軸齒輪高效複合柔性加工機床研究-齒輪加工機床網-數控機床市場網

您現在的位置：齒輪加工機床（chuáng）網> 技術前沿>軸齒輪高效複合柔性加工機床（chuáng）研究

軸齒（chǐ）輪（lún）高效複合柔性加工機床研究

2021-2-2 來源：陝西秦川（chuān）精密數控機床工（gōng）程研究有限公司作者（zhě）：李瑞亮，劉耀，車亞肖

摘要：隨著轎車（chē）和新（xīn）能源汽車變速箱需求（qiú）增加，對軸齒輪的加工提出了更（gèng）高要求。研（yán）究了軸齒輪高效複合加工機床（chuáng），組合了傳統的軸（zhóu）齒輪（lún）熱前（qián）加工工藝，將軸齒輪加工的全部工藝集成在一台機床（chuáng）內，對工件（jiàn）進行一次裝夾，完成所有工藝加工過程。采用了（le）床身立柱一體化（huà）設計理念，通（tōng）過應用高速幹切技術和柔性配置功能，大大提高（gāo）了機床的加工能力和生產效率，實現了（le）軸齒輪高效、高（gāo）精度、綠色環保（bǎo）的加工需求。

關（guān）鍵詞：軸齒輪；高效加工；複合（hé）機床

0、引言

隨著汽車工（gōng）業的快速發（fā）展，傳統轎車和新能源汽車變（biàn）速箱對軸齒輪的（de）需求大大（dà）增加（jiā）。軸齒輪熱前加工工藝形式複雜，工序繁瑣。目前多數用戶仍在采用工序較長的傳統加工方法，即車削→滾齒→去毛刺→倒（dǎo）棱→銑鍵槽（鑽孔），加工的全過程時間較長，而且很多用戶麵臨招工難、人力成本上升等難題，導致對於軸齒輪這（zhè）種長工序加工憂心忡忡。本文針對（duì）這些問題設計了一種全新（xīn）的軸齒輪高效複合柔性加（jiā）工機床。

1、機床（chuáng）性能及布局

機（jī）床左邊采用傳統的七軸滾齒機床布局，為（wéi）了合（hé）理利用（yòng）空間尺寸，與（yǔ）傳統滾齒機相比，進給軸 X 軸采（cǎi）用了傾斜（xié）設計，使Y軸與Z軸存在夾角（jiǎo）。右邊采用柔性設（shè）計單元，根（gēn）據客戶（hù）零件加工工藝柔性配置（zhì），下麵以其中（zhōng）一種配置為（wéi）例講述複合機床的功能，具（jù）體結構如圖1所示。在右邊柔性單元裏麵配置（zhì）了動力刀塔，通過刀塔的旋（xuán）轉可實現不同工序的加工，集成（chéng）了軸齒輪（lún）車削、滾齒、倒棱、去毛刺、銑鍵槽（鑽孔）、自動上（shàng）下料等柔性單元。

該複合機床共有11個數控軸：X軸、Y軸、Z軸、A軸、B軸、C軸（zhóu）、Z2軸（zhóu）、X3軸、Y3軸（zhóu）、Z3軸及C3軸（zhóu）。各軸在機床中的運動關係和作用如下：X軸是滾齒機滾刀（dāo）的徑向（xiàng）進給軸，X軸運（yùn）動保證軸齒輪（lún）的齒深（shēn）尺寸；Y 軸是滾齒機滾刀的切向進給（gěi）軸，隨著加（jiā）工過（guò）程中 Y 軸的（de）移動，可以（yǐ）改變刀具與工件的（de）接觸點位置，有利於刀具壽命的提高；Z軸是滾齒（chǐ）機滾刀的軸（zhóu）向移動軸，Z軸的移動保證軸（zhóu）齒輪的齒寬尺（chǐ）寸；A軸是（shì）滾齒（chǐ）機滾（gǔn）刀架角度旋轉軸，根據工件的螺旋角和滾刀（dāo）的螺旋（xuán）升（shēng）角確定A軸的角度；B軸是滾齒機主軸；C軸（zhóu）是工作台旋轉運動，B軸和 C 軸保持一定的速比關係，兩軸聯（lián）動加工出軸齒輪，並保證軸齒輪的精度；同時 C 軸也是車削加工時（shí）的工件旋轉主軸；Z2軸是尾座頂尖（jiān）上下移動軸，實現對工件的自動（dòng）頂持（chí）；X3軸是刀塔徑向移動軸，用（yòng）於車刀的徑向進給；Y3軸是（shì）刀塔的對（duì）中（zhōng）運動軸，用於刀塔與工作（zuò）台的中心（xīn）重合；Z3軸是刀塔軸向移動軸，用於車刀的軸（zhóu）向進給，與 X3軸配（pèi）合使用可加工出（chū）軸的圓柱麵；C3軸（zhóu）的刀塔旋轉軸，用於選擇不同的刀位進行不同工序的加工；其中滾（gǔn）齒（chǐ）加工過程中 X 軸（zhóu）、Z 軸、B 軸、C軸四軸（zhóu）聯動。

