車床縱向進(jìn)給裝置 的設(shè)計(jì)
2021-10-11 來源：天水星火機(jī)床有限責(zé)任公司 作者： 洪春萍
摘要: 設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)行程的車床縱向進(jìn)給裝置，將普通的滾珠絲杠螺母更改為雙齒輪與床身齒條嚙合，達(dá)到傳動(dòng)目的。這一裝置采用雙齒輪齒條消隙結(jié)構(gòu)，通過碟簧預(yù)緊迫，使齒輪產(chǎn)生軸向位移，有效消除進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的間隙，能夠消除正反轉(zhuǎn)間隙，保證傳動(dòng)精度。所設(shè)計(jì)的車床縱向進(jìn)給裝置具有性能可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)車床的縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)具有普遍適用性，特別適用于重型臥式車床的縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞: 車床 縱向進(jìn)給 設(shè)計(jì)
1、 設(shè)計(jì)背景
隨著我國(guó)機(jī)床行業(yè)新產(chǎn)品持續(xù)發(fā)展更新，大重型及長(zhǎng)行程機(jī)床的需求量不斷增加，對(duì)機(jī)床構(gòu)件加工精度的要求不斷提高。在設(shè)備基礎(chǔ)部件剛性、精度等達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的前提下，提高機(jī)床整體的剛性、精度及傳遞扭矩已成為機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。現(xiàn)有的機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，所采用的進(jìn)給傳動(dòng)方式主要有齒輪齒條傳動(dòng)副、滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副、靜壓蝸桿蝸母?jìng)鲃?dòng)副等 。為了保證機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的定位精度和靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能，進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮機(jī)床具有高傳動(dòng)剛度、低摩擦因數(shù)、小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以及消除齒側(cè)傳動(dòng)間隙等 。
在進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，齒輪齒條傳動(dòng)副適用于長(zhǎng)行程機(jī)床，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度和效率高，但傳動(dòng)不夠平穩(wěn)，傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的齒側(cè)間隙導(dǎo)致傳動(dòng)精度不高。滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副摩擦損失小，傳動(dòng)效率高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)無爬行，主要適用于行程較短的機(jī)床。對(duì)于行程超過6 m 的長(zhǎng)行程機(jī)床，隨著絲杠的加長(zhǎng)，撓度增大，絲杠中部容易產(chǎn)生彎曲變形，使刀架移動(dòng)定位精度超差，無法達(dá)到傳動(dòng)精度要求。另一方面，機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大，既增加生產(chǎn)成本，又降低機(jī)床的使用可靠性。靜壓蝸桿蝸母?jìng)鲃?dòng)副的軸向牽引力大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，反向沖擊小，無磨損，無傳動(dòng)間隙，精度高，但是蝸母的制造難度大，安裝工藝性差，精度不容易保證，屬高附加值產(chǎn)品，制造成本高。
綜合分析現(xiàn)有進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的不足與缺陷，為提高機(jī)床整體的加工精度，使進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)更加簡(jiǎn)單實(shí)用，經(jīng)過調(diào)查研究，采各家所長(zhǎng)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，針對(duì)行程在 6 m 以上的數(shù)控重型車床，設(shè)計(jì)了車床縱向進(jìn)給裝置，采用雙齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案。雙齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將機(jī)床縱向進(jìn)給傳動(dòng)中普通的滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)改為雙齒輪與床身齒條的嚙合，以此來達(dá)到縱向進(jìn)給的目的，可以消除齒輪正反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的齒側(cè)間隙，定位精度高。與普通滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)相比，雙齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)性能可靠，適用性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提高了機(jī)床整體的加工精度。雙齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)適用于機(jī)床制造領(lǐng)域中數(shù)控重型臥式車床的進(jìn)給傳動(dòng)，特別適用于長(zhǎng)行程車床的縱向傳動(dòng)，可以減小傳動(dòng)磨耗，剛度和工藝性好，調(diào)整方便。雙齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以彌補(bǔ)滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)剛度差、靜壓蝸桿蝸母?jìng)鲃?dòng)生產(chǎn)成本高的不足。目前，筆者公司生產(chǎn)的 CC 系列重型臥式車床傳動(dòng)進(jìn)給箱采用了所設(shè)計(jì)的車床縱向進(jìn)給裝置。
