江薇

摘要：為了滿足產(chǎn)品生產(chǎn)的高質(zhì)量和高品質(zhì)，需要考慮產(chǎn)品對插齒機的要求，提升齒輪加工的精度和質(zhì)量，從而帶來更好的經(jīng)濟效益。液壓系統(tǒng)是數(shù)控插齒機主運動驅(qū)動，能有效改進原有的曲柄連桿系統(tǒng)帶來的急回特性問題。液壓驅(qū)動能實現(xiàn)無極調(diào)速功能，輸出的扭矩相對較大，從而擴大了插齒機刀具變速的范圍。在工作過程中也不會因為刀具停止帶來扭矩失衡等機械事故問題。大型插齒機切削力、長度和穩(wěn)定性的要求不斷提升，需要對數(shù)控插齒機液壓驅(qū)動系統(tǒng)設計加以改進。文章簡要分析了大型數(shù)控插齒機液壓主驅(qū)動系統(tǒng)及設計。

Abstract： In order to meet the high quality and high quality of product production， it is necessary to consider the requirements of the product on the gear shaper， improve the precision and quality of gear processing， and thus bring better economic benefits. The hydraulic system is the main motion drive of the CNC gear shaper， which can effectively improve the quick return characteristics of the original crank connecting rod system. The hydraulic drive can realize the stepless speed regulation function， and the output torque is relatively large， which expands the range of the gear shaper tool speed change. In the working process， there will be no mechanical accidents such as torque imbalance caused by the tool stop. The requirements of cutting force， length and stability of large-scale gear shaper are constantly increasing， and it is necessary to improve the design of the hydraulic drive system of CNC gear shaper. The article briefly analyzes the hydraulic main drive system and design of a large-scale CNC gear shaper.

關鍵詞：數(shù)控插齒機;液壓主驅(qū)動;系統(tǒng)設計

Key words： CNC gear shaper;hydraulic main drive;system design

中圖分類號：TG61+3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0096-02

0? 引言

機械加工業(yè)的不斷發(fā)展，機械零部件的精確度要求不斷提升，高精密度加工設備也是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的重要需求對象，借助數(shù)控技術(shù)，提升機械加工的自動化和智能化，減少加工誤差。數(shù)控機械逐漸替代了傳統(tǒng)的機械加工設備，中小數(shù)控插齒機的刀架結(jié)構(gòu)主要包括刀軸、滑塊蝸輪蝸桿等，大型數(shù)控插齒機中，當前結(jié)構(gòu)存在入刀和出刀部位切削速度相對較慢、中間部位的力度相對較小，難以滿足市場需求。借助液壓主驅(qū)動系統(tǒng)，能有效解決大型數(shù)控插齒機難以切割大型齒輪等問題。

1? 數(shù)控插齒機運動原理分析

插齒機主要是采取展成法實現(xiàn)其成型原理，采用專用的插齒刀對齒輪進行加工，這種道具和齒輪具有相同的外形，道具齒牙能形成刀口對機械部件進行切割，在此過程中，刀具沿工件軸線方向做直線往復運動，最終實現(xiàn)切削功能。在刀具和工件多次無間隙運動后，工件表面能形成齒輪外輪廓線[1]。數(shù)控插齒機切削運動的特征與普通插齒機一樣，主要組成部分包括主運動、展成運動及切入運動。主運動是插齒刀根據(jù)軸線方向做直線往復運動，根據(jù)插齒刀往復形成的次數(shù)表示;展成運動則是在插齒的過程中，插齒刀需要與齒坯保持和圓柱齒輪的嚙合運動關系，刀具轉(zhuǎn)過一個齒時，工件也需要轉(zhuǎn)過一個齒。切入運動，主要是插齒時，插齒刀一次進給到全齒深，但會因吃刀太大對刀具和工件進行損壞，因此，在實際運作中插齒刀是逐漸切入的過程。插齒刀對于工件來講是徑向切入運動，數(shù)控裝置控制刀具對刀點到切入點整個移動過程逐漸切入，等全齒深后停止徑向進給，工件轉(zhuǎn)過一圈后，所有的輪齒切削完成，這稱之為一次切入[2]。實際工作中，因輪齒全齒深相對較大或者是工件硬度較強，也可以采取二次或者三次切入，切入的比例大小需要結(jié)合刀具材料、全齒深尺寸、角度及工件材料等加以綜合判斷。

