零傳動(dòng)數(shù)控滾齒機(jī)通過取消傳統(tǒng)滾齒機(jī)中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu), 實(shí)現(xiàn)了電機(jī)與滾刀主軸以及電機(jī)與工作臺(tái)的直聯(lián), 大大縮短了傳動(dòng)鏈, 減少了傳動(dòng)元件的制造誤差以及間隙和裝配誤差對(duì)于齒輪加工的影響, 它不僅可以大幅度提高機(jī)床的加工精度和加工速度, 同時(shí), 由于其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 在設(shè)計(jì)時(shí)更有利于提高機(jī)床的剛性, 完全解決機(jī)械傳動(dòng)鏈中存在的磨損問題, 進(jìn)而保持了精度的穩(wěn)定性。高精度滾齒機(jī)一般可達(dá)到5級(jí)精度。作為數(shù)控機(jī)床, 零傳動(dòng)數(shù)控滾齒機(jī)的加工精度與機(jī)床、刀具、夾具、工件類型、加工環(huán)境等一系列因素有關(guān)。由表1[ 5 ]可知, 機(jī)床誤差和加工過程誤差對(duì)加工精度的影響最為明顯。為了進(jìn)一步分析零傳動(dòng)數(shù)控滾齒機(jī)的精度, 本文將主要從滾齒機(jī)機(jī)床誤差和滾齒加工誤差等兩方面分別進(jìn)行闡述。
表1 數(shù)控機(jī)床各誤差源對(duì)加工精度的影響程度
1.滾齒機(jī)機(jī)床誤差
滾齒機(jī)是傳動(dòng)關(guān)系最為復(fù)雜的機(jī)床之一。傳統(tǒng)滾齒機(jī)通過內(nèi)、外聯(lián)傳動(dòng)鏈實(shí)現(xiàn)滾削加工, 傳動(dòng)鏈冗長(zhǎng), 這樣不但影響加工精度, 還影響精度的保持性。零傳動(dòng)滾齒機(jī)采用電主軸形式實(shí)現(xiàn)電機(jī)與滾刀、電機(jī)與工作臺(tái)的直聯(lián), 機(jī)床其它各進(jìn)給軸則采用電機(jī)- 聯(lián)軸器－滾珠絲桿副的形式實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)向直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換, 這樣就很大程度地縮短了機(jī)床傳動(dòng)鏈, 甚至可以取消加工斜齒時(shí)所必需的差動(dòng)傳動(dòng)鏈, 最大限度地壓縮冗長(zhǎng)傳動(dòng)鏈對(duì)加工精度的影響程度。此外, 由于零傳動(dòng)滾齒機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 各軸均由數(shù)控系統(tǒng)控制, 較之傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)則更容易實(shí)現(xiàn)各軸之間的聯(lián)動(dòng), 從而提高機(jī)床的加工精度。零傳動(dòng)滾齒機(jī)雖然消除了傳統(tǒng)機(jī)床中的一些誤差源, 但它采用的新的結(jié)構(gòu)形式也會(huì)為加工精度帶來新的影響, 本文將從主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三方面入手, 分析零傳動(dòng)機(jī)床結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)床精度的影響。
1.1 主軸系統(tǒng)
主軸系統(tǒng)是滾齒機(jī)的核心, 它在很大程度上影響著齒輪的加工精度。主軸部件的精度主要體現(xiàn)在主軸的回轉(zhuǎn)精度和剛度的提高, 而回轉(zhuǎn)精度與剛度又決定于主軸的形式及裝配形式。零傳動(dòng)滾齒機(jī)的滾刀主軸和工件主軸均采用電主軸形式。由于電主軸內(nèi)部為雙支承支撐結(jié)構(gòu), 選用高剛度軸承支承可以提高電主軸剛度特性, 減小其彈性變形、回轉(zhuǎn)誤差和徑向誤差等, 從而保證電主軸的動(dòng)靜態(tài)特性。為了進(jìn)一步提高電主軸精度, 對(duì)主軸支承軸承系統(tǒng)施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力, 這樣不僅消除軸承內(nèi)部的游隙, 還能使?jié)L動(dòng)體產(chǎn)生一定量的彈性變形, 從而增加滾動(dòng)體的接觸面積,提高軸承的回轉(zhuǎn)精度, 達(dá)到提高主軸精度的目的。除了支承軸承的影響以外, 另一個(gè)影響電主軸精度的重要因素就是電主軸的散熱問題。電主軸工作狀態(tài)下,電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生大量的熱量, 并將傳遞到主軸上, 這些熱量不僅會(huì)影響主軸本身精度, 更重要的是, 它會(huì)引起主軸軸承的熱變形, 從而影響電主軸的熱特性。為了消除熱變形的影響, 電主軸中設(shè)計(jì)有循環(huán)冷卻系統(tǒng), 它可以帶走電機(jī)產(chǎn)生的大部分熱量以減少主軸及其支承的熱變形。
