數控人字齒銑削中心Z軸的設計與研究

翁興宇

（揚州高等職業技術學校，江蘇 揚州225003）

在現代機械制造業中，數控機床是加工機械零件的主要設備，現代數控技術正朝著開放、高速、高精、高可靠性、復合化和智能化的方向發展。機床作為“工作母機”，決定了它在國民經濟中的核心地位，機床制造業是機械制造業不可或缺的一部分，為機械制造業提供了先進的加工設備和加工工藝，國家高端數控機床的多樣化和質量是行業的重要指標[1]，同時數控機床的發展水平能夠衡量一個國家制造業的現代化程度。伴隨著制造業的高速發展，對機床的性能要求越發嚴格。本文以復合機床設計理念將人字齒與數控銑削中心結合，探討數控人字齒銑削中心Z軸的設計方案。

1 數控人字齒銑削中心概述

數控人字齒銑削中心融入了復合機床的設計理念，采用雙主軸箱設計。立銑刀主軸箱主要用于中輕載銑削，盤銑刀主軸箱主要用于重載銑削。數控人字齒銑削中心具有獨特的優勢：使用標準立銑刀，不需要定制刀具；具備豐富的齒形、齒向修形功能；利用標準立銑刀加數控運動的方法包絡齒面，可實現點線嚙合、圓弧齒等異形齒面加工，解決傳統方法無法加工零退刀槽人字齒問題；加工精度可提升至GB5-6級。盤銑刀主軸可以完成人字齒高效粗加工，普通直斜齒輪高效粗精加工；集成多種軟件，采用有限元方法分析機床主要零件的動態特性，實現機床主要部件的剛柔耦合建模等。同時數控人字齒銑削中心可以滿足零件高精度、加工高效率的要求，將多個工步集中到一臺機床上，提高了勞動生產率，降低了成本。研究數控人字齒銑削中心具有很大的意義，其主要面向鍛壓機械、石油機械及重載增減速機等行業，可完成大尺寸、多品種的齒輪加工，加工效率、精度高、可靠性高，并且價格是國外的1/4～1/3，因此數控人字齒銑削中心有著廣泛的應用前景。

2 設計原始參數

在進行數控人字齒銑削中心Z軸的設計與研究時，其主要原始參數如下：Z軸最大進給速度為3000mm/min，Z軸行程為1000mm，SP1主軸轉速為200～3500r/min，SP2主軸轉速為70～140r/min。

3 進給傳動系統

進給傳動系統是通過接收測量反饋裝置發出的指令，由位置控制模塊和速度控制單元來對指令進行識別、轉換，并放大一定倍數，再由動力輸出裝置將信號指令轉變為動力輸出到機械傳動機構，通過機械傳動機構來帶動機械執行部件的穩定運行。進給傳動系統對被加工產品的精度起著至關重要的作用，其傳動部件要滿足很高的設計要求，分別是能夠克服負載和摩擦力，低速時不出現爬行現象，剛性好，有較高的工作精度，能快速響應，運動部件的慣量小，盡量消除傳動系統中的間隙，良好的阻尼性等。其目的是保證機床工作臺獲得合理的進給速度和刀具準確的定位或各軸之間準確的相對運動關系。

進給伺服驅動方案如下。

進給伺服系統需要將伺服電機的旋轉運動轉化成Z軸復合拖板的上下往復直線運動，可以達到該目的的傳動結構包括齒輪齒條傳動、滾珠絲杠螺母副傳動裝置、蝸桿齒條傳動。

在本次進給傳動系統設計中，選擇滾珠絲杠螺母副傳動裝置作為進給系統的傳動結構。滾珠絲杠副是一種將轉動與移動相互轉換的裝置，被廣泛應用于數控銑床中，選擇滾珠絲杠螺母副傳動裝置是因為其摩擦損失小、傳動效率高，其驅動扭矩僅只有傳統導螺桿的1/3，并且響應靈敏、低速運動時不出現爬行現象，其次滾珠絲桿可以進行預緊，以消除軸向背隙且降低因軸向力造成的彈性位移，同時滾柱螺桿剛性高，反向定位精度也高。

