 又对滚刀或滚刀心轴不能有过大的轴向推力。这种轴向推力在加工温度较高时还会加大。主轴采用一个角接触推力球轴承来保证足够的径向刚度。要确保轴承对滚刀具有足够的承载力, 同时又能快速换刀, 必须注意托座与滚刀心轴接触部位的形状。接触部位必须无间隙、刚性好、可以把滚刀的旋转运动传递到轴承, 而形成的轴向推力又较小, 同时能保持滚刀的径向旋转。锥度托座的设计可以成功地解决这个问题。

2 结语

随着环境保护意识的日益提高和人们越来越重视各种各样的节能技术, 高速干式切削滚齿机将成为齿轮制造商新购加工设备的目标, 而面向绿色制造的高速干式切削滚齿机将是绿色滚齿机发展的趋势。

摘要：滚齿机作为齿轮加工机床中的一种, 主要用来加工圆柱齿轮和蜗轮等。传统滚齿机进行齿轮加工, 削液的飞溅和形成的油雾对生态环境和人类特别有害, 变质切削液的排放也严重的污染环境。而且这种加工方法造成机床的材料用量、能耗、油耗及附加费大, 已经不适应当前工业发展的要求, 鉴于此, 本文对高速干式切削滚齿机设计进行了探讨。

关键词：干式切削,滚齿机,设计