2? 數(shù)控插齒機系統(tǒng)功能需求分析

其一是沖程長度。根據(jù)市場發(fā)展需求，當前插齒切削的最大切削長度是600mm，有效往復沖程是650mm，且最小的切削長度是60mm，最小往復沖程長度是100mm。其二是最大切削力。根據(jù)文獻資料研究分析，刀具模數(shù)為20，進給深度是15mm時，單沖程的最大切削面積是11.61mm2。這個切削面積也可以作為機床的切削參數(shù)，工件的最大剪切應力預設可以為：Deta=3137MPa。其切削力為36.42kN。其三是切削的速度設計。在具體工作中，液壓缸活塞桿會影響到油缸上下油腔的面積，根據(jù)這一特點，可以采用改變刀軸下行切削運動與上行空程運動的時間比例的大小，減小其影響。根據(jù)油腔截面積的比例，將截面積與時間比例逐漸靠近1：2，同時還要確保數(shù)控插齒機滿足下行和上行時間比例2：1的沖程運動[3]。結(jié)合油缸活塞摩擦特點，其最大連續(xù)往復運動的速度最大值設置為28m/min，在分析機械加工特性的基礎上，確保插齒切削的速度保持在10m/min。上行最大速度為25m/min，下行最大速度為12.5m/min。其四是其它功能需求。要考慮平衡活塞桿連接的刀軸和滑塊自重800kg，油缸活塞在最高點和最低點中任意兩點之間做往復運動，因此，可以在任意設定的位置，確保活塞停止運動。油缸內(nèi)置位置傳感器的分辨率可以為0.005mm，此外，油缸的有桿腔和無桿腔都有壓力傳感器，液壓系統(tǒng)能確保下滑截止閥下滑的功能。

3? 基于液壓驅(qū)動的數(shù)控插齒機運動方案設計

運動方案設計過程中，需要考慮插齒機運動是否能確保產(chǎn)品的要求，還要考慮數(shù)控插齒機與原有的插齒機的占地面積、經(jīng)濟性等方面的問題。對于插齒刀和齒坯運動主要由哪些工件和刀具完成，涉及到插齒機運動功能的分配問題，這與插齒機本身的控制方式無關，但是與插齒機的布局有很大關聯(lián)。

3.1 運動方案的選擇與設計? 數(shù)控插齒機主要采用曲柄滑塊機構(gòu)，其中的伺服電動機通過齒輪傳動帶動曲柄連續(xù)轉(zhuǎn)動，當連桿傳遞到滑塊上，插齒刀上下往復運動，最終形成插齒的主運動。曲柄滑塊機構(gòu)中，其長度會影響到滑塊行程的長度，連桿的長度則對滑塊的位置設定產(chǎn)生影響，在實際工作中可以借助ADAMS軟件仿真后測量滑塊移動的速度[4]?；瑝K移動的速度在一定周期內(nèi)具有變化性，要確保插齒速度均勻，在速度測量中可以選擇速度曲線谷點或者是中峰點附近的速度，將其作為插齒時切削速度曲線。要提升插齒的質(zhì)量，我國有研究采用雙曲柄滑塊六桿機構(gòu)，更好地實現(xiàn)插齒機主運動，對桿長進行仿真優(yōu)化設計。數(shù)控插齒機運動功能設計圖如圖1所示，其中，Cf1為進給運動、Cf2為展成運動、Zp為主運動、Ya為切入運動。

3.2 液壓驅(qū)動方案分析? 分析數(shù)控插齒機主軸的功能，其一是插齒運動液壓驅(qū)動，二是插齒運動速度無級可調(diào)，此外，沖程能實現(xiàn)慢速移動，能在任何位置停止[5]。根據(jù)數(shù)控插齒機的主軸功能，對液壓驅(qū)動方案進行優(yōu)化設計，在插齒刀做切削運動過程中，對閥門、蓄能器、組合調(diào)速閥、插裝閥等進行調(diào)節(jié)。

3.3 展成運動方案和切入運動方案? 將主運動方案、數(shù)控插齒機展成運動和切入運動結(jié)合，根據(jù)布局繪制最終形成運動方案。插齒機主軸轉(zhuǎn)動過程中，主要涉及到聯(lián)軸器、蝸輪蝸桿減速器等，工件轉(zhuǎn)動主要是通過減速器、聯(lián)軸器等機構(gòu)，工作臺由渦輪的帶動下，帶動工件旋轉(zhuǎn)。工件轉(zhuǎn)動需要符合展成運動的要求，這主要是由控制系統(tǒng)控制實現(xiàn)。要切出全齒，需要工件徑向進給，工件由伺服電動機減速器、滾珠絲桿帶動下，確保工作臺實現(xiàn)徑向進給。

