基于數(shù)控技術(shù)的銑齒機(jī)改造

螺旋錐齒輪(即曲線(xiàn)齒錐齒輪)按其齒面節(jié)線(xiàn)形狀的不同可分為圓弧齒錐齒輪、延伸外擺線(xiàn)錐齒輪、準(zhǔn)漸開(kāi)線(xiàn)錐齒輪等類(lèi)型。

某機(jī)床廠(chǎng)生產(chǎn)的H1—003延伸外擺線(xiàn)錐齒輪銑齒機(jī)可加工最大工件直徑110 mm時(shí)，齒數(shù)5～80，模數(shù)0.3-1.5 mm的等高齒螺旋錐齒輪(延伸外擺線(xiàn)錐齒輪)。該機(jī)床存在明顯的不足：①剛性差。雖然該機(jī)床可加工最大工件直徑110 mm的齒輪，但事實(shí)上當(dāng)加工的工件直徑接近或達(dá)到110 mm，機(jī)床振動(dòng)很大，加工出來(lái)的齒輪齒面粗糙度差，加工效率低。②加工范圍窄。當(dāng)齒輪齒數(shù)小于5齒時(shí)，不能加工;當(dāng)齒輪齒數(shù)大于等于5齒且接近5齒時(shí)，由于機(jī)床內(nèi)部的一對(duì)蝸輪蝸桿副轉(zhuǎn)速很高，接近機(jī)床設(shè)計(jì)的最高警戒轉(zhuǎn)速，機(jī)床磨損十分嚴(yán)重。連續(xù)加工這種齒輪，不到半年機(jī)床就需要大修甚至報(bào)廢。③修理難。機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，修理用時(shí)長(zhǎng)，且大修成本高，大修后精度明顯下降。

鑒于此，決定對(duì)一臺(tái)精度下降的HI-003銑齒機(jī)進(jìn)行數(shù)控化改造試驗(yàn)。

1 擺線(xiàn)齒錐齒輪銑齒機(jī)工作原理

1.1 銑齒機(jī)3個(gè)相關(guān)聯(lián)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

銑齒機(jī)切齒加工時(shí)存在3個(gè)相關(guān)聯(lián)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：①銑刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動(dòng);②工件(輪坯)的旋轉(zhuǎn)分齒運(yùn)動(dòng);③機(jī)床搖臺(tái)相對(duì)于工件的展成運(yùn)動(dòng)。

由于搖臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)(即進(jìn)給運(yùn)動(dòng))使平面產(chǎn)形齒輪在銑刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生附加運(yùn)動(dòng)，這樣工件的旋轉(zhuǎn)分齒運(yùn)動(dòng)在原來(lái)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生相應(yīng)的附加運(yùn)動(dòng)(差動(dòng))，通過(guò)這種滾切運(yùn)動(dòng)形成所需要的齒形。

1.2 銑齒機(jī)3個(gè)相關(guān)聯(lián)連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系

圖1 所示為銑齒機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)模式

設(shè)Z0為銑刀盤(pán)刀齒組數(shù);Z為被加工齒輪的齒數(shù);ZP為冠輪齒數(shù);Wh為搖臺(tái)的角速度;Wr為冠輪的轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(銑刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)、工件轉(zhuǎn)動(dòng)和搖臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng))之間的關(guān)系。

2 機(jī)床數(shù)控技術(shù)

2.1 數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的中樞，它接受輸入裝置送來(lái)的脈沖信息，進(jìn)行編譯、運(yùn)算和邏輯處理后，輸出各種信息和指令，控制機(jī)床的各個(gè)部分，進(jìn)行規(guī)定的有序動(dòng)作。

2.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)

在數(shù)控機(jī)床上通常按不同的要求選用反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī)。

2.3 檢測(cè)元件

檢測(cè)元件的作用是檢測(cè)位移和速度的實(shí)際值，并向數(shù)控裝置或伺服裝置發(fā)送反饋信號(hào)，從而構(gòu)成閉環(huán)控制。如光電編碼器、光柵尺等。

2.4 機(jī)械傳動(dòng)部件

2.5 直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)執(zhí)副

直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副可使機(jī)床的零部件(如床鞍)執(zhí)行往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