圖1：軸齒輪複合加工機床結構圖

機床設計將軸齒輪加工的全（quán）部工藝集成在（zài）一台機床（chuáng）內，對工（gōng）件進行一次裝夾，利用工作台的旋（xuán）轉，通過不同加工刀具的切換（huàn），以及對（duì）應刀具的軸向和徑向進（jìn）給來實現（xiàn）對不同規格的軸齒輪進行車削、滾齒（chǐ）、倒棱、去毛刺、銑鍵槽（鑽孔）的熱前加工。這種（zhǒng）布局方式節省了工件上下料時間，確保了加工基準的統一，提高了加工效率和加工精度。機床是11 軸四聯動高效複合機床（chuáng），整機還采用高速幹切技術，實現軸齒輪高效（xiào）高精度、節能環保加工（gōng），而且自動化和柔性程度高。同時機床具有很好的擴展性（xìng），為齒輪生產線配（pèi）置預（yù）留了接口空間及控製反饋接口，便於後期車間自動化產線的實現。

2、床身立柱一體（tǐ）化設計

此複合（hé）機床將床（chuáng）身和立柱進（jìn）行（háng）了一體化設計，這（zhè）樣既保證了機床（chuáng）整體的剛性（xìng），又有利於機床裝配質量的提高。對床（chuáng）身立柱整體進行了有限元受力分析。床身（shēn）立柱材料為HT300，使用通用結構分析軟件 ANSYS Workbench Environ⁃ment （AWE） 15.0 多物理場協同 CAE 仿真件，建立了立柱（zhù）有限元實體模型和床身立（lì）柱所受載荷情（qíng）況如（rú）圖2所示。

圖2：床身立柱載荷分布

采用自動（dòng）劃分網格方法對有限元實體模型進行單元網格劃分，由分析知，立柱的最大變形（xíng）為沿著y軸負方向前傾，最大變形量為30 μm，加工區域變形量約20 μm，該變形符（fú）合設計（jì）要求，變形情況（kuàng）如圖3所示。

圖3：床身立柱變形圖

3、綠色環保高速幹切技術應用

隨著國家環境管理體係標準的實施以及車間（jiān）環境汙染相關法（fǎ）律（lǜ）法規的日益嚴（yán）格（gé），機床（chuáng）設備的綠色製造已成為今後（hòu）發展的重要方向，所以在機床設計時應用了綠色環保的高速幹切技術。高速幹切主要體現（xiàn）在以下幾個方麵。

3.1、排屑係統（tǒng）

隨著國家（jiā）對（duì）環保節能的重視，對生產（chǎn）企業的傳統切削油管理越來越嚴格，地方（fāng）政府（fǔ）甚至呼籲不使用切削油，所以高速幹式切（qiē）削是以後的發展（zhǎn）趨（qū）勢[4]。但是沒有切（qiē）削（xuē）油，幹式切（qiē）削產生的鐵屑不易排出，而且幹式切（qiē）削產生（shēng）的鐵屑速度快，溫度高，若不能及（jí）時快速的使鐵屑排出，對刀具、工件和床（chuáng）身帶來的熱變形巨大，從而影響軸齒輪的加工精度，因此必須采用有效的（de）排屑係統。在幹（gàn）式加（jiā）工（gōng）中，鐵屑是刀具和工件相互擠（jǐ）壓產生，為了減少鐵屑對刀具，工件和床身帶來的影響，必須使鐵屑快速（sù）離開刀具（jù）及工件，並通過排屑係統快（kuài）速流走，減少鐵屑與床身（shēn）的接觸時間。

