基于數(shù)控技術(shù)的銑齒機改造

螺旋錐齒輪(即曲線齒錐齒輪)按其齒面節(jié)線形狀的不同可分為圓弧齒錐齒輪、延伸外擺線錐齒輪、準(zhǔn)漸開線錐齒輪等類型。

某機床廠生產(chǎn)的H1—003延伸外擺線錐齒輪銑齒機可加工最大工件直徑110 mm時，齒數(shù)5～80，模數(shù)0.3-1.5 mm的等高齒螺旋錐齒輪(延伸外擺線錐齒輪)。該機床存在明顯的不足：①剛性差。雖然該機床可加工最大工件直徑110 mm的齒輪，但事實上當(dāng)加工的工件直徑接近或達(dá)到110 mm，機床振動很大，加工出來的齒輪齒面粗糙度差，加工效率低。②加工范圍窄。當(dāng)齒輪齒數(shù)小于5齒時，不能加工;當(dāng)齒輪齒數(shù)大于等于5齒且接近5齒時，由于機床內(nèi)部的一對蝸輪蝸桿副轉(zhuǎn)速很高，接近機床設(shè)計的最高警戒轉(zhuǎn)速，機床磨損十分嚴(yán)重。連續(xù)加工這種齒輪，不到半年機床就需要大修甚至報廢。③修理難。機床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動鏈長，修理用時長，且大修成本高，大修后精度明顯下降。

鑒于此，決定對一臺精度下降的HI-003銑齒機進(jìn)行數(shù)控化改造試驗。

1 擺線齒錐齒輪銑齒機工作原理

1.1 銑齒機3個相關(guān)聯(lián)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動

銑齒機切齒加工時存在3個相關(guān)聯(lián)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動：①銑刀盤旋轉(zhuǎn)切削運動;②工件(輪坯)的旋轉(zhuǎn)分齒運動;③機床搖臺相對于工件的展成運動。

由于搖臺轉(zhuǎn)動(即進(jìn)給運動)使平面產(chǎn)形齒輪在銑刀盤旋轉(zhuǎn)切削運動的基礎(chǔ)上產(chǎn)生附加運動，這樣工件的旋轉(zhuǎn)分齒運動在原來運動的基礎(chǔ)上產(chǎn)生相應(yīng)的附加運動(差動)，通過這種滾切運動形成所需要的齒形。

1.2 銑齒機3個相關(guān)聯(lián)連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動之間的關(guān)系

圖1 所示為銑齒機傳動系統(tǒng)模式

設(shè)Z0為銑刀盤刀齒組數(shù);Z為被加工齒輪的齒數(shù);ZP為冠輪齒數(shù);Wh為搖臺的角速度;Wr為冠輪的轉(zhuǎn)運動(銑刀盤轉(zhuǎn)動、工件轉(zhuǎn)動和搖臺轉(zhuǎn)動)之間的關(guān)系。

2 機床數(shù)控技術(shù)

2.1 數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的中樞，它接受輸入裝置送來的脈沖信息，進(jìn)行編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種信息和指令，控制機床的各個部分，進(jìn)行規(guī)定的有序動作。

2.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)

在數(shù)控機床上通常按不同的要求選用反應(yīng)式步進(jìn)電動機、混合式步進(jìn)電動機、直流伺服電動機或交流伺服電動機。

2.3 檢測元件

檢測元件的作用是檢測位移和速度的實際值，并向數(shù)控裝置或伺服裝置發(fā)送反饋信號，從而構(gòu)成閉環(huán)控制。如光電編碼器、光柵尺等。

2.4 機械傳動部件

2.5 直線滾動導(dǎo)執(zhí)副

直線滾動導(dǎo)軌副可使機床的零部件(如床鞍)執(zhí)行往復(fù)直線運動。

3 機床數(shù)控化改造設(shè)計思路

3.1 機床數(shù)控化改造原理

機床數(shù)控化改造設(shè)計思路分析:由式(16)知，當(dāng)機床工作時，如果我們用編碼器來跟蹤機床中銑刀盤旋轉(zhuǎn)切削運動，那么銑刀盤旋轉(zhuǎn)切削運動、工件(輪坯)旋轉(zhuǎn)分齒運動和搖臺相對于工件的展成運動三者之間的關(guān)系與數(shù)控車床加工螺紋時相當(dāng)，因此可以嘗試用車床數(shù)控系統(tǒng)對銑齒機進(jìn)行數(shù)控化改造,機床數(shù)控化改造原理示意見圖2所示。

3. 2 機床數(shù)控化改造主要零部件參數(shù)(見表1)

表1 主要零部件參數(shù)

注:床位的移動方式不變

3. 3 主要傳動參數(shù)關(guān)系式推導(dǎo)

根據(jù)式(7)和式(14)，結(jié)合機床切齒過程，當(dāng)加工左旋齒輪時，搖臺轉(zhuǎn)動(Wh)方向與冠輪轉(zhuǎn)動(WP)方向相反，故么ΔWp<0，ΔWh>0由式(16)得:

設(shè)此時銑齒機的切齒過程相當(dāng)于螺距為P1的螺紋切削過程，于是：

(z1為左旋齒輪齒數(shù)，系數(shù)60與電機步距角等零部件的參數(shù)有關(guān)，通過計算得到)。

同理，當(dāng)加工右旋齒輪(記齒數(shù)為歷Zz時，同樣Wn>0，又設(shè)此時銑齒機的切齒過程相當(dāng)于螺距為P2的螺紋切削過程，可得：

公式(18)和(20)的推導(dǎo)，進(jìn)一步表明了機床中銑刀盤旋轉(zhuǎn)切削運動、工件(輪坯)的旋轉(zhuǎn)分齒運動和搖臺相對于工件的展成運動三者之間的運動關(guān)系與螺紋切削相當(dāng)，亦即數(shù)控銑齒機的切齒過程“就是”螺紋切削過程。

4 數(shù)控系統(tǒng)程序參數(shù)計算

=21191.26

將U、W、P2^/的數(shù)值代入通用程序中即可。左旋齒輪按式(18)計算(略)。

U、W、P的計算已編寫成軟件包，使用十分方便。數(shù)控化改造后機床的機械部分的調(diào)整卡計算和調(diào)整與原銑齒機相同。

5 加工試驗

數(shù)控化改造后的H1—003銑齒機，在加工直徑110mm的齒輪(甚至加工直徑達(dá)125mm的齒輪)時機床振動小，齒輪齒面粗糙度好、精度高、生產(chǎn)率高。

6 結(jié)論

1)經(jīng)改造的機床中沒有了高速轉(zhuǎn)動的蝸輪蝸桿副，在加工齒數(shù)小于5齒、等于5齒或接近5齒的齒輪時，原機床的這一主要磨損現(xiàn)象消失，這對保持改造后的銑齒機的精度極為有利。

2)設(shè)計采用數(shù)控化改造，使之較原銑齒機內(nèi)部結(jié)構(gòu)大大簡化，傳動鏈大大縮短，增強了剛性，擴大了加工范圍，提高了精度，調(diào)機方便，操作簡單，提高了生產(chǎn)率。

3)創(chuàng)造性地采用車床數(shù)控系統(tǒng)并自編軟件大大降低了改造成本，建立了自己的知識產(chǎn)權(quán)，并方便使用者使用。

4)如對數(shù)控系統(tǒng)和軟件做進(jìn)一步完善，還可使機床的床位移動方式實現(xiàn)自動化。

本文的設(shè)計思路、方法和相關(guān)技術(shù)對齒輪機床制造廠家和齒輪制造廠家的機床數(shù)控化改造具有較好的參考價值。