零傳動(dòng)滾齒機(jī)主軸的設(shè)計(jì)中, 電機(jī)的選取對(duì)機(jī)床加工精度的影響至關(guān)重要。在傳統(tǒng)滾齒機(jī), 電機(jī)通過主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈將運(yùn)動(dòng)傳遞給滾刀, 并通過范成運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈分配滾刀和工件軸的運(yùn)動(dòng)以滿足它們之間嚴(yán)格的傳動(dòng)比關(guān)系。運(yùn)動(dòng)傳遞中的大傳動(dòng)比的精密傳動(dòng)副可以減小滾齒機(jī)傳動(dòng)誤差, 這點(diǎn)對(duì)滾齒機(jī)的工作臺(tái)的影響最為明顯。雖然零傳動(dòng)滾齒機(jī)可以大大提高滾刀主軸的轉(zhuǎn)速, 但基于滾齒基本原理, 工作臺(tái)的速度仍然很低。在零傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)的情況下, 電機(jī)誤差對(duì)工作臺(tái)的影響不可能通過減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減小, 因此對(duì)工作臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性要求很高, 不但能做大承載力的可控回轉(zhuǎn), 還能提供高分辨率的精密低速運(yùn)動(dòng)。另外, 零傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)對(duì)電機(jī)的穩(wěn)定性要求也很高。結(jié)合電機(jī)的機(jī)械特性、矩頻特性、負(fù)載要求、調(diào)速要求等, 主軸電機(jī)一般選用效率高, 且高低速特性較好的交流同步電機(jī)。滾齒是斷續(xù)切削加工過程, 由于零傳動(dòng)滾齒機(jī)可提供較高的滾刀轉(zhuǎn)速, 這就帶來較高切削振動(dòng)頻率,為避免共振對(duì)齒輪加工的不良影響, 要求電主軸具有較高的固有頻率以遠(yuǎn)離激振區(qū), 由此, 對(duì)電機(jī)的固有頻率的要求也相應(yīng)提高。
1.2 滾齒機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)
在數(shù)控滾齒機(jī)中, 工作臺(tái)的軸向和徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)都是通過伺服電機(jī)、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)的。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)不但應(yīng)具有較高的傳動(dòng)精度和定位精度, 還應(yīng)具有良好的快速響應(yīng)性, 避免爬行。由于進(jìn)給爬行的產(chǎn)生主要是因?yàn)檫M(jìn)給系統(tǒng)的摩擦力較大而致, 在數(shù)控滾齒機(jī)中則采用摩擦系數(shù)小、高精度且具有預(yù)加負(fù)荷的高剛度直線滾動(dòng)導(dǎo)軌, 它不但可以提高機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)精度, 還能保證工作臺(tái)低速運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性, 從而使得工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)均勻、平穩(wěn)、無振動(dòng)、達(dá)到高定位精度與高重復(fù)性精度, 并易于達(dá)到與使用條件相匹配的足夠的剛度。用于實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)直線運(yùn)動(dòng)的滾珠絲杠通過適當(dāng)?shù)念A(yù)加壓力, 獲得零背隙及低熱損失, 進(jìn)一步保證了工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度與定位精度。進(jìn)給系統(tǒng)中, 伺服電機(jī)與滾珠絲杠的連接由撓性聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)。撓性聯(lián)軸器具有緩沖、吸振和補(bǔ)償誤差的功能, 作為進(jìn)給傳動(dòng)中的柔性環(huán)節(jié), 撓性聯(lián)軸器能有效地將電機(jī)的振動(dòng)隔離于床身之外, 提高了機(jī)床精度。