在（zài）設計中（zhōng）改變床身結構，加大鐵屑流（liú）道斜度，便於鐵屑及時導出。同時在排（pái）屑流道麵采用了不鏽鋼隔熱罩，隔熱罩與床（chuáng）身之間（jiān）留有（yǒu）一（yī）定的小間隙，不（bú）鏽鋼材料表麵光滑有利於鐵屑排走，而且（qiě）不（bú）鏽鋼的熱傳導係數小，可以減少鐵屑熱量的傳遞，同時設計隔熱罩與床身（shēn）之間沒有完全接觸，減少了床身（shēn）的熱變形，具（jù）體結構如圖4所示（shì）。

圖4：幹切排屑係統

3.2、高轉速主軸和工作（zuò）台

高（gāo）速幹切加（jiā）工必須要刀具和工件的高（gāo）速旋轉才能滿足幹式切削的需（xū）求，幹式滾切加工中滾刀線速度（dù）的要求為200 m/min甚至更高，目（mù）前一般塗層的高速鋼滾刀可以達到這個速度，但（dàn）是硬（yìng）質（zhì）合金滾刀線速度可以達到300~400 m/min，這（zhè）就需要滾刀主軸達到（dào）高轉速。而對於（yú）工作台麵為了達到車削時幹式切削，同樣也要設計為高轉速工作台。為了實現高速加工，對於刀（dāo）具主軸通常采用電主軸或者直（zhí）驅（qū）電機來實現；對於工作台，采用直驅電（diàn）機來實現。這台複合機床刀具主軸設計（jì）轉速4000 r/min，工作台麵設計轉速（sù）2000 r/min。

3.3、高速刀具

幹式切削用的刀具材料發展初（chū）期（qī）采用硬質合金鋼，但由於硬質合金鋼（gāng）滾刀成本昂貴，近幾年發展的粉（fěn）末冶金高速鋼滾刀以（yǐ）及 TiAIN 塗層高速鋼滾刀取代了硬質合金鋼滾刀（dāo）。最新研究報告和實際使用效果來看，幹式滾（gǔn）切相對於常規濕滾而言，加工時（shí）間短（duǎn），成本更低。采用粉末冶金高（gāo）速（sù）鋼（gāng）滾刀甚至比采用硬質合（hé）金鋼滾刀具（jù）有更好的幹式滾切加工效果。目前我國漢江工具生產的塗層滾刀線（xiàn）速度已經可以達到240~300 m/min，國外格裏森的塗層滾刀（dāo）線速度已經可以（yǐ）達到300 m/min 以上。幹式滾切加工機床的切削（xuē）速度可達傳統加工的 4 倍，生產效率可以（yǐ）提高（gāo） 3 倍。與濕式加工相比，加工成本降低，能得（dé）到更好的零件質量，且無（wú）油汙汙染，車間工作環境更加潔淨。

4、複合柔性功能設計

對於這台複合機床（chuáng），圖 1 所示的隻是其中一種柔性（xìng）配置，在這一種配置中，刀塔共有 12 個刀位，可以根據客戶工藝需求配置不同（tóng）的功能，可以配置車刀、倒棱、去毛細、銑刀、鑽頭、測頭、手抓等功能，刀塔配置圖如圖 5所示。

圖5：刀塔刀位配（pèi）置

除了圖 1 的配置外，還有其他柔性配置結構，柔性單元配置部分可以采用去毛刺、倒棱和桁架上下料機構的形式，如圖 6 所示。除了以上幾種（zhǒng）配置外還可以采（cǎi）取其他的配置形式，大大增大了機床（chuáng）加工的柔性功（gōng）能。

圖6：機床配置形式

5、結束語

本文設計的軸齒輪高效複合柔（róu）性加工機床體現了以人為本、綠色製造的設計理念，特別適合於傳統轎車和新能源汽車變速箱軸齒輪大批量、高精度加工。經過實際使用，滾刀平（píng）均（jun1）滾切線速度可達200 m/min以上，複合（hé）加工效率為傳（chuán）統（tǒng）工藝的（de） 2~3 倍，軸齒輪加（jiā）工精（jīng）度可（kě）達 GB/T10095.1-2008 的 6 級，配（pèi）備自動上下料機械手可（kě）自動抓取和卸放（fàng）工件，配備料倉後可實現 12 h 無人值守工作模式，提高產品加工效（xiào）率，提高企業（yè）自（zì）動化水平。

投稿箱：
如（rú）果您有（yǒu）機床行業（yè）、企業相關新聞稿件發表（biǎo），或進行資訊（xùn）合作，歡迎聯係本網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名（míng）企推（tuī）薦

業界視點

| 更多

行業數據

| 更多

博文選萃

| 更多