雙頭直齒錐齒輪銑齒機的數控化改造

李洪濤，張明柱，鄧效忠

(1. 河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003； 2. 黃河交通學院，河南 焦作 450062)

?

雙頭直齒錐齒輪銑齒機的數控化改造

李洪濤1,2，張明柱1，鄧效忠1

(1. 河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003； 2. 黃河交通學院，河南 焦作 450062)

摘要：Y2726型雙頭直齒圓錐齒輪銑齒機采用展成法加工鼓形直齒圓錐齒輪，在國內外廣泛應用。為了在加工不同齒輪時避免更換掛輪和調整傳動系統，對機床進行了數控化改造設計。采用四個伺服電機分別驅動兩個搖臺和兩個工件頭，去除了大多數機械傳動鏈。兩個工作頭加工齒輪的展成運動，分別通過兩個伺服電機的插補運動完成，可依次連續完成大、小輪的粗、精銑齒加工。機床加工效率提高50%，齒輪加工精度達到了7級。

關鍵詞：直齒圓錐齒輪；銑床；數控系統；展成運動

0引言

數控技術的發展，為齒輪加工行業創造了提升裝備性能的條件。直齒錐齒輪在機械傳動中大量使用，應用數控技術，提高其切齒加工機床的加工精度、效率、產品適應性是行業研究開發的重點之一。引進德國技術的Y2726型雙頭直齒錐齒輪銑齒機在我國有20多年的生產史，用戶遍及全國各地。該機床采用展成法加工，制造出具有鼓形齒形的直齒錐齒輪，是用于汽車、拖拉機、機床和其他機械制造行業的齒輪加工專用設備，尤其對大批量的直齒錐齒輪的生產，生產效率高[1]。但對于不同傳動比齒輪副的制造，需要制作和更換傳動掛輪，為企業生產準備帶來了不便。為了避免更換傳動掛輪，并進一步提高加工效率、加工精度和加工靈活性，對該機床進行了數控化技術改造，達到了預期目標，大大提高了機床的性能和檔次。

1Y2726型雙頭直齒錐齒輪銑齒機的工作原理和構成

Y2726型雙頭直齒錐齒輪銑齒機的結構如圖1所示。包括刀盤、搖臺、工件頭，搖臺液壓滑臺、刀盤液壓滑臺、底座、液壓冷卻系統和電控系統等主要組成部分。為了加工齒輪副中配對的大小兩個齒輪，機床有兩套搖臺和工件頭，分別用于加工大、小齒輪，由搖臺液壓滑臺左右運動把待加工齒輪移動到刀盤下，實現加工。刀盤在刀盤液壓滑臺的帶動下前后移動，可使刀盤接近或離開工件，從而實現輪齒的連續加工。

圖1　Y2726型雙頭直齒錐齒輪銑齒機

機床采用平面齒輪的加工原理，其加工方法屬于瞬心包絡法，即展成法或滾切法。

機床設有兩個裝有36片銑刀頭、直徑600mm的圓盤銑刀盤，按照被加工齒輪的齒間調整角，放置在產形齒的平面齒輪的位置。銑刀盤軸線位置固定，只進行簡單的旋轉運動，因此，為了完成齒輪加工的展成運動，保證被加工齒輪和代替產形齒平面齒輪的刀盤進行無間隙的純滾動展成運動，被加工齒輪既要進行自轉，還要繞著搖臺公轉，形成公轉和自轉匹配的復合運動。這種形成展成加工的公轉和自轉匹配運動，隨著加工齒輪副的齒輪齒數、傳動比不同，需要進行調整。此外實現這種復合運動的傳動結構也極其復雜，傳動原理如圖2所示。

圖2　Y2726型銑齒機展成運動傳動圖(單個加工頭)

由搖臺蝸輪副實現搖臺轉動，從而帶動工件頭公轉，使安裝在工件頭上的待加工齒輪公轉，由工件頭蝸輪副實現工件頭自轉，實地加工齒輪自轉，從而實現齒輪加工的展成運動，由刀盤旋轉切削出齒輪。行星機構與離合器的配合使用實現分齒運動。

圖2中z1、z2、z3、z4為可更換掛輪，隨著待加工齒輪副的傳動比、齒數進行調整。不僅計算復雜，而且需要額外制造掛輪，增加了加工成本和機床調整、配置時間。由于搖臺轉動和工件頭的轉動有固定關系，采用現代數控技術改造這部分傳動既必要也可行。

