車床縱向進(jìn)給裝置的設(shè)計(jì)

□ 洪春萍

天水星火機(jī)床有限責(zé)任公司 甘肅天水 741024

1 設(shè)計(jì)背景

隨著我國(guó)機(jī)床行業(yè)新產(chǎn)品持續(xù)發(fā)展更新,大重型及長(zhǎng)行程機(jī)床的需求量不斷增加,對(duì)機(jī)床構(gòu)件加工精度的要求不斷提高。在設(shè)備基礎(chǔ)部件剛性、精度等達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的前提下,提高機(jī)床整體的剛性、精度及傳遞扭矩已成為機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。現(xiàn)有的機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中,所采用的進(jìn)給傳動(dòng)方式主要有齒輪齒條傳動(dòng)副、滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副、靜壓蝸桿蝸母?jìng)鲃?dòng)副等[1]。為了保證機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的定位精度和靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能,進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮機(jī)床具有高傳動(dòng)剛度、低摩擦因數(shù)、小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,以及消除齒側(cè)傳動(dòng)間隙等[2]。

在進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,齒輪齒條傳動(dòng)副適用于長(zhǎng)行程機(jī)床,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度和效率高,但傳動(dòng)不夠平穩(wěn),傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的齒側(cè)間隙導(dǎo)致傳動(dòng)精度不高。滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副摩擦損失小,傳動(dòng)效率高,運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)無(wú)爬行,主要適用于行程較短的機(jī)床。對(duì)于行程超過(guò)6 m的長(zhǎng)行程機(jī)床,隨著絲杠的加長(zhǎng),撓度增大,絲杠中部容易產(chǎn)生彎曲變形,使刀架移動(dòng)定位精度超差,無(wú)法達(dá)到傳動(dòng)精度要求。另一方面,機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大,既增加生產(chǎn)成本,又降低機(jī)床的使用可靠性。靜壓蝸桿蝸母?jìng)鲃?dòng)副的軸向牽引力大,運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),反向沖擊小,無(wú)磨損,無(wú)傳動(dòng)間隙,精度高,但是蝸母的制造難度大,安裝工藝性差,精度不容易保證,屬高附加值產(chǎn)品,制造成本高。

綜合分析現(xiàn)有進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的不足與缺陷,為提高機(jī)床整體的加工精度,使進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)更加簡(jiǎn)單實(shí)用,經(jīng)過(guò)調(diào)查研究,采各家所長(zhǎng),結(jié)合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念,針對(duì)行程在6 m以上的數(shù)控重型車床,設(shè)計(jì)了車床縱向進(jìn)給裝置,采用雙齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案。雙齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將機(jī)床縱向進(jìn)給傳動(dòng)中普通的滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)改為雙齒輪與床身齒條的嚙合,以此來(lái)達(dá)到縱向進(jìn)給的目的,可以消除齒輪正反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的齒側(cè)間隙,定位精度高。與普通滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)相比,雙齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)性能可靠,適用性強(qiáng),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,提高了機(jī)床整體的加工精度。雙齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)適用于機(jī)床制造領(lǐng)域中數(shù)控重型臥式車床的進(jìn)給傳動(dòng),特別適用于長(zhǎng)行程車床的縱向傳動(dòng),可以減小傳動(dòng)磨耗,剛度和工藝性好,調(diào)整方便。雙齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以彌補(bǔ)滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)剛度差、靜壓蝸桿蝸母?jìng)鲃?dòng)生產(chǎn)成本高的不足。目前,筆者公司生產(chǎn)的CC系列重型臥式車床傳動(dòng)進(jìn)給箱采用了所設(shè)計(jì)的車床縱向進(jìn)給裝置。

2 傳動(dòng)原理

縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)原理如圖1所示。電機(jī)軸Ⅰ由交流伺服電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn),經(jīng)Z1Z2、Z3Z4兩級(jí)齒輪嚙合傳遞至傳力軸Ⅲ。在傳力軸Ⅲ上有兩個(gè)齒數(shù)和模數(shù)均相同,但旋轉(zhuǎn)方向相反的齒輪Z5、Z6,分別與二級(jí)齒輪軸Ⅳ上齒輪Z7、二級(jí)齒輪軸Ⅶ上齒輪Z8嚙合,帶動(dòng)二級(jí)齒輪軸Ⅳ、Ⅶ旋轉(zhuǎn),再分別經(jīng)兩級(jí)齒輪傳遞至雙斜齒輪。雙斜齒輪與床身上齒條嚙合,達(dá)到縱向進(jìn)給的目的[3]。