由此，根據部分齒輪加工機床有關資料和參數的設計經驗，確定總體方案為：由交流伺服電機提供動力源，經過行星減速器匹配轉速和傳遞轉矩，將電機的回轉運動轉化為Z軸拖板的上下往復直線運動，帶動復合拖板在Z軸上移動，從而實現Z軸的進給運動。進給傳動系統如圖1所示。

圖1 進給傳動系統

4 Z軸零部件的選擇

Z軸作為機床的進給軸，其復合拖板上裝有Y軸、立銑刀主軸箱（SP1軸）和盤銑刀主軸箱（SP2軸）。通過建模可以得出其質量分別為：軸5000kg、SP1軸2800kg、SP2軸4700kg。根據以上移動部件可以取總體質量m=14000kg。已知Z軸最大進給速度為3000mm/min，水平負載移動摩擦系數μ=0.005，負載移動加速度a=0.5g/（m·s-2）。在本次Z軸進給系統設計中，其主要考慮的是摩擦力和加速力的要求。經計算加速力為7000N，摩擦力為687N，合力為7687N。

4.1 滾珠絲杠的選擇

滾珠螺旋傳動相比較于其他形式的直線運動，具有自身獨特的優勢：高效率及可逆性、零背隙及高剛性、低起動扭矩及高順暢度、低噪聲等。

為了提高滾珠絲桿副的剛度以及消除間隙，可以通過預加載荷，使它在過盈的狀態下工作。預緊后的剛度可以提升至原來的2倍。但是由于預緊載荷過大，將會導致其摩擦力矩加大以及使用壽命下降。一般有如下3種預緊方式：雙螺母螺紋式預緊、雙螺母墊片式預緊、雙螺母齒差式預緊。

滾珠絲桿螺母副從問世至今，其結構有十幾種之多，經過多年的改進，現國際上基本流行的結構有4種，最常用的是外循環與內循環結構[2]。綜合考慮機床結構要求、負載形式、工作狀況，本次設計中選擇FEZD型內循環浮動式墊片預緊滾珠絲杠。

滾珠絲杠精度等級的選擇應遵循符合需求的精度等級，而不要選擇超過需求的精度等級以避免非必要的成本。通過查詢機械通用精度等級可知，復合機床Z軸滾珠絲杠可選擇的精度等級是2、3、4級，綜合考慮選用4級精度比較合理，即滾珠絲杠的牌號可暫定為FFZD****-*-P4。

在設計中需要按平均工作載荷和平均轉速設計絲杠參數，根據工作條件計算出平均轉速nav、平均工作載荷Fm和絲杠副計算載荷Fc，再根據壽命條件計算額定動載荷Ca，計算出Ca后選擇滾珠絲桿的參數尺寸，最后進行滾珠絲桿副穩定性驗算。

滾珠絲杠副的安裝有多種形式，絲杠和軸承的組合方式對傳動結構的剛性和精度有很大影響。其常用的組合形式有以下幾種，如表1所示。

表1 滾珠絲杠副支撐形式

通過分析，一端固定一端自由的安裝方式更適合垂直安裝，本次研究的數控人字齒銑削中心Z軸進給系統為垂直方向的往復直線運動，所以第四種支撐方式較為合適。

支撐形式為固定-自由，由于絲杠較長，所以使用壓桿穩定性來計算臨界載荷，通過計算與校核表明絲杠可以保持穩定性，通過校核臨界轉速表明該傳動結構不會發生共振。

4.2 軸承的選擇

軸承的主要功能就是用來減少工作過程中的摩擦系數，支撐軸承內部的轉體的。軸承的加工制造精度要求很高，所以與軸承相配合安裝的零件的加工精度要求也很高，軸承受損后就不能達到正常的使用效果，可能會導致軸承里面的滾動體和保持架架出現卡死的現象。現代機械設備因軸承卡死而引發的故障，一般都是因為沒有按照要求安裝軸承和軸承配合件。軸承與相配合的工件連接準確能夠延長它的使用壽命。