3 機(jī)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)思路

3.1 機(jī)床數(shù)控化改造原理

機(jī)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)思路分析:由式(16)知，當(dāng)機(jī)床工作時(shí)，如果我們用編碼器來(lái)跟蹤機(jī)床中銑刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動(dòng)，那么銑刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動(dòng)、工件(輪坯)旋轉(zhuǎn)分齒運(yùn)動(dòng)和搖臺(tái)相對(duì)于工件的展成運(yùn)動(dòng)三者之間的關(guān)系與數(shù)控車(chē)床加工螺紋時(shí)相當(dāng)，因此可以嘗試用車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)對(duì)銑齒機(jī)進(jìn)行數(shù)控化改造,機(jī)床數(shù)控化改造原理示意見(jiàn)圖2所示。

3. 2 機(jī)床數(shù)控化改造主要零部件參數(shù)(見(jiàn)表1)

表1 主要零部件參數(shù)

注:床位的移動(dòng)方式不變

3. 3 主要傳動(dòng)參數(shù)關(guān)系式推導(dǎo)

根據(jù)式(7)和式(14)，結(jié)合機(jī)床切齒過(guò)程，當(dāng)加工左旋齒輪時(shí)，搖臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)(Wh)方向與冠輪轉(zhuǎn)動(dòng)(WP)方向相反，故么ΔWp<0，ΔWh>0由式(16)得:

設(shè)此時(shí)銑齒機(jī)的切齒過(guò)程相當(dāng)于螺距為P1的螺紋切削過(guò)程，于是：

(z1為左旋齒輪齒數(shù)，系數(shù)60與電機(jī)步距角等零部件的參數(shù)有關(guān)，通過(guò)計(jì)算得到)。

同理，當(dāng)加工右旋齒輪(記齒數(shù)為歷Zz時(shí)，同樣Wn>0，又設(shè)此時(shí)銑齒機(jī)的切齒過(guò)程相當(dāng)于螺距為P2的螺紋切削過(guò)程，可得：

公式(18)和(20)的推導(dǎo)，進(jìn)一步表明了機(jī)床中銑刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動(dòng)、工件(輪坯)的旋轉(zhuǎn)分齒運(yùn)動(dòng)和搖臺(tái)相對(duì)于工件的展成運(yùn)動(dòng)三者之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系與螺紋切削相當(dāng)，亦即數(shù)控銑齒機(jī)的切齒過(guò)程“就是”螺紋切削過(guò)程。

4 數(shù)控系統(tǒng)程序參數(shù)計(jì)算

=21191.26

將U、W、P2^/的數(shù)值代入通用程序中即可。左旋齒輪按式(18)計(jì)算(略)。

U、W、P的計(jì)算已編寫(xiě)成軟件包，使用十分方便。數(shù)控化改造后機(jī)床的機(jī)械部分的調(diào)整卡計(jì)算和調(diào)整與原銑齒機(jī)相同。

5 加工試驗(yàn)

數(shù)控化改造后的H1—003銑齒機(jī)，在加工直徑110mm的齒輪(甚至加工直徑達(dá)125mm的齒輪)時(shí)機(jī)床振動(dòng)小，齒輪齒面粗糙度好、精度高、生產(chǎn)率高。

6 結(jié)論

1)經(jīng)改造的機(jī)床中沒(méi)有了高速轉(zhuǎn)動(dòng)的蝸輪蝸桿副，在加工齒數(shù)小于5齒、等于5齒或接近5齒的齒輪時(shí)，原機(jī)床的這一主要磨損現(xiàn)象消失，這對(duì)保持改造后的銑齒機(jī)的精度極為有利。

2)設(shè)計(jì)采用數(shù)控化改造，使之較原銑齒機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，傳動(dòng)鏈大大縮短，增強(qiáng)了剛性，擴(kuò)大了加工范圍，提高了精度，調(diào)機(jī)方便，操作簡(jiǎn)單，提高了生產(chǎn)率。

3)創(chuàng)造性地采用車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)并自編軟件大大降低了改造成本，建立了自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并方便使用者使用。

4)如對(duì)數(shù)控系統(tǒng)和軟件做進(jìn)一步完善，還可使機(jī)床的床位移動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

本文的設(shè)計(jì)思路、方法和相關(guān)技術(shù)對(duì)齒輪機(jī)床制造廠(chǎng)家和齒輪制造廠(chǎng)家的機(jī)床數(shù)控化改造具有較好的參考價(jià)值。