2機械傳動系統的數控化改造設計

機械傳動的數控化改造主要針對展成運動進行。采用兩臺交流伺服電機分別控制搖臺轉動和工件頭轉動。為了提高回轉精度和提供足夠大的轉矩，兩臺電機都通過精密渦輪蝸桿副將運動傳遞到搖臺和工件頭。傳動原理如圖3所示[2]。

圖3　數控銑齒機展成運動傳動圖(單個加工頭)

展成運動時，兩臺電機根據要求聯動，實現待加工齒輪的復合運動。分齒時，搖臺電機不動，僅由工件頭電機轉動實現分齒。

展成運動時兩臺電機轉角關系為：

(1)

(2)

式中，z1、z2分別為小輪和大輪齒數，θ1、θ2分別為搖臺和工件頭的轉角。

分齒運動時，工件頭電機的轉角為：

加工小輪時：

(3)

加工大輪時：

(4)

轉角運動由數控系統根據數控加工程序控制伺服電機完成。改造后的數控錐齒輪銑齒機如圖4所示。

圖4　數控銑齒機

3電控系統的數控化

根據運動要求，每個加工頭需要兩臺伺服電機，I、II兩個工位的加工頭共需4臺伺服電機。因此數控系統選用了性價比很高的德國西門子802C數控系統[3]。刀盤電機和液壓滑臺的運動由西門子802C數控系統的PLC功能控制。控制系統的設計中，創作性地將802C設置成了4軸兩兩軸聯動系統。數控系統的構成如圖5所示。

圖5　數控銑齒機控制系統電路圖

4數控加工程序及其操作

根據數控銑齒機的加工特點和西門子802C系統的功能特點，設計加工方法和加工路線，編寫加工程序，加工過程如圖6所示。

圖6　數控銑齒機銑齒加工過程

對于要加工的不同齒輪，其主要參數包括：配對齒輪齒數、模數、引入角、引出角、分齒讓刀角、加工速度等，以R參數形式存入CNC系統中，無須改變機械傳動部分，加工程序也無須變動，簡化了工人的操作工作量和難度。

加工后的齒輪副如圖7所示。加工過程充分發揮了數控機床的靈活、高效特點。在粗精切加工時選擇不同的進刀速度，銑齒精度達到了7級，加工精度明顯提高。加工調整時間大大縮短，加工效率比普通銑齒機高50%。

5結語

改造后的數控雙頭直齒錐齒輪銑齒機，加工效率提高50%，加工精度達到7級，機床傳動大部分采用了標準件，降低了機床機械制造成本，提高了機床精度和可靠性。

圖7　數控銑齒機銑齒加工的錐齒輪

機床采用數控方法操作、加工。減少了調整準備時間和費用，簡化了操作者的勞動強度。

數控雙頭直齒錐齒輪銑齒機得到了齒輪生產廠家的廣泛認同，機床已得到了快速推廣應用。

參考文獻:

[1] 北京齒輪總廠. Y2726型雙頭直齒錐齒輪銑齒機說明書[M]. 北京：北京齒輪總廠，2004，9.

[2] Zhang Mingzhua, Wei Dongzhi, Li Hongtao. Numerical Control Innovation for Double Cradle Straight Bevel Gear Milling Machine[J]. Procedia Engineering. 2011，(15)：1149-1153.

[3] SIEMENS. SINUMERIK802C安裝調試[M]. Siemens Comp., 2000，4.

Numerical Control Innovation for Straight Bevel Gear Milling Machine

LI Hong-tao1，2, ZHANG Ming-zhu1, DENG Xiao-zhong1

(1. School of Mechano-electronic Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China;

2. Huanghe Jiaotong University, Jiaozuo 450062, China)

Abstract:The Y2726-type double cradle straight bevel gear milling machine is widely used at home and abroad. The straight bevel gear is cut to barrel-type teeth by gear generating motion method. To avoid the change and adjustment of the transmission system at cutting different gears, this paper presents an innovation project that four servo motors are used to drive rotation of two cradles and two work piece heads with computer numerical control technology. Most transmission chains are removed. The gear cutting is finished by interpolation of two servo motors controlled by CNC system. The producing efficiency is improved over 50% and the precision of manufactured gear is reached to 7 classes.

Keywords:straight bevel gear; milling machine; CNC system; generating motion

收稿日期：2014-12-26

中圖分類號：TG547

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)03-0042-02

作者簡介：李洪濤(1973-)，男，河南孟津人，碩士研究生，講師，研究方向：機器人及機器視覺技術、汽車新技術。