李 光

(沈陽機(jī)床(集團(tuán))設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽 110142)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床與加工中心將逐步取代普通機(jī)床。TH6563×63型臥式加工中心是現(xiàn)代通用數(shù)控加工設(shè)備之一。是一款帶有40把刀的刀庫、具有自動(dòng)換刀功能的數(shù)控機(jī)床。它的主參數(shù)是用工作臺(tái)的長度和寬度的1/10表示，即工作臺(tái)的長度和寬度均是630 mm。TH6563×63型臥式加工中心可以用來完成中小零件的鏜孔、鉆孔、鉸孔、攻絲、銑削平面及加工空間曲面。因此，這種機(jī)床需要較寬的主軸轉(zhuǎn)速范圍及較大的扭矩。其主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)(簡稱主運(yùn)動(dòng))設(shè)計(jì)的是否合理，決定了機(jī)床的性能高低。本文介紹了該機(jī)的主運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)。

1 主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 主軸轉(zhuǎn)速及扭矩的確定

TH6563×63型臥式加工中心的用途是完成零件的鏜孔、鉆孔、鉸孔、攻絲、銑削平面及空間曲面的加工，其主軸的轉(zhuǎn)速就要有較寬的轉(zhuǎn)速范圍及較大扭矩。根據(jù)市場調(diào)研結(jié)果確定主軸的轉(zhuǎn)速范圍為10～4 500 r/min、最大扭矩為750 N·m、主軸電動(dòng)機(jī)的功率定為22 kW。根據(jù)TH6563×63型臥式加工中心的使用特點(diǎn)，一般在粗鏜孔及粗銑平面時(shí)需要大扭矩，此時(shí)的主軸轉(zhuǎn)速一般不高于300 r/min。因此，將主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速定為280 r/min，即主軸轉(zhuǎn)速在10～280 r/min之間為恒扭矩區(qū)(主軸扭矩為750 N·m);在280～4 500 r/min之間為恒功率區(qū)(主軸滿功率)，好的機(jī)床應(yīng)在恒功率區(qū)段沒有功率缺口。理想的TH6563×63型臥式加工中心的功率、扭矩圖應(yīng)該是圖1的形狀。

1.2 主電動(dòng)機(jī)的選擇

根據(jù)TH6563×63型臥式加工中心的主軸轉(zhuǎn)速及扭矩要求及采用的數(shù)控系統(tǒng)，選擇合適型號(hào)的主電動(dòng)機(jī)是主運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。在選擇主電動(dòng)機(jī)時(shí)，一定要考慮主傳動(dòng)鏈在結(jié)構(gòu)上的可實(shí)現(xiàn)及合理性。首先，要根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)中給出的機(jī)床主軸箱結(jié)構(gòu)尺寸畫出軸系的截面圖，確定采用的變速級(jí)數(shù)及大齒輪的最大輪廓尺寸，確保不出現(xiàn)各部件的干涉現(xiàn)象。估算各齒輪的模數(shù)、齒數(shù)及最大降速比，見圖2。其次，根據(jù)主軸的轉(zhuǎn)速范圍、主軸最大扭矩、計(jì)算轉(zhuǎn)速及估算的降速比，估算需要的主伺服電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速、扭矩及額定功率上限轉(zhuǎn)速，初選較為接近的主伺服電動(dòng)機(jī)型號(hào)(如本案中的FANUC α22/7000i)。

1.3 主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)截面草圖及軸向展開草圖，繪制主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)圖(見圖3)及轉(zhuǎn)速圖(見圖4)。根據(jù)軸向空間，首先確定幾檔變速;然后，按估算的齒輪模數(shù)(m=3.5 mm)，在結(jié)構(gòu)允許的條件下選擇各齒輪的齒數(shù)。由于在軸2、3之間有兩對齒輪，在選擇各齒輪的齒數(shù)時(shí)要保證每對齒輪的齒數(shù)和相同或接近。最終確定1軸齒輪齒數(shù)為32、2軸小齒輪齒數(shù)為30、2軸大齒輪齒數(shù)為67、3軸小齒輪齒數(shù)為40、3軸大齒輪齒數(shù)為77。低檔傳動(dòng)比為0.186，高傳動(dòng)比為0.8。主軸在低檔區(qū)主電動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速在額定功率上限轉(zhuǎn)速6 000 r/min以下;主軸在高檔區(qū)主電動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速在1 307.5～5 625 r/min之間。由于本案采取兩檔變速，最終設(shè)計(jì)的主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主軸轉(zhuǎn)速在1 116～1 200 r/min時(shí)是有功率缺口的，見圖5最終的功率扭矩圖。由于其轉(zhuǎn)速范圍很窄，且功率損失不足10%是可行的。

2 主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)截面草圖及軸向展開草圖，繪制主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的展開圖(見圖6)。TH6563×63型臥式加工中心的主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)由3根軸、5個(gè)齒輪組成。主電動(dòng)機(jī)1通過法蘭盤2固定在主軸箱體3上;通過平鍵與齒輪軸5直聯(lián)。齒輪軸5通過軸承4、6支撐在主軸箱體3上。齒輪7、9為變速滑移齒輪，它們通過軸承8、10支撐在傳動(dòng)軸11上，傳動(dòng)軸11通過滑套支撐在主軸箱體3上，傳動(dòng)軸11不做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在變速油缸12的作用下可左右移動(dòng);齒輪16、17固定在機(jī)床的主軸13上，主軸13通過軸承14、15支撐在主軸箱體3上。齒輪7無論是高檔或低檔始終與齒輪軸5的輪齒嚙合，當(dāng)變速油缸12處于左邊時(shí)，齒輪9與主軸上的齒輪17嚙合，是低檔轉(zhuǎn)速區(qū);當(dāng)變速油缸12處于右邊時(shí)，齒輪7與主軸13上的齒輪16嚙合，是主軸的高檔轉(zhuǎn)速區(qū)。為提高齒輪的傳動(dòng)平穩(wěn)性和增大齒輪強(qiáng)度所有齒輪均采用斜齒輪，螺旋角為10°。

3 主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)結(jié)論

通過上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，及對齒輪、支撐軸和軸承的強(qiáng)度、壽命校核(略)，主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是滿足傳動(dòng)要求的，經(jīng)試造驗(yàn)證該設(shè)計(jì)是成功的。

［1］濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.7 版.北京:高等學(xué)校出版社，2001.

［2］徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第三卷)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

［3］《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》編寫組.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第三冊)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986.