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(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dòng)系統(tǒng)的良好設(shè)計(jì)對(duì)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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(dòng)系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

在通用銑床內(nèi)部，主軸箱內(nèi)的齒輪傳動(dòng)需長(zhǎng)期保持高荷載和高速的運(yùn)行，其傳動(dòng)精度會(huì)在很大程度上對(duì)機(jī)床加工精度產(chǎn)生影響。而傳動(dòng)齒輪在切削時(shí)很可能會(huì)因高速或重載問題出現(xiàn)過大的噪聲和振動(dòng)，由此造成主傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，對(duì)于改善數(shù)控龍門銑床加工質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1　數(shù)控龍門銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)調(diào)速方式

數(shù)控龍門銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)可采用多種配置方式，應(yīng)用比較廣泛的是無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)與分級(jí)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(dòng)系統(tǒng)通常選用無(wú)級(jí)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(wú)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)種類可分為以下幾種：

（1）高低檔兩端變速傳動(dòng)：通常選用齒輪兩檔變速機(jī)構(gòu)，可與相對(duì)經(jīng)濟(jì)的額定轉(zhuǎn)速較高的無(wú)級(jí)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(shí)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(dòng)：一般選用同步帶傳動(dòng)方式，同時(shí)還可選用齒輪傳動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)化。在升速傳動(dòng)時(shí)，可得到較高轉(zhuǎn)速，但恒功率范圍相對(duì)較小，低速扭矩也相對(duì)減小；在減速傳動(dòng)時(shí)，恒功率范圍與主軸扭矩均可獲得提升，但擴(kuò)展程度相對(duì)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(dòng)：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(wú)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(shí)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(jí)變速方式基本一致。但此種結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，且因選用齒輪多級(jí)傳動(dòng)方式，最高轉(zhuǎn)速容易受到限制。

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

因不同傳動(dòng)方式有不同的使用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)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?dòng)方式。

2　數(shù)控龍門銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(gè)等效圓盤間的軸段，其自身的扭轉(zhuǎn)剛度會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不同長(zhǎng)度的影響，軸段的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)過程中，其主要作用在于利用自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力進(jìn)行動(dòng)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)慣量是影響扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的主要因素，所以，把各軸段的傳動(dòng)慣量對(duì)半分別布置在兩剛性圓盤上。

2.2傳動(dòng)方案確定

依據(jù)數(shù)控龍門銑床加工特點(diǎn)，可選用兩箱分離傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。此種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)是指先分解主軸傳動(dòng)部分結(jié)構(gòu)，然后利用兩箱結(jié)構(gòu)對(duì)主軸箱和減速箱進(jìn)行定義。在對(duì)兩箱結(jié)構(gòu)分離后，可保證主軸不會(huì)對(duì)由傳動(dòng)產(chǎn)生的熱量和振動(dòng)進(jìn)行傳到，由此可避免因主振動(dòng)造成的熱變形，由此確保加工精度。此外，可進(jìn)一步簡(jiǎn)化主軸箱齒輪結(jié)構(gòu)，進(jìn)而降低箱體震動(dòng)引發(fā)的噪音和振動(dòng)。皮帶傳動(dòng)條件下，可對(duì)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈進(jìn)行精簡(jiǎn)，以改善工作可靠性和穩(wěn)定性，提高加工效率。低速轉(zhuǎn)動(dòng)的主軸則主要利用電控繼電控制的背輪機(jī)構(gòu)實(shí)施驅(qū)動(dòng)，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(dòng)系統(tǒng)軸設(shè)計(jì)

（1）選定滾動(dòng)軸承：使用滾動(dòng)軸承可對(duì)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(shí)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(dòng)軸設(shè)計(jì)：在設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸時(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)過程的穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)，為避免振動(dòng)發(fā)熱影響軸的磨損，應(yīng)利用扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)軸直徑進(jìn)行計(jì)算。

2.4傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)銑床齒輪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)齒輪組齒數(shù)進(jìn)行確定，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保輸出軸轉(zhuǎn)速誤差盡可能小，同時(shí)恰當(dāng)安排空間機(jī)構(gòu)。依據(jù)傳動(dòng)性能要求，齒輪齒數(shù)應(yīng)控制在18～20個(gè)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(shí)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(yǔ)

主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量將直接關(guān)系數(shù)控龍門銑床的運(yùn)轉(zhuǎn)精度和可靠性，因此，相關(guān)技術(shù)與設(shè)計(jì)人員應(yīng)加強(qiáng)有關(guān)數(shù)控龍門銑床的主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，總結(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及關(guān)鍵部位優(yōu)化措施，以逐步提升銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究[D].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),2013.

[2]馬祥英,蘇遠(yuǎn)彬.數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)的分析計(jì)算與設(shè)計(jì)[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(jì)研究[D].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué),2012.

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