滾動軸承由內圈、滾動體、保持架和外圈組成，它的體積較小、滾珠與內外圈之間的阻力不高、轉動準確性好、裝拆方便等因此使用廣泛。滾動軸承按絲杠的安裝方式和負載的形式不同，其組合方式也有所差異，選擇合適的軸承可以提高整個進給系統的精度。根據分析各類滾動軸承的特點，本次設計選擇深溝球軸承和推力球軸承組合使用，最為適合Z軸負荷較大、轉速較低的工作條件。

4.3 電機和減速器的選擇

伺服電機是整個進給系統的動力源，是伺服系統的核心，從數控系統的初始端接收所發來的控制信號，然后進行識別并將所發出的控制信號命令放大數倍，通過伺服電機帶動轉子轉動產生轉矩力，然后將轉矩力輸出，從而可以驅動數控機床進給機構實現運動所需要的動力。電機的種類包括步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機、直線電機。電機選擇是否恰當，對整個機械的性能及成本、機械傳動系統的組成及其繁簡程度將有直接影響[3]。通過對比各類型電機的特點，選用用交流伺服電機比較符合本次設計的使用要求。

減速器的作用是降低轉速、增大扭矩、減小慣量等。根據工作方式的不同可以分為行星齒輪減速器、圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器、圓錐-圓柱齒輪減速器和蝸桿減速器。

通過對比上述幾種減速器的性能和使用功能性，結合本次設計采用的是交流伺服電機，同時需要高精度、大扭矩傳動，所以采用行星減速器來實現減速的目的。

5 Z軸導軌設計

支撐和引導移動部件在特定運動軌跡上運動的部件被稱為導軌。運動部件的運動軌跡有直線性運動、彎曲運動和圓周運動。數控機床進給系統的運動精度受導軌制造精度影響。導軌在制造過程中的誤差將直接影響工作臺運行的定位精度和幾何精度。導軌是數控機床進給系統的核心傳動部件之一。它在很大程度上決定了數控機床的精度和精度保持率，也是機床制造商中附加值最高的產品之一。由于執行部件（主軸箱、滑動箱、工具）的質量很大，在重型數控機床上，對導軌的承載能力和重型重切削下的動態性能提出了更高的要求。

本文設計的數控人字齒銑削中心Z軸，其復合拖板上裝有進給軸（Y軸）、立銑刀主軸箱（SP1軸）和盤銑刀主軸箱（SP2軸），一般滑動導軌或滾動導軌不能滿足該軸的傳動精度和承載能力要求，靜壓導軌結構復雜，維護困難，技術成本高，應用少。因此，采用滾動導軌和滑動導軌復合，既有滾動導軌的高速和高精度優點，又結合了滑動導軌平穩承載能力大的優點，使機床運動精度高，承載能力大，其優越性如表2所示。

表2 滾滑復合導軌的優越性

復合拖板上裝有進給軸（Y軸）、立銑刀主軸箱（SP1軸）和盤銑刀主軸箱（SP2軸），Z軸復合拖板在整個機床中起著至關重要的作用，其加工精度、力學性能和結構的合理性影響著進給軸和數控軸的運行精度。采用空心結構，可以減輕質量、節約材料，并且減小壁厚，加大截面的尺寸可以提高結構的剛性，設置隔板和加強筋，提高復合拖板的自身剛度和局部剛度。

6 結語

隨著全球經濟和科學技術的發展，中國機床行業的首要問題是提高自主創新能力。投資開發高端的自動化設備和高利潤的復合專用機床應用于當今的制造業是推進社會發展的切實需求。在加工退刀槽小的人字齒輪時，滾齒等通用方法無法加工，采用指形銑、插齒等方法加工，效率較低，因此設計一種高效的、高精度的人字齒輪加工機床成為迫切的需求。