3.4 關鍵技術(shù)指標? 數(shù)控插齒機主要技術(shù)指標可以根據(jù)Y51160插齒機的技術(shù)指標，需要對參數(shù)、用途、性能指標等加以說明。具體參數(shù)主要是按照Y51160為主要參數(shù)，需要注意的是，數(shù)控插齒機最大加工直徑比機械插齒機小，這主要是大直徑內(nèi)齒輪使用數(shù)控銑齒機。最大加工齒寬可增加到380mm。數(shù)控插齒機的最大模數(shù)為16mm，最大加工齒寬為380mm，刀具往復行程數(shù)設置為10-60str/min，徑向進給量0-500/分，工作臺快速移動速度為1r/min[6]。

3.5 主軸機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設計? 數(shù)控插齒機機械系統(tǒng)，主要涉及到與主軸運動相關的機械零部件構(gòu)成的整個系統(tǒng)，其中涉及到主運動系統(tǒng)、展成運動系統(tǒng)、讓刀運動系統(tǒng)。這三個系統(tǒng)的載荷不同，性質(zhì)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計也存在差異。一是主運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計。液壓缸的設計主要尺寸包括液壓缸的內(nèi)徑、缸長度等設計。內(nèi)徑的設計主要是結(jié)合液壓缸的荷載量和工作壓力計算進行確定，如果壓力小于5MPa，活塞桿直徑需要設計為缸內(nèi)徑的0.5倍，內(nèi)部長度的確定，需要根據(jù)加工齒輪的齒寬和切入的長度關系進行確定。數(shù)控插齒機的連接軸和主軸與普通插齒機相同，可以直接參考普通插齒機的零件尺寸。其二是展成運動系統(tǒng)設計。這個系統(tǒng)主要是二級渦輪蝸桿減速器，減速器中傳動零件的尺寸設計，需要結(jié)合功率和速度基本參數(shù)進行設計，如模數(shù)、齒數(shù)等，計算渦輪的尺寸并設計其結(jié)構(gòu)。其三是主軸讓刀運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計。讓刀運動過程中，插齒承受的力相對較小，這需要結(jié)合裝配要求進行確定，結(jié)合其工作原理，對讓刀機構(gòu)的構(gòu)件長度和尺寸進行確定。讓刀系統(tǒng)中，一個構(gòu)件會有多個零件，零件的數(shù)量尺寸都需要考慮裝配關系。

3.6 主軸強度校核? 在了解現(xiàn)有的主軸材料、結(jié)構(gòu)、尺寸和承載力等基礎上，對其進行校核。首先是對材料及力學特性、結(jié)構(gòu)尺寸、形狀等進行分析。主軸材料需要根據(jù)其耐磨性和變形情況分析，考慮主軸插齒中受到的負荷及往復滑動等，對其剛度、強度和耐磨性進行分析[7]。一般來講，其抗拉強度為1080MPa，硬度為230，彎曲疲勞極限為525MPa。校核方法可以根據(jù)軸的扭轉(zhuǎn)強度進行校核，也可以根據(jù)軸的彎扭合成強度，對軸結(jié)構(gòu)進行設計。

4? 結(jié)語

綜上所述，對數(shù)控插齒機液壓主驅(qū)動系統(tǒng)設計的研究，需要計算和分析原件的功能和參數(shù)，實現(xiàn)對刀軸進行驅(qū)動提供復插齒運動，更好地解決大型和精密性齒輪的切削問題，更好地實現(xiàn)系統(tǒng)性能的優(yōu)化。

參考文獻：

[1]王艷君，鄧三鵬.利勃海爾LFS1000數(shù)控萬能插齒機液壓系統(tǒng)故障詳解[J].世界制造技術(shù)與裝備市場，2020（02）：63-65.

[2]陳湘輝，龍文智，余沛琛.數(shù)控插齒機在插削內(nèi)型面方面上的應用研究[J].機床與液壓，2019，47（20）：95-97.

[3]李欣.大型數(shù)控插齒機液壓主驅(qū)動系統(tǒng)設計及分析[J].液壓氣動與密封，2019，39（06）：38-43.

[4]李梅，余竹瑪.基于正交試驗的數(shù)控插齒機驅(qū)動箱輕量化設計[J].科技創(chuàng)新與應用，2018（20）：91-93.

[5]田正陽.高精小模數(shù)插齒機傳動鏈誤差的檢測與分析[D].湖北工業(yè)大學，2018.

[6]耿遠程，數(shù)控插齒機機械傳動系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與早期故障診斷研究[J].湖北省，湖北三峽職業(yè)技術(shù)學院，2017-11-24.

[7]劉家蘭.數(shù)控插齒機切齒精度不合格的原因分析及診斷[A].北京理工大學、中國機械工程學會機械設計分會.2017機械設計國際會議暨第19屆機械設計學術(shù)年會論文集[C].北京理工大學、中國機械工程學會機械設計分會：《機械設計》編輯部，2017：5.