□ 吳春紅

上海平信機電制造有限公司 上海 201085

1　優(yōu)化設(shè)計背景

某單位生產(chǎn)的90°弧齒錐齒輪嚙合機如圖1所示，是一種精密齒輪嚙合檢驗設(shè)備，其性能指標(biāo)、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性、安裝精度將直接影響齒輪加工機床所加工的錐齒輪產(chǎn)品的檢驗精準(zhǔn)度和檢驗質(zhì)量，檢驗數(shù)據(jù)可以反映相應(yīng)加工機床的加工精度，并可以作為調(diào)整弧齒錐齒輪加工機床坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度的依據(jù)。

該單位主要生產(chǎn)變角度錐齒輪嚙合機及固定角度錐齒輪嚙合機。長期以來，這兩類產(chǎn)品一直采用燕尾槽型導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)。隨著機床行業(yè)的發(fā)展，從安裝、調(diào)試、修磨工藝、裝配時效及提高生產(chǎn)效率方面考慮，對錐齒輪嚙合機導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計已勢在必行［1-4］。

2　可行性分析

90°弧齒錐齒輪嚙合機是典型的固定角度錐齒輪嚙合機，主要用于檢驗弧齒錐齒輪及直齒錐齒輪銑削加工后的齒面接觸區(qū)和齒輪副的尺寸、跳動、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性、安裝距離等情況，齒輪的軸交角為90°，不可調(diào)。相對于變角度錐齒輪嚙合機，90°弧齒錐齒輪嚙合機導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)的改進更具有代表性。

原產(chǎn)品中作為外協(xié)件的燕尾槽型導(dǎo)軌副，其加工周期受到外協(xié)單位加工水平、工藝、加工工期及成本上漲等不可控因素的嚴重影響，如果在滿足產(chǎn)品精度的情況下，改為采購標(biāo)準(zhǔn)成品件，不僅可以節(jié)約成本，而且能保證加工周期，從機器裝配調(diào)試工藝和裝配時效考慮，也會有所簡化和提高。

▲圖1 90°弧齒錐齒輪嚙合機

3　方案的確定

目前在機床行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用的線性導(dǎo)軌副具有支撐和導(dǎo)向性好、定位精度高、摩擦因數(shù)低、剛性足、潤滑簡單、組裝方便、互換性強等特點［5-7］，應(yīng)用相對成熟，產(chǎn)品系列齊全，在價格選擇和交貨工期上都有優(yōu)勢。在90°弧齒錐齒輪嚙合機上采用線性導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)，將是一種不錯的選擇。

4　結(jié)構(gòu)設(shè)計

從簡化設(shè)計結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，筆者對現(xiàn)有零件進行改制。涉及的兩個零件為帶燕尾托板和帶燕尾芯軸座，改制措施如下：①將托板的燕尾部分去除，可以作為滑軌的安裝固定面；②將芯軸座的燕尾槽去除，可以作為滑塊的連接面，同時考慮到兩個芯軸座裝配后軸線等高的要求和調(diào)節(jié)螺桿的安裝位置，在滑塊與芯軸座之間加裝一塊可修磨墊塊；③考慮到導(dǎo)軌副中滑軌的安裝基準(zhǔn)及錐齒輪嚙合機裝調(diào)精度的可調(diào)性，增加拖板和墊塊臺階，以臺階的一側(cè)作為安裝的定位基準(zhǔn)［8-10］。

5　線性導(dǎo)軌副尺寸及數(shù)量確定

90°弧齒錐齒輪嚙合機通常在常溫及檢驗室環(huán)境下工作，不存在環(huán)境溫度影響，但作為弧齒或直齒錐齒輪的檢驗設(shè)備，其精度等級應(yīng)在高精度或精密級中選擇。線性導(dǎo)軌副有互換性和非互換性兩種選擇，考慮到滑塊與滑軌配合的貼合度和精密度，采用非互換性的線性導(dǎo)軌副。由于與滑塊連接的芯軸座基座尺寸為102 mm×120 mm，空間不大，因此選用單支滑軌和單滑塊配合的非互換性線性導(dǎo)軌副比較合適，滑軌行程則以原燕尾導(dǎo)軌副的工作行程210 mm為宜。從滑軌所承受力的方向及安裝調(diào)試工藝考慮，宜采用單支滑軌有承靠面的配置方式，如圖2所示。

▲圖2 單支滑軌有承靠面配置

6　線性導(dǎo)軌副負荷及壽命計算

單支滑軌滑塊線性導(dǎo)軌副的受力情況如圖3所示，滑塊的工作負荷主要來自于驅(qū)動推力N和摩擦力。W為芯軸座和墊塊的重力，W=100 kN，F(xiàn)為鎖緊及齒輪嚙合時的作用力，F(xiàn)=1 kN，N=5 kN，工作負荷Pc=N-μW=2 kN，μ 為摩擦因數(shù)，μ=0.03。

▲圖3 單支滑軌滑塊線性導(dǎo)軌副受力示意圖

以上銀科技的產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格為參考和選用依據(jù)，同時考慮導(dǎo)軌副與墊塊和托板連接固定的空間及方式，且與機床產(chǎn)品相配套，采用法蘭型、重負荷、上鎖式，行程為210 mm，滑軌經(jīng)特殊加工與中預(yù)壓。根據(jù)芯軸座基座尺寸，確定滑軌寬度為25 mm，基本額定動負荷為26.48 kN，初選非互換性線性導(dǎo)軌副的型號為HGW25CA1R210E15ZAP。

在HGW25CA系列產(chǎn)品中，額定動負荷C=26.48 kN，中預(yù)壓ZA=0.05C=1.32 kN。

線性導(dǎo)軌副的壽命L為：

式中：fh為硬度因數(shù)，fh=1；ft為溫度因數(shù)，ft=1；fw為負荷因數(shù)，fw=1.2。

代入相關(guān)參數(shù)，計算得L=67 156 km，計算結(jié)果完全符合應(yīng)用要求。

線性導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)的90°弧齒錐齒輪嚙合機如圖4所示，檢驗測試結(jié)果見表1，檢驗結(jié)果符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

▲圖4 線性導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)90°弧齒錐齒輪嚙合機

7　結(jié)束語

90°弧齒錐齒輪嚙合機由燕尾槽型導(dǎo)軌副改進為線性導(dǎo)軌副，在滿足功能和制造精度的情況下，簡化了裝配工藝，提高了裝配和調(diào)試精度，節(jié)約了產(chǎn)品成本。美中不足的是，從外觀上看，采用線性導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)的90°弧齒錐齒輪嚙合機略顯頭重腳輕，在空間許可和可承受負載不變的情況下，如果有寬幅型線性導(dǎo)軌副可供選擇，效果則會更佳。

表1　檢驗測試結(jié)果

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