2 、傳動(dòng)原理
縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)原理如圖 1 所示。
圖 1 縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)原理
電機(jī)軸Ⅰ由交流伺服電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，經(jīng) Z1Z2、Z3Z4 兩級(jí)齒輪嚙合傳遞至傳力軸Ⅲ。在傳力軸Ⅲ上有兩個(gè)齒數(shù)和模數(shù)均相同，但旋轉(zhuǎn)方向相反的齒輪 Z5、Z6，分別與二級(jí)齒輪軸Ⅳ上齒輪 Z7、二級(jí)齒輪軸Ⅶ上齒輪 Z8 嚙合，帶動(dòng)二級(jí)齒輪軸Ⅳ、Ⅶ旋轉(zhuǎn)，再分別經(jīng)兩級(jí)齒輪傳遞至雙斜齒輪。雙斜齒輪與床身上齒條嚙合，達(dá)到縱向進(jìn)給的目的 。
3、裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
車床縱向進(jìn)給裝置結(jié)構(gòu)中，進(jìn)給箱和刀架床鞍合為一體。進(jìn)給箱立軸分布，兩傳動(dòng)鏈對(duì)稱分布。電機(jī)軸Ⅰ，降速軸Ⅱ，傳力軸Ⅲ，二級(jí)齒輪軸Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅷ，斜齒輪軸Ⅵ、Ⅸ，以及各軸上安裝的圓柱齒輪組成車床縱向進(jìn)給裝置，各軸之間均由圓柱齒輪嚙合。傳力軸Ⅲ兩端分別裝有模數(shù)和齒數(shù)相同、旋轉(zhuǎn)方向相反的傳力斜齒輪 Z5、Z6，傳力斜齒輪 Z5、Z6 分別與二級(jí)齒輪軸Ⅶ、Ⅳ上安裝的斜齒輪 Z7、Z8 嚙合。斜齒輪軸Ⅵ、Ⅸ外端安裝有消隙齒輪 Z15、Z16。傳力軸Ⅲ的一端安裝有碟簧，碟簧外端安裝有螺母壓蓋。由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙齒輪齒條消隙進(jìn)給箱，經(jīng)床身上的斜齒條實(shí)現(xiàn)大縱向無級(jí)調(diào)速快速移動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 。
4 、消隙原理
數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)裝置中，常采用齒輪傳動(dòng)副來達(dá)到降速比和轉(zhuǎn)矩的要求。由于齒輪齒面在制造中存在一定誤差，不可能達(dá)到理想齒面的要求，因此一對(duì)嚙合的齒輪總應(yīng)有一定的齒側(cè)間隙，才能正常工作 。齒側(cè)間隙的存在會(huì)造成進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的反向動(dòng)作落后于數(shù)控系統(tǒng)指令要求，形成跟隨誤差，甚至是輪廓誤差。對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)而言，齒側(cè)間隙還會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，齒輪傳動(dòng)副常采用各種消除側(cè)隙的措施，以盡量減小齒側(cè)間隙。工作行程長(zhǎng)的大型機(jī)床通常采用雙齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過碟簧自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整來消除間隙。所設(shè)計(jì)的車床縱向進(jìn)給裝置通過旋緊傳力軸Ⅲ頂端的螺母壓蓋，壓迫碟簧使傳力軸Ⅲ產(chǎn)生一定的軸向位移，再利用傳力軸Ⅲ上一對(duì)齒數(shù)、模數(shù)相同但旋轉(zhuǎn)方向相反的斜齒輪，使二級(jí)齒輪軸Ⅳ向不同方向旋轉(zhuǎn)，以此達(dá)到雙齒輪消隙的目的。
5 、間隙調(diào)整
臥式車床縱向進(jìn)給傳動(dòng)由進(jìn)給箱內(nèi)的齒輪帶動(dòng)齒條傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，通過雙齒輪消隙機(jī)構(gòu)的調(diào)整，可以使兩個(gè)斜齒輪與床身齒條同時(shí)嚙合來消除間隙，從而保證正反向傳動(dòng)的準(zhǔn)確性 。間隙調(diào)整時(shí)，在傳力軸ⅢA端施加預(yù)緊力矩。傳力軸Ⅲ向下移動(dòng)，帶動(dòng)左旋斜齒輪 Z7 和右旋斜齒輪 Z8 向下移動(dòng)。左旋斜齒輪 Z7 向下移動(dòng)，迫使二級(jí)齒輪軸Ⅳ做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪嚙合帶動(dòng)二級(jí)齒輪軸Ⅴ、斜齒輪軸Ⅵ旋轉(zhuǎn)。右旋齒輪 Z8迫使二級(jí)齒輪軸Ⅶ逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪嚙合帶動(dòng)二級(jí)齒輪軸Ⅷ、斜齒輪軸Ⅸ旋轉(zhuǎn)。這樣就使左旋齒輪軸、右旋齒輪軸分別按逆時(shí)針和順時(shí)針兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使斜齒輪 B 左側(cè)齒面、斜齒輪 C 右側(cè)齒面同時(shí)與床身齒條緊密嚙合，形成無側(cè)隙嚙合，從而消除進(jìn)給箱內(nèi)齒輪傳動(dòng)造成的反向間隙及死區(qū)誤差。預(yù)緊力矩的大小以既能消除反向間隙，又能使齒條移動(dòng)自如為宜。預(yù)緊力矩過小，不足以消除反向間隙。預(yù)緊力矩過大，對(duì)齒輪齒條壽命有影響。預(yù)緊力矩調(diào)整時(shí)，可通過專用工具旋轉(zhuǎn)輸出軸來對(duì)兩個(gè)斜齒輪施加載荷，進(jìn)行預(yù)緊，使兩個(gè)斜齒輪與齒條的齒面同時(shí)嚙合，起到消除傳動(dòng)間隙、提高傳動(dòng)精度的作用 。
6、 結(jié)束語
所設(shè)計(jì)的車床縱向進(jìn)給裝置已在筆者公司生產(chǎn)的數(shù)控重型臥式車床上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，并申請(qǐng)了實(shí)用新型專利［10］，性能穩(wěn)定可靠。實(shí)踐表明，車床縱向進(jìn)給裝置具有性能可靠、實(shí)用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)，特別適合用于長(zhǎng)行程車床的縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)，可以在重型臥式車床縱向進(jìn)給傳動(dòng)中得到廣泛的應(yīng)用。
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