1.3 控制精度
滾齒切削的基本原理是齒輪的展成運(yùn)動(dòng), 因此,滾刀轉(zhuǎn)速和工作臺(tái)轉(zhuǎn)速之間應(yīng)遵循嚴(yán)格的傳動(dòng)比關(guān)系, 其具體運(yùn)動(dòng)方程式如下：
式中: vz , vy 分別為z、y軸的進(jìn)給速度; β, λ分別為齒輪工件螺旋角和滾刀螺旋升角; mn 為斜齒輪法面模數(shù); nb , nc 分別是滾刀轉(zhuǎn)速和工作臺(tái)轉(zhuǎn)速。
零傳動(dòng)滾齒機(jī)取消傳統(tǒng)滾齒機(jī)中的齒輪差分機(jī)構(gòu), 采用電子齒輪箱實(shí)現(xiàn)各軸運(yùn)動(dòng)的匹配, 并采用半閉環(huán)或全閉環(huán)控制, 通過數(shù)控補(bǔ)償和修正機(jī)械誤差,提高各軸的定位精度和重復(fù)定位精度, 從而簡(jiǎn)化機(jī)床結(jié)構(gòu), 提高機(jī)床加工精度, 增加機(jī)床可靠性。對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)在離散化和處理運(yùn)算數(shù)據(jù)時(shí)所帶來的誤差, 數(shù)控軟件則可以消除, 從而保證數(shù)控系統(tǒng)的精度。零傳動(dòng)滾齒機(jī)的數(shù)控結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 零傳動(dòng)數(shù)控滾齒機(jī)系統(tǒng)圖
為各軸驅(qū)動(dòng)電機(jī) 
為各軸編碼器
2.滾齒加工過程誤差
2.1 滾刀及安裝在滾齒加工中, 滾刀質(zhì)量以及滾刀安裝精度都是重要的工藝誤差因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料, 被切齒輪的基節(jié)偏差約80%來源于滾刀誤差, 而齒形誤差約65%來源于滾刀誤差。由此, 保證滾齒機(jī)的精度必須保證滾刀及滾刀安裝精度。
滾齒過程中, 滾刀本身的制造誤差易帶來齒形誤差, 如齒面出棱、齒形不對(duì)稱和齒形角誤差等, 這些誤差最終會(huì)影響齒輪嚙合的平穩(wěn)性。為了避免上述齒形誤差, 一般6級(jí)精度以上的齒輪, 須用AA級(jí)精度的滾刀, 同時(shí)必須在滾刀刃磨后, 對(duì)滾刀進(jìn)行精度檢驗(yàn)。滾刀的安裝誤差則直接影響著齒輪的加工精度,其主要體現(xiàn)在滾刀徑向跳動(dòng)、軸向竄動(dòng)、滾刀軸線傾斜、對(duì)中不好等方面。因此, 在安裝滾刀刀桿時(shí),應(yīng)特別注意刀桿以及滾刀的端面跳動(dòng)和徑向跳動(dòng), 其中滾刀的夾緊應(yīng)該通過滾刀、軸套及調(diào)整墊片端面之間的靜摩擦力來達(dá)到驅(qū)動(dòng)要求。另外, 高速運(yùn)轉(zhuǎn)的滾刀系統(tǒng)中應(yīng)該帶有散熱系統(tǒng)以帶走多余的熱量, 從而減小刀具的熱變形。
2.2 工件及安裝
由于零傳動(dòng)數(shù)控滾齒機(jī)取消了傳動(dòng)鏈, 故滾切齒輪時(shí), 工作臺(tái)分度蝸輪在制造與安裝中產(chǎn)生的周節(jié)累積誤差則被消除。影響被加工齒輪運(yùn)動(dòng)精度的主要原因在于工件安裝偏心, 它是由工件內(nèi)孔軸心線與機(jī)床工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心不重合所產(chǎn)生的。為了避免和減小安裝偏心對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的影響, 滾刀刀桿采用可脹心軸以提高定心精度。另一方面, 盡量提高夾具和心軸的剛度, 保證工件的夾緊程度。工作臺(tái)主軸則通過7∶24的錐度孔與心軸聯(lián)接, 確保工件的回轉(zhuǎn)精度。
另外, 齒坯的幾何精度直接影響著齒輪的齒距累積誤差和齒圈徑跳。被加工齒輪的齒數(shù)越多, 齒坯的幾何精度對(duì)齒距誤差的影響越小。由于齒面加工常以齒輪孔和端面為基準(zhǔn)面, 所以在工件的裝夾中, 特別應(yīng)注意孔徑尺寸精度和基準(zhǔn)面間的位置精度, 以控制工件內(nèi)孔與心軸間的間隙和齒坯安裝時(shí)內(nèi)孔和端面垂直度誤差從而避免和減少齒形誤差。
3.結(jié)束語(yǔ)
零傳動(dòng)數(shù)控滾齒機(jī)大大簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu), 降低了電機(jī)與主軸之間的傳動(dòng)誤差, 提高了主軸的高速極限回轉(zhuǎn)速度, 并使?jié)L削加工在高速的條件下精度得到保證并有所提高。
