傳動數控滾齒機的精度分析

　　零傳動數控滾齒機通過取消傳統滾齒機中的傳動機構, 實現了電機與滾刀主軸以及電機與工作臺的直聯, 大大縮短了傳動鏈, 減少了傳動元件的制造誤差以及間隙和裝配誤差對于齒輪加工的影響, 它不僅可以大幅度提高機床的加工精度和加工速度, 同時, 由于其機械結構簡單, 在設計時更有利于提高機床的剛性, 完全解決機械傳動鏈中存在的磨損問題, 進而保持了精度的穩定性。高精度滾齒機一般可達到5級精度。作為數控機床, 零傳動數控滾齒機的加工精度與機床、刀具、夾具、工件類型、加工環境等一系列因素有關。機床誤差和加工過程誤差對加工精度的影響明顯。為了進一步分析零傳動數控滾齒機的精度, 本文將主要從滾齒機機床誤差和滾齒加工誤差等兩方面分別進行闡述。

數控機床各誤差源對加工精度的影響程度

　　1.滾齒機機床誤差

　　滾齒機是傳動關系復雜的機床之一。傳統滾齒機通過內、外聯傳動鏈實現滾削加工, 傳動鏈冗長, 這樣不但影響加工精度, 還影響精度的保持性。零傳動滾齒機采用電主軸形式實現電機與滾刀、電機與工作臺的直聯, 機床其它各進給軸則采用電機- 聯軸器- 滾珠絲杠副的形式實現旋轉運動向直線運動的轉換, 這樣就很大程度地縮短了機床傳動鏈, 甚至可以取消加工斜齒時所必需的差動傳動鏈, 限度地壓縮冗長傳動鏈對加工精度的影響程度。此外, 由于零傳動滾齒機結構簡單, 各軸均由數控系統控制, 較之傳統結構則更容易實現各軸之間的聯動, 從而提高機床的加工精度。零傳動滾齒機雖然消除了傳統機床中的一些誤差源, 但它采用的新的結構形式也會為加工精度帶來新的影響, 本文將從主軸系統、進給系統和控制系統三方面入手, 分析零傳動機床結構對機床精度的影響。

　　1.1 主軸系統

　　主軸系統是滾齒機的核心, 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在主軸的回轉精度和剛度的提高, 而回轉精度與剛度又決定于主軸的形式及裝配形式。零傳動滾齒機的滾刀主軸和工件主軸均采用電主軸形式。由于電主軸內部為雙支承支撐結構, 選用高剛度軸承支承可以提高電主軸剛度特性, 減小其彈性變形、回轉誤差和徑向誤差等, 從而保證電主軸的動靜態特性。為了進一步提高電主軸精度, 對主軸支承軸承系統施加適當的預緊力, 這樣不僅消除軸承內部的游隙, 還能使滾動體產生量的彈性變形, 從而增加滾動體的接觸面積,提高軸承的回轉精度, 達到提高主軸精度的目的。除了支承軸承的影響以外, 另一個影響電主軸精度的重要因素就是電主軸的散熱問題。電主軸工作狀態下,電機的定子和轉子將產生大量的熱量, 并將傳遞到主軸上, 這些熱量不僅會影響主軸本身精度, 更重要的是, 它會引起主軸軸承的熱變形, 從而影響電主軸的熱特性。為了消除熱變形的影響, 電主軸中設計有循環冷卻系統, 它可以帶走電機產生的大部分熱量以減少主軸及其支承的熱變形。

　　零傳動滾齒機主軸的設計中, 電機的選取對機床加工精度的影響至關重要。在傳統滾齒機, 電機通過主運動傳動鏈將運動傳遞給滾刀, 并通過范成運動傳動鏈分配滾刀和工件軸的運動以滿足它們之間嚴格的傳動比關系。運動傳遞中的大傳動比的精密傳動副可以減小滾齒機傳動誤差, 這點對滾齒機的工作臺的影響明顯。雖然零傳動滾齒機可以大大提高滾刀主軸的轉速, 但基于滾齒基本原理, 工作臺的速度仍然很低。在零傳動驅動的情況下, 電機誤差對工作臺的影響不可能通過減速傳動機構減小, 因此對工作臺電機轉矩特性要求很高, 不但能做大承載力的可控回轉,還能提供高分辨率的精密低速運動。另外, 零傳動驅動對電機的穩定性要求也很高。結合電機的機械特性、矩頻特性、負載要求、調速要求等, 主軸電機一般選用效率高, 且高低速特性較好的交流同步電機。滾齒是斷續切削加工過程, 由于零傳動滾齒機可提供較高的滾刀轉速, 這就帶來較高切削振動頻率,為避免共振對齒輪加工的不良影響, 要求電主軸具有較高的固有頻率以遠離激振區, 由此, 對電機的固有頻率的要求也相應提高。