▲圖1 縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)原理

3 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車床縱向進(jìn)給裝置結(jié)構(gòu)中,進(jìn)給箱和刀架床鞍合為一體。進(jìn)給箱立軸分布,兩傳動(dòng)鏈對(duì)稱分布。電機(jī)軸Ⅰ,降速軸Ⅱ,傳力軸Ⅲ,二級(jí)齒輪軸Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅷ,斜齒輪軸Ⅵ、Ⅸ,以及各軸上安裝的圓柱齒輪組成車床縱向進(jìn)給裝置,各軸之間均由圓柱齒輪嚙合。傳力軸Ⅲ兩端分別裝有模數(shù)和齒數(shù)相同、旋轉(zhuǎn)方向相反的傳力斜齒輪Z5、Z6,傳力斜齒輪Z5、Z6分別與二級(jí)齒輪軸Ⅶ、Ⅳ上安裝的斜齒輪Z7、Z8嚙合。斜齒輪軸Ⅵ、Ⅸ外端安裝有消隙齒輪Z15、Z16。傳力軸Ⅲ的一端安裝有碟簧,碟簧外端安裝有螺母壓蓋。由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙齒輪齒條消隙進(jìn)給箱,經(jīng)床身上的斜齒條實(shí)現(xiàn)大縱向無(wú)級(jí)調(diào)速快速移動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)[4]。

4 消隙原理

數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)裝置中,常采用齒輪傳動(dòng)副來(lái)達(dá)到降速比和轉(zhuǎn)矩的要求。由于齒輪齒面在制造中存在一定誤差,不可能達(dá)到理想齒面的要求,因此一對(duì)嚙合的齒輪總應(yīng)有一定的齒側(cè)間隙,才能正常工作[5]。齒側(cè)間隙的存在會(huì)造成進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的反向動(dòng)作落后于數(shù)控系統(tǒng)指令要求,形成跟隨誤差,甚至是輪廓誤差。對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)而言,齒側(cè)間隙還會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此,齒輪傳動(dòng)副常采用各種消除側(cè)隙的措施,以盡量減小齒側(cè)間隙。工作行程長(zhǎng)的大型機(jī)床通常采用雙齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu),通過(guò)碟簧自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整來(lái)消除間隙。所設(shè)計(jì)的車床縱向進(jìn)給裝置通過(guò)旋緊傳力軸Ⅲ頂端的螺母壓蓋,壓迫碟簧使傳力軸Ⅲ產(chǎn)生一定的軸向位移,再利用傳力軸Ⅲ上一對(duì)齒數(shù)、模數(shù)相同但旋轉(zhuǎn)方向相反的斜齒輪,使二級(jí)齒輪軸Ⅳ向不同方向旋轉(zhuǎn),以此達(dá)到雙齒輪消隙的目的。

5 間隙調(diào)整

臥式車床縱向進(jìn)給傳動(dòng)由進(jìn)給箱內(nèi)的齒輪帶動(dòng)齒條傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn),通過(guò)雙齒輪消隙機(jī)構(gòu)的調(diào)整,可以使兩個(gè)斜齒輪與床身齒條同時(shí)嚙合來(lái)消除間隙,從而保證正反向傳動(dòng)的準(zhǔn)確性[6]。間隙調(diào)整時(shí),在傳力軸ⅢA端施加預(yù)緊力矩。傳力軸Ⅲ向下移動(dòng),帶動(dòng)左旋斜齒輪Z7和右旋斜齒輪Z8向下移動(dòng)。左旋斜齒輪Z7向下移動(dòng),迫使二級(jí)齒輪軸Ⅳ做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)齒輪嚙合帶動(dòng)二級(jí)齒輪軸Ⅴ、斜齒輪軸Ⅵ旋轉(zhuǎn)。右旋齒輪Z8迫使二級(jí)齒輪軸Ⅶ逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)齒輪嚙合帶動(dòng)二級(jí)齒輪軸Ⅷ、斜齒輪軸Ⅸ旋轉(zhuǎn)。這樣就使左旋齒輪軸、右旋齒輪軸分別按逆時(shí)針和順時(shí)針兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而使斜齒輪B左側(cè)齒面、斜齒輪C右側(cè)齒面同時(shí)與床身齒條緊密嚙合,形成無(wú)側(cè)隙嚙合,從而消除進(jìn)給箱內(nèi)齒輪傳動(dòng)造成的反向間隙及死區(qū)誤差。預(yù)緊力矩的大小以既能消除反向間隙,又能使齒條移動(dòng)自如為宜。預(yù)緊力矩過(guò)小,不足以消除反向間隙。預(yù)緊力矩過(guò)大,對(duì)齒輪齒條壽命有影響。預(yù)緊力矩調(diào)整時(shí),可通過(guò)專用工具旋轉(zhuǎn)輸出軸來(lái)對(duì)兩個(gè)斜齒輪施加載荷,進(jìn)行預(yù)緊,使兩個(gè)斜齒輪與齒條的齒面同時(shí)嚙合,起到消除傳動(dòng)間隙、提高傳動(dòng)精度的作用[7-9]。

6 結(jié)束語(yǔ)

所設(shè)計(jì)的車床縱向進(jìn)給裝置已在筆者公司生產(chǎn)的數(shù)控重型臥式車床上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用,并申請(qǐng)了實(shí)用新型專利[10],性能穩(wěn)定可靠。實(shí)踐表明,車床縱向進(jìn)給裝置具有性能可靠、實(shí)用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì),特別適合用于長(zhǎng)行程車床的縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng),可以在重型臥式車床縱向進(jìn)給傳動(dòng)中得到廣泛的應(yīng)用。