螺旋錐齒輪(即曲線齒錐齒輪)按其齒面節(jié)線形狀的不同可分為圓弧齒錐齒輪、延伸外擺線錐齒輪、準漸開線錐齒輪等類型。

某機床廠生產(chǎn)的H1—003延伸外擺線錐齒輪銑齒機可加工最大工件直徑110 mm時，齒數(shù)5～80，模數(shù)0.3-1.5 mm的等高齒螺旋錐齒輪(延伸外擺線錐齒輪)。該機床存在明顯的不足：①剛性差。雖然該機床可加工最大工件直徑110 mm的齒輪，但事實上當加工的工件直徑接近或達到110 mm，機床振動很大，加工出來的齒輪齒面粗糙度差，加工效率低。②加工范圍窄。當齒輪齒數(shù)小于5齒時，不能加工；當齒輪齒數(shù)大于等于5齒且接近5齒時，由于機床內(nèi)部的一對蝸輪蝸桿副轉(zhuǎn)速很高，接近機床設計的最高警戒轉(zhuǎn)速，機床磨損十分嚴重。連續(xù)加工這種齒輪，不到半年機床就需要大修甚至報廢。③修理難。機床結(jié)構(gòu)復雜，傳動鏈長，修理用時長，且大修成本高，大修后精度明顯下降。

鑒于此，決定對一臺精度下降的HI-003銑齒機進行數(shù)控化改造試驗。

1 擺線齒錐齒輪銑齒機工作原理

1．1 銑齒機3個相關聯(lián)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動

銑齒機切齒加工時存在3個相關聯(lián)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動：①銑刀盤旋轉(zhuǎn)切削運動；②工件(輪坯)的旋轉(zhuǎn)分齒運動；③機床搖臺相對于工件的展成運動。

由于搖臺轉(zhuǎn)動(即進給運動)使平面產(chǎn)形齒輪在銑刀盤旋轉(zhuǎn)切削運動的基礎上產(chǎn)生附加運動，這樣工件的旋轉(zhuǎn)分齒運動在原來運動的基礎上產(chǎn)生相應的附加運動(差動)，通過這種滾切運動形成所需要的齒形。

1．2 銑齒機3個相關聯(lián)連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動之間的關系

圖1 所示為銑齒機傳動系統(tǒng)模式

設Z0為銑刀盤刀齒組數(shù)；Z為被加工齒輪的齒數(shù)；ZP為冠輪齒數(shù)；Wh為搖臺的角速度；Wr為冠輪的轉(zhuǎn)運動(銑刀盤轉(zhuǎn)動、工件轉(zhuǎn)動和搖臺轉(zhuǎn)動)之間的關系。

2 機床數(shù)控技術(shù)

2．1 數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的中樞，它接受輸入裝置送來的脈沖信息，進行編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種信息和指令，控制機床的各個部分，進行規(guī)定的有序動作。

2．2 進給伺服系統(tǒng)

在數(shù)控機床上通常按不同的要求選用反應式步進電動機、混合式步進電動機、直流伺服電動機或交流伺服電動機。

2．3 檢測元件

檢測元件的作用是檢測位移和速度的實際值，并向數(shù)控裝置或伺服裝置發(fā)送反饋信號，從而構(gòu)成閉環(huán)控制。如光電編碼器、光柵尺等。

2.4 機械傳動部件

2.5 直線滾動導執(zhí)副

直線滾動導軌副可使機床的零部件(如床鞍)執(zhí)行往復直線運動。

3 機床數(shù)控化改造設計思路

3.1 機床數(shù)控化改造原理

機床數(shù)控化改造設計思路分析:由式(16)知，當機床工作時，如果我們用編碼器來跟蹤機床中銑刀盤旋轉(zhuǎn)切削運動，那么銑刀盤旋轉(zhuǎn)切削運動、工件(輪坯)旋轉(zhuǎn)分齒運動和搖臺相對于工件的展成運動三者之間的關系與數(shù)控車床加工螺紋時相當，因此可以嘗試用車床數(shù)控系統(tǒng)對銑齒機進行數(shù)控化改造,機床數(shù)控化改造原理示意見圖2所示。

3. 2 機床數(shù)控化改造主要零部件參數(shù)(見表1)

表1 主要零部件參數(shù)

注:床位的移動方式不變

3. 3 主要傳動參數(shù)關系式推導

根據(jù)式(7)和式(14)，結(jié)合機床切齒過程，當加工左旋齒輪時，搖臺轉(zhuǎn)動(Wh)方向與冠輪轉(zhuǎn)動(WP)方向相反，故么ΔWp＜0，ΔWh＞0由式(16)得:

公式(18)和(20)的推導，進一步表明了機床中銑刀盤旋轉(zhuǎn)切削運動、工件(輪坯)的旋轉(zhuǎn)分齒運動和搖臺相對于工件的展成運動三者之間的運動關系與螺紋切削相當，亦即數(shù)控銑齒機的切齒過程“就是”螺紋切削過程。

4 數(shù)控系統(tǒng)程序參數(shù)計算

將U、W、P2^／的數(shù)值代入通用程序中即可。左旋齒輪按式(18)計算(略)。

U、W、P的計算已編寫成軟件包，使用十分方便。數(shù)控化改造后機床的機械部分的調(diào)整卡計算和調(diào)整與原銑齒機相同。

5 加工試驗

數(shù)控化改造后的H1—003銑齒機，在加工直徑110mm的齒輪(甚至加工直徑達125mm的齒輪)時機床振動小，齒輪齒面粗糙度好、精度高、生產(chǎn)率高。

6 結(jié)論

1)經(jīng)改造的機床中沒有了高速轉(zhuǎn)動的蝸輪蝸桿副，在加工齒數(shù)小于5齒、等于5齒或接近5齒的齒輪時，原機床的這一主要磨損現(xiàn)象消失，這對保持改造后的銑齒機的精度極為有利。

2)設計采用數(shù)控化改造，使之較原銑齒機內(nèi)部結(jié)構(gòu)大大簡化，傳動鏈大大縮短，增強了剛性，擴大了加工范圍，提高了精度，調(diào)機方便，操作簡單，提高了生產(chǎn)率。

3)創(chuàng)造性地采用車床數(shù)控系統(tǒng)并自編軟件大大降低了改造成本，建立了自己的知識產(chǎn)權(quán)，并方便使用者使用。

4)如對數(shù)控系統(tǒng)和軟件做進一步完善，還可使機床的床位移動方式實現(xiàn)自動化。

本文的設計思路、方法和相關技術(shù)對齒輪機床制造廠家和齒輪制造廠家的機床數(shù)控化改造具有較好的參考價值。