關(guān)于數(shù)控龍門銑床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計研究

何曉峰（浙江日發(fā)精密機(jī)械股份有限公司,浙江　新昌　312500）

關(guān)于數(shù)控龍門銑床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計研究

何曉峰
（浙江日發(fā)精密機(jī)械股份有限公司,浙江新昌312500）

摘要：作為銑床工作的關(guān)鍵部分，主傳動系統(tǒng)的良好設(shè)計對于保證數(shù)控龍門銑床的正常工作具有重要作用。本文首先介紹了數(shù)控龍門銑床主傳動系統(tǒng)調(diào)速方式，然后具體探討了數(shù)控龍門銑床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計，以期為相關(guān)技術(shù)與研究人員提供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)控龍門銑床；主傳動系統(tǒng)；設(shè)計

在通用銑床內(nèi)部，主軸箱內(nèi)的齒輪傳動需長期保持高荷載和高速的運行，其傳動精度會在很大程度上對機(jī)床加工精度產(chǎn)生影響。而傳動齒輪在切削時很可能會因高速或重載問題出現(xiàn)過大的噪聲和振動，由此造成主傳動系統(tǒng)部件損壞，進(jìn)而干擾機(jī)床切削精度。如何做好數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，已成為機(jī)床加工企業(yè)面臨的重大課題。因此，加強(qiáng)有關(guān)數(shù)控龍門銑床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計研究，對于改善數(shù)控龍門銑床加工質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實意義。

1　數(shù)控龍門銑床主傳動系統(tǒng)調(diào)速方式

數(shù)控龍門銑床主傳動系統(tǒng)可采用多種配置方式，應(yīng)用比較廣泛的是無級變速系統(tǒng)與分級變速系統(tǒng)。為使數(shù)控龍門銑床獲得更大的加工轉(zhuǎn)速范圍，主傳動系統(tǒng)通常選用無級變速方式，以確保在固定的調(diào)速范圍內(nèi)可選用經(jīng)濟(jì)科學(xué)的主軸切削速度。主軸無級傳動系統(tǒng)機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)種類可分為以下幾種：

（1）高低檔兩端變速傳動：通常選用齒輪兩檔變速機(jī)構(gòu)，可與相對經(jīng)濟(jì)的額定轉(zhuǎn)速較高的無級調(diào)速電機(jī)相配合，不僅能得到較大的轉(zhuǎn)速，且能有效拓展恒功率范圍，以改善低速扭矩。此種結(jié)構(gòu)方式在需要較高轉(zhuǎn)速且能實行較大切削加工的區(qū)域比較常用。

（2）直接升速或減速傳動：一般選用同步帶傳動方式，同時還可選用齒輪傳動方式，結(jié)構(gòu)相對簡化。在升速傳動時，可得到較高轉(zhuǎn)速，但恒功率范圍相對較小，低速扭矩也相對減小；在減速傳動時，恒功率范圍與主軸扭矩均可獲得提升，但擴(kuò)展程度相對有限，或最高轉(zhuǎn)速容易受到約束[1]。

（3）高、中、低檔三段變速傳動：選用齒輪三檔變速機(jī)構(gòu)，與經(jīng)濟(jì)性較高的高額定轉(zhuǎn)速無機(jī)調(diào)速電機(jī)結(jié)合使用，不僅能提升轉(zhuǎn)速，且能較大程度擴(kuò)展恒功率范圍，提升低速扭矩，在需要高轉(zhuǎn)速且可實行大切削量加工的區(qū)域比較常用，其機(jī)械性能與齒輪有級變速方式基本一致。但此種結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，且因選用齒輪多級傳動方式，最高轉(zhuǎn)速容易受到限制。

（4）直接1:1傳動：可選用同步帶傳動方式或電機(jī)與主軸組件直聯(lián)方法，結(jié)構(gòu)相對簡化，容易大大高轉(zhuǎn)速，但低速扭矩相對較小，近在高速與輕切削區(qū)域適用。

因不同傳動方式有不同的使用范圍及優(yōu)缺點，在實際應(yīng)用中應(yīng)依據(jù)加工要求及使用標(biāo)準(zhǔn)選用恰當(dāng)?shù)膫鲃臃绞健?/p>

2　數(shù)控龍門銑床主傳動系統(tǒng)設(shè)計

2.1選定系統(tǒng)模型元件

（1）彈性元件：彈性元件指的是兩個等效圓盤間的軸段，其自身的扭轉(zhuǎn)剛度會對系統(tǒng)產(chǎn)生不同長度的影響，軸段的轉(zhuǎn)動慣量可與剛性圓盤進(jìn)行疊加，依照扭矩及扭轉(zhuǎn)角公式可得出軸的扭轉(zhuǎn)剛度。

