雷宇 劉磊
摘 要:帶有銑削和鉆削功能的重型臥式數(shù)控車床通常要用到c軸分度系統(tǒng),設(shè)計(jì)中最常見(jiàn)的有雙電機(jī)伺服分度系統(tǒng)和單電機(jī)機(jī)械消隙/阻尼分度系統(tǒng)。雙電機(jī)伺服分度系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單,但成本較高;單電機(jī)c軸分度系統(tǒng)傳動(dòng)鏈機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,成本低,但系統(tǒng)的保持性較差。本文推薦一種帶有液壓消隙和阻尼的分度系統(tǒng),其同時(shí)具有低成本和高保持性的優(yōu)勢(shì)。
關(guān)鍵詞:阻尼;消隙;主軸分度;油缸保壓
重型臥式數(shù)控車床常用的c軸分度系統(tǒng)有雙電機(jī)伺服分度系統(tǒng)[1]和單電機(jī)機(jī)械消隙/阻尼分度系統(tǒng)。雙電機(jī)伺服分度系統(tǒng)所需電氣配套元件和機(jī)械零件數(shù)量較多,成本較高;單電機(jī)c軸分度系統(tǒng)機(jī)械件易磨損,碟簧組發(fā)生塑性變形,導(dǎo)致分度系統(tǒng)處于變量狀態(tài),主軸分度的保持性不高,需要時(shí)常對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整才能達(dá)到理想工作狀態(tài)。
為克服以上缺點(diǎn),我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新的液壓消隙和阻尼結(jié)構(gòu),可以保證傳動(dòng)鏈的精度,并提高主軸分度的穩(wěn)定性。
1 主要結(jié)構(gòu)
如圖1-2所示,該系統(tǒng)包括主軸箱及其主傳動(dòng)鏈、主傳動(dòng)鏈液壓換擋系統(tǒng)、c軸伺服分度傳動(dòng)鏈,c軸伺服分度切換系統(tǒng),c軸傳動(dòng)鏈液壓消隙系統(tǒng)、大齒輪液壓阻尼系統(tǒng)等。
2 設(shè)計(jì)原理
2.1主傳動(dòng)鏈換擋裝置
如圖1所示,主傳動(dòng)鏈由4級(jí)傳動(dòng)鏈組成。通過(guò)撥叉調(diào)整軸Ⅲ的滑移齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)換擋功能,完成高速鏈和低速鏈的自動(dòng)切換?;讫X輪的位置通過(guò)圖2Ⅲb軸來(lái)控制:當(dāng)換擋油缸
2.2 C軸伺服分度切換
如圖l所示,當(dāng)主軸要運(yùn)行C軸分度功能時(shí),主運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速降低至臨界轉(zhuǎn)速,撥叉(10)移動(dòng)到位置B,主傳動(dòng)鏈斷開(kāi)。此時(shí)C軸齒輪切換油缸(11)推動(dòng)C軸切換齒輪(17)與Ⅲ軸大齒輪嚙合。完全嚙合后,給油缸限位單元(14)信號(hào),動(dòng)作停止。
接到完成伺服分度信號(hào)后,c軸齒輪切換油缸(11)拉動(dòng)C軸切換齒輪(17)與Ⅲ軸大齒輪脫離。達(dá)到預(yù)定位置后,動(dòng)作停止。
2.3液壓消隙單元
如圖3所示,當(dāng)油缸(25)接到油缸限位單元(14)閉合信號(hào)后,推動(dòng)撥叉(24)向右運(yùn)動(dòng),滑移斜齒輪(20)向遠(yuǎn)離Ⅲ軸斜齒輪(18)的方向運(yùn)動(dòng),使得III軸斜齒輪(18)和滑移斜齒輪(20)的齒面分別作用于Ⅳ軸大齒輪的兩個(gè)方向,達(dá)到消隙的效果。
接到完成伺服分度信號(hào)后,油缸(25)卸除壓力,滑移斜齒輪(20)恢復(fù)到自然狀態(tài),并隨Ⅲ軸斜齒輪(18)一起跟隨主傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.4大齒輪阻尼單元
