数控剐齿机回转刀架设计文献综述

 2021-09-28 08:09

毕业论文课题相关文献综述

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文 献 综 述

1前言

齿轮被广泛地应用于机械设备的传动系统中,基于展成法加工的滚齿、插齿以及基于成形法加工的铣齿、拉齿等是应用最广泛的切齿方法[3],传统的齿轮加工机床机械结构非常复杂,一台主电机不仅要驱动展成分度传动链,还要驱动差动和进给传动链,各传动链中的每一个传动元件本身的加工误差都会影响被加工齿轮的精度,同时为加工不同齿轮,还需要更换各种辅助加工设备,调整起来复杂费时,大大降低了劳动生产率。

以德国西门子公司数控系统为主流的数控剐齿机的出现,大大提高了齿轮加工能力和加工效率。我国目前能真正能够生产数控剐齿机的厂家极少,且使用的多是德国西门子数控系统,没有自主生产权的核心技术,缺少国际竞争力。

齿轮作为一种重要的传动零件,它广泛用于各类机器、仪表中。齿轮是工业的象征,这就充分说明了齿轮在工业中的核心地位。另外,齿轮加工在国民经济发展中也占有重要地位,根据齿轮专业协会的统计,目前在我国齿轮市场中,车辆齿轮的市场份额约为60%左右;工业通用齿轮和工业专用齿轮分别占18%、20%的市场份额。中国齿轮行业在十一五期间得到了快速发展,根据国家统计局及中国齿轮专业协会公布的数据,2005-2010年中国齿轮行业的工业总产值逐年增加,且同比增幅均在20%以上,2010年实现工业总产值946.35亿元。齿轮行业已成为中国机械基础件中重要的行业之一。预计未来随着中国大型装备制造业整体技术水平的提升、齿轮的多样化和技术含量的不断提升,齿轮行业将获得更大的发展空间,从而为高速重载齿轮锻件生产企业带来巨大发展机遇。根据《中国齿轮行业十二五发展规划纲要》,十二五期间我国齿轮行业将以年均10%左右的增速稳定发展[1]。

随着航空、航天、汽车、风能等领域的技术进步,对于新的齿轮加工原理和技术的需求极其需要。为解决传统加工设备由于受到空间限制无法加工轴向不贯通的、无退刀槽的齿轮,提高机床加工稳定性、产品精度和加工效率,增加剐齿刀具的使用寿命,减少加工工序,降低加工成本[4]。

综上所述,用剐齿技术加工齿轮,在改进工艺、节约成本、节能环保等方面具有绝对优势。据介绍,由于数控剐齿机成功运用了圆柱齿轮剐齿加工技术,一些产品精度要求高的加工,或传统工艺无法完成的加工,只有通过剐齿工艺才能达到。据称,用剐齿技术加工齿轮,平均工效可提高8倍以上。此外,传统齿轮加工中冷却必须依靠石油,数控剐齿机床由于无需冷却液,更为环保节能。

2数控剐齿机概述

2.1剐齿概念

针对内螺旋齿圆柱齿轮加工,现有基于展成法的轮齿成形加工技术具有一个共同的特点,即刀具与工件作展成运动,同时刀具的切削刃沿齿线做进给运动[16]。加工时,切屑主要从齿线方向排出。这是现有加工技术无法完成非贯通无退刀槽内齿加工的根本原因。倘若能使切屑在刀具的作用下主要从齿廓方向排出,便可以突破现有齿轮加工的局限性。

展成法是将齿轮啮合副中的一个齿轮转化为刀具,另一个齿轮转化为工件,齿轮刀具做切削主运动的同时,以内联系传动链强制刀具和工件做严格的啮合运动,于是刀具切削刃就在工件上加工出所要求的齿形表面来[16]。直齿剐齿刀的侧切削刃是一条空间曲线,这条空间曲线以刀具轴线为中心旋转,由于刀具轴线与工件轴线间有轴交角,当工件轴、刀具轴按一定比例旋转时,刀具切削刃相对工件处于相离-相斥-相离的循环状态。当切削刃与工件相斥时,相当于空间的一个曲线形刀片切割圆柱面,这种切割同时具有挖削和切削的作用,因此称这种加工过程为剐齿过程[4]。

2.2剐齿机工作原理

数控剐齿加工原理是一种全新齿形加工概念,机床六轴四联动,通过工件、刀具高转速同步伺服控制旋转,采用特制齿形刀具,利用滚插加工方法,高效率加工出各种渐开线齿形零件,齿形加工精度比拉削/插削加工高1~2个等级,可达到5级(GB13924-1992),每件加工成本比目前圆柱齿轮加工工艺低,可替代数控拉床、插床[8]。

与滚齿、插齿等工艺相似,采用剐齿方法加工圆柱齿轮轮齿时,工件主轴与刀具主轴同时旋转。工件主轴的转速与刀具主轴的转速之比等于刀具齿数与工件齿数之比。加工时工件主轴的轴线与刀具主轴的轴线倾斜一个角度,称这个角度为轴交角。轴交角根据工件齿向螺旋角和刀具齿向螺旋角而定,目的是在切削过程中保证工件和刀具的齿向相同。刀具的刃形设计成与工件齿形共轭形状。采用联动方式控制工件的旋转、刀具的旋转、刀具的轴向进给和刀具的径向进给。依据工件与刀具相对位置和相对运动分配。在切削点处,切削速度随切削点在刀刃上不断变化而变化,从而形成剐削作用,完成工件轮齿表面的切削成形[4]。

根据剐齿齿面形成的原理分析,剐齿加工分为三个加工过程,即无轴向进给的在一个横截