雙齒輪齒條消隙結構在重型數控落地銑鏜床中的應用

王海軍，丁巖

（齊齊哈爾二機床（集團）有限責任公司 設計研究院，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

0 引 言

隨著機械加工制造業的發展，以及國防、能源、航空航天等領域的快速發展和進步，加工產品的大型化、重型化對重型數控落地銑鏜床的進給系統提出了越來越高的要求。重型數控落地銑鏜床的進給系統，要求對部件的位置和進給速度等同時實現自動控制，而且要求有較高的定位精度和動態響應特性。但重型數控落地銑鏜床進給系統由于經常執行自動變向動作，如果傳動鏈中齒輪傳動副存在間隙，反向時就會使進給運動滯后，影響傳動鏈的系統精度，從而影響加工精度。因此，要想得到高的加工精度，就必須消除齒輪傳動副中的間隙，以提高重型數控落地銑鏜床的定位精度［1］。在重型數控落地銑鏜床的X軸進給傳動系統設計中，我們采用了雙齒輪齒條結構來消除齒輪傳動副中的間隙，從而大大地提高了機床X 軸進給的定位精度。

1 重型數控落地銑鏜床結構及功能簡介

重型數控落地銑鏜床主要由床身、滑座、進給箱、立柱、主軸箱、滑枕等主要部分組成（如圖1），滑座在床身上移動稱為X 軸，主軸箱在立柱上垂直移動稱為Y 軸［1］，滑枕在主軸箱中移動稱為W 軸，鏜軸在滑枕中的移動稱為Z 軸。基于機床的結構及工藝特點，重型數控落地銑鏜床是一種加工范圍極廣、自由度很大的機床，主要用來加工形狀復雜、要求精度較高的箱體類零件，如銑削平面、鉆削、鏜孔和加工端面等，在一次裝夾后能完成較多的工序。

其方滑枕端面可裝多種特殊附件，從而擴大了機床能力和工藝范圍。數控落地銑鏜床適用于汽輪機、重型電機、船舶、重型機床和其他重型機器制造業的單件、小批加工形狀復雜的大型零件［2］。

2 重型數控落地銑鏜床X 軸特點分析

與其他機床相比，重型數控落地銑鏜床X 軸具有以下特點：

圖1 機床外觀圖

2.1 X 軸行程大

由于該機床主要用于汽輪機、重型電機、船舶、重型機床和其他重型機器殼體等大型零件的加工，因此需要X 軸具有較大的行程，X 軸行程一般為8～12 m，根據用戶的要求甚至可達到30 m。

2.2 負載大

由于此軸需要帶動滑座、進給箱、立柱、主軸箱等約重50 t 的部件移動，再加上切削力、慣性等因素，X 軸至少需要提供15 t 的推力。

如果X 軸的進給采用絲杠結構，則絲杠的拉壓變形約占整個傳動系統總變形的30%～50%，當機床進給軸較長時，普通滾珠絲杠難以勝任大負荷傳動，并且長滾珠絲杠的制造也有較大的難度［1］。

圖2 雙齒輪齒條傳動系統結構圖

由于負重大等因素的影響，立柱移動時阻力會有一定的波動，很容易發生爬行現象。基于以上情況，在X 軸進給系統中采用具有消隙功能的雙齒輪齒條進給結構，這樣可有效地避免采用滾珠絲杠的弊端以及X 軸進給定位精度不準、爬行現象的發生［1］。

3 X 軸進給箱結構及消隙原理

如圖2 所示，滑座沿床身的水平移動由X 向的進給箱驅動，進給箱位于滑座的空腔內，末級傳動元件為高精度齒條1。滑座進給傳動由伺服進給電機2 驅動，經多級齒輪降速，并通過Ⅲ軸上的兩個小齒輪3、4 同步傳到兩個Ⅳ軸上，最后再傳到Ⅴ、Ⅴ′軸上，Ⅴ軸是兩個懸伸的齒輪軸，齒輪與固定在床身上的齒條嚙合，則伺服電機的動力通過Ⅴ軸齒輪與齒條的嚙合，帶動滑座在床身上做水平移動。

在Ⅲ軸上部裝有碟形彈簧柔性自動消隙結構，消隙時將Ⅲ軸上部法蘭盤里面的螺母5 向下擰緊，則螺母5通過推力軸承6 壓緊蝶形彈簧7，碟形彈簧7 又壓在Ⅲ軸上，最終Ⅲ軸向下移動（軸兩端的軸承是軸向不定位的圓柱滾子軸承），這時因為Ⅲ軸上的兩個小齒輪為旋向相反的斜齒輪，向下移動后，斜齒輪齒面將使與之相嚙合的兩個Ⅳ軸上的齒輪做微量旋向相反的旋轉運動，然后這種旋轉運動又傳到Ⅴ軸的兩個懸伸的齒輪上，使得兩個齒輪的齒面分別壓緊在齒條上兩處相反的齒面上，從而實現了消除傳動間隙。

4 結 語

采用預載雙齒輪齒條結構的傳動系統結構相對復雜一些，對裝配工人技術水平的要求也相應提高，但是預載雙齒輪齒條結構的傳動系統，解決了長行程高負載下滾珠絲杠難以解決的問題，同時有效地消除了齒輪與齒輪、齒輪與齒條間的側隙，保證了立柱平穩移動，在實際使用中有效地解決了機床X 進給軸的爬行現象［1］和X 軸反向時定位精度不準的問題。現在，預載雙齒輪齒條結構已在重型數控落地銑鏜床中得到了普遍應用，并取得了滿意的效果。

［1］ 楊學華.機械設計中齒輪傳動側隙的解決方法［J］.昆明理工大學學報：理工版，2007，32（5）：9－13.

［2］ 齊齊哈爾二機床（集團）有限責任公司.TK6920 型數控落地銑鏜床使用說明書（機械部分）［M］.