（2）慣性元件：慣性元件指的是不同軸及軸上的卡盤、齒輪、直徑較大凸緣及皮帶輪等部件。在傳動系統(tǒng)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動過程中，其主要作用在于利用自身的轉(zhuǎn)動慣量對系統(tǒng)動力進(jìn)行動作。一根軸上的慣性元件，可將其全部集中在軸的兩端，以構(gòu)造出兩個等效圓盤，不考慮其扭轉(zhuǎn)變形，并把它假設(shè)為剛性圓盤，形影的轉(zhuǎn)動慣量可表示為：

其中m表示等效圓盤的質(zhì)量；I表示轉(zhuǎn)動慣量；ρ表示等效圓盤的等效直徑。

不同軸段的質(zhì)量及軸段轉(zhuǎn)動慣量是影響扭轉(zhuǎn)振動的主要因素，所以，把各軸段的傳動慣量對半分別布置在兩剛性圓盤上。

2.2傳動方案確定

依據(jù)數(shù)控龍門銑床加工特點，可選用兩箱分離傳動結(jié)構(gòu)。此種傳動結(jié)構(gòu)是指先分解主軸傳動部分結(jié)構(gòu)，然后利用兩箱結(jié)構(gòu)對主軸箱和減速箱進(jìn)行定義。在對兩箱結(jié)構(gòu)分離后，可保證主軸不會對由傳動產(chǎn)生的熱量和振動進(jìn)行傳到，由此可避免因主振動造成的熱變形，由此確保加工精度。此外，可進(jìn)一步簡化主軸箱齒輪結(jié)構(gòu)，進(jìn)而降低箱體震動引發(fā)的噪音和振動。皮帶傳動條件下，可對機(jī)構(gòu)傳動鏈進(jìn)行精簡，以改善工作可靠性和穩(wěn)定性，提高加工效率。低速轉(zhuǎn)動的主軸則主要利用電控繼電控制的背輪機(jī)構(gòu)實施驅(qū)動，其可形成更大的扭矩，以滿足高切削用量的加工標(biāo)準(zhǔn)。

2.3傳動系統(tǒng)軸設(shè)計

（1）選定滾動軸承：使用滾動軸承可對載荷與轉(zhuǎn)速有更強(qiáng)的適應(yīng)性，可在負(fù)間隙或零間隙狀態(tài)下卻熬旋轉(zhuǎn)剛度與精度。主軸軸承選用需同時考慮承載力與轉(zhuǎn)速。為確保主軸剛度，前端支撐軸承應(yīng)采用雙列向心短圓柱滾子軸承，后支承應(yīng)使用雙列短圓柱滾子軸承。

（2）傳動軸設(shè)計：在設(shè)計傳動軸時應(yīng)注意保留充足的剛度和強(qiáng)度。為保證數(shù)控機(jī)床運轉(zhuǎn)過程的穩(wěn)定性，在設(shè)計時也應(yīng)考慮相應(yīng)的精度標(biāo)準(zhǔn)。在軸承與軸上齒輪正常工作時，為避免振動發(fā)熱影響軸的磨損，應(yīng)利用扭轉(zhuǎn)剛度對軸直徑進(jìn)行計算。

2.4傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)銑床齒輪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對齒輪組齒數(shù)進(jìn)行確定，設(shè)計時應(yīng)確保輸出軸轉(zhuǎn)速誤差盡可能小，同時恰當(dāng)安排空間機(jī)構(gòu)。依據(jù)傳動性能要求，齒輪齒數(shù)應(yīng)控制在18～20個范圍內(nèi)，高速齒輪齒數(shù)應(yīng)高于25。若在相同變速組內(nèi)，相同模數(shù)，同時齒輪選用非變位齒輪，則齒輪組齒數(shù)和應(yīng)保證相同；若不同模數(shù)，且齒輪選用非變位齒輪，則齒輪模數(shù)應(yīng)與齒數(shù)成反比。

3　結(jié)束語

主傳動系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量將直接關(guān)系數(shù)控龍門銑床的運轉(zhuǎn)精度和可靠性，因此，相關(guān)技術(shù)與設(shè)計人員應(yīng)加強(qiáng)有關(guān)數(shù)控龍門銑床的主傳動系統(tǒng)設(shè)計，總結(jié)系統(tǒng)設(shè)計要點及關(guān)鍵部位優(yōu)化措施，以逐步提升銑床主傳動系統(tǒng)設(shè)計水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]于亮.大型數(shù)控龍門銑床主軸柔性傳動系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法研究[D].沈陽工業(yè)大學(xué),2013.

[2]馬祥英,蘇遠(yuǎn)彬.數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的分析計算與設(shè)計[J].裝備制造技術(shù),2007,08:41-43.

[3]王泉霖.龍門銑床結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計研究[D].長春工業(yè)大學(xué),2012.

作者簡介：何曉峰（1984-），男，浙江紹興人，本科，主要從事：機(jī)械設(shè)計。