收到c軸伺服分度開(kāi)始信號(hào)后,液壓站向阻尼油缸供油,通過(guò)串聯(lián)腔體結(jié)構(gòu)使得兩邊彈性法蘭(28)內(nèi)部壓力平衡,變形一致。阻尼塊(29)在彈性法蘭(28)受到油壓變形的作用下對(duì)Ⅳ軸大齒輪形成阻尼,對(duì)主軸分度動(dòng)作起到平穩(wěn)和抗震的作用;當(dāng)主軸分度動(dòng)作完成后,液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)油腔壓力,將分度定位后的Ⅳ軸大齒輪卡緊,動(dòng)作完成(見(jiàn)圖4)。
3 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
3.1液壓消隙單元
如圖5所示,油缸預(yù)緊力F在斜齒輪圓周方向產(chǎn)生的分力為F切,所產(chǎn)生的扭矩為T(mén)。本結(jié)構(gòu)的拉力油缸處于恒壓狀態(tài),可自動(dòng)補(bǔ)償磨損值,為了完全消除反向間隙,并增加齒面接觸剛度,應(yīng):
式中:
Tn——齒輪計(jì)算轉(zhuǎn)矩,N·m;
P——電機(jī)額定功率,KW9;
nJ——該消隙軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速,r/min;
B——斜齒輪螺旋角。
根據(jù)以上公式可以求出油缸最小拉力,并得出油缸需求的壓力值。
3.2大齒圈阻尼單元
3.2.1鎖緊狀態(tài)
進(jìn)入鎖緊狀態(tài)時(shí),摩擦力矩必須大于主軸(包括花盤(pán)、工件等)整體的最大慣性矩,即Tf≥M∑。
由保壓油缸對(duì)大齒圈的正壓力F產(chǎn)生的摩擦力f=2μF,由摩擦力f產(chǎn)生的扭矩為T(mén)f=2π·f·R[2-3]。
由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式:可以求出油缸的最小正壓力F,取值后設(shè)定系統(tǒng)F值恒定輸出。
式中:
R——摩擦力作用點(diǎn)處的齒圈半徑,m;
nmax——?jiǎng)傮w最大轉(zhuǎn)動(dòng)速度,r/min;
J∑——人共總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2;
α——角加速度rad/s2;
Pi——?jiǎng)傮w折算半徑,m;
Mi——?jiǎng)傮w質(zhì)量,kg;
T——?jiǎng)傮w設(shè)置制動(dòng)時(shí)間,s。
3.2.2阻尼狀態(tài)
大齒圈在c軸分度狀態(tài)下產(chǎn)生的最大慣性矩為M∑,阻尼狀態(tài)下需綜合掉由傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng),根據(jù)公式aTf=M∑[3],a為計(jì)算常數(shù),可以求出油缸正壓力范圍。
所有油缸壓力設(shè)定值確定后,進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬,在軟件分析狀態(tài)下校核系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)需要,反復(fù)試驗(yàn)達(dá)到許用要求。
4 實(shí)際應(yīng)用效果
本結(jié)構(gòu)利用油缸恒壓原理,克服了因機(jī)械結(jié)構(gòu)磨損產(chǎn)生間隙而導(dǎo)致的不定因素,使得消隙預(yù)緊力、阻尼、卡緊力等保持不變。大大降低了維護(hù)保養(yǎng)的難度,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的c軸分度功能。本結(jié)構(gòu)可適用于數(shù)控臥式車床等相關(guān)類似應(yīng)用。齊齊哈爾二機(jī)床(集團(tuán))股份有限公司自行研制CXK61200X100/40重型數(shù)控臥式車銑床主軸箱c軸分度系統(tǒng)便依賴于此技術(shù),該系統(tǒng)對(duì)主軸分度定位給予了充分對(duì)保障,實(shí)際應(yīng)用效果非常顯著,受到客戶信賴。
[參考文獻(xiàn)]
[1]焦衛(wèi)兵,常雪梅.高精度重型數(shù)控機(jī)床c軸進(jìn)給分度裝置消隙結(jié)構(gòu)的研究[C].哈爾濱:第三屆十省區(qū)市機(jī)械工程學(xué)會(huì)科技論壇暨黑龍江省機(jī)械工程學(xué)會(huì)年會(huì),2007.
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