　　1.2 滾齒機進給系統

　　在數控滾齒機中, 工作臺的軸向和徑向進給運動都是通過伺服電機、直線滾動導軌和滾珠絲杠來實現的。數控機床的進給系統不但應具有較高的傳動精度和定位精度, 還應具有良好的快速響應性, 避免爬行。由于進給爬行的產生主要是因為進給系統的摩擦力較大而致, 在數控滾齒機中則采用摩擦系數小、高精度且具有預加負荷的高剛度直線滾動導軌, 它不但可以提高機床移動部件的運動精度, 還能保證工作臺低速運動的穩定性, 從而使得工作臺運動均勻、平穩、無振動、達到高定位精度與高重復性精度, 并易于達到與使用條件相匹配的足夠的剛度。用于實現工作臺直線運動的滾珠絲杠通過適當的預加壓力, 獲得零背隙及低熱損失, 進一步保證了工作臺的運動精度與定位精度。進給系統中, 伺服電機與滾珠絲杠的連接由撓性聯軸器實現。撓性聯軸器具有緩沖、吸振和補償誤差的功能, 作為進給傳動中的柔性環節, 撓性聯軸器能有效地將電機的振動隔離于床身之外, 提高了機床精度。

　　1.3 控制精度

　　滾齒切削的基本原理是齒輪的展成運動, 因此,滾刀轉速和工作臺轉速之間應遵循嚴格的傳動比關系, 其具體運動方程式如下：

式中: vz , vy 分別為z、y軸的進給速度; β, λ分別為齒輪工件螺旋角和滾刀螺旋升角; mn 為斜齒輪法面模數; nb , nc 分別是滾刀轉速和工作臺轉速。

零傳動滾齒機取消傳統滾齒機中的齒輪差分機構, 采用電子齒輪箱實現各軸運動的匹配, 并采用半閉環或全閉環控制, 通過數控補償和修正機械誤差,提高各軸的定位精度和重復定位精度, 從而簡化機床結構, 提高機床加工精度, 增加機床可靠性。對于數控系統在離散化和處理運算數據時所帶來的誤差, 數控軟件則可以消除, 從而保證數控系統的精度。

　　2.滾齒加工過程誤差

　　2.1滾刀及安裝在滾齒加工中, 滾刀質量以及滾刀安裝精度都是重要的工藝誤差因素。據統計資料, 被切齒輪的基節偏差約80%來源于滾刀誤差, 而齒形誤差約65%來源于滾刀誤差。由此, 保證滾齒機的精度保證滾刀及滾刀安裝精度。

滾齒過程中, 滾刀本身的制造誤差易帶來齒形誤差, 如齒面出棱、齒形不對稱和齒形角誤差等, 這些誤差終會影響齒輪嚙合的平穩性。為了避免上述齒形誤差, 一般6級精度以上的齒輪, 須用AA級精度的滾刀, 同時在滾刀刃磨后, 對滾刀進行精度檢驗。滾刀的安裝誤差則直接影響著齒輪的加工精度,其主要體現在滾刀徑向跳動、軸向竄動、滾刀軸線傾斜、對中不好等方面。因此, 在安裝滾刀刀桿時,應特別注意刀桿以及滾刀的端面跳動和徑向跳動, 其中滾刀的夾緊應該通過滾刀、軸套及調整墊片端面之間的靜摩擦力來達到驅動要求。另外, 高速運轉的滾刀系統中應該帶有散熱系統以帶走多余的熱量, 從而減小刀具的熱變形。

　　2.2 工件及安裝

　　由于零傳動數控滾齒機取消了傳動鏈, 故滾切齒輪時, 工作臺分度蝸輪在制造與安裝中產生的周節累積誤差則被消除。影響被加工齒輪運動精度的主要原因在于工件安裝偏心, 它是由工件內孔軸心線與機床工作臺回轉中心不重合所產生的。為了避免和減小安裝偏心對運動精度的影響, 滾刀刀桿采用可脹心軸以提高定心精度。另一方面, 盡量提高夾具和心軸的剛度, 保證工件的夾緊程度。工作臺主軸則通過7∶24的錐度孔與心軸聯接, 確保工件的回轉精度。

另外, 齒坯的幾何精度直接影響著齒輪的齒距累積誤差和齒圈徑跳。被加工齒輪的齒數越多, 齒坯的幾何精度對齒距誤差的影響越小。由于齒面加工常以齒輪孔和端面為基準面, 所以在工件的裝夾中, 特別應注意孔徑尺寸精度和基準面間的位置精度, 以控制工件內孔與心軸間的間隙和齒坯安裝時內孔和端面垂直度誤差從而避免和減少齒形誤差。

　　3.結束語

　　零傳動數控滾齒機大大簡化了機械結構, 降低了電機與主軸之間的傳動誤差, 提高了主軸的高速極限回轉速度, 并使滾削加工在高速的條件下精度得到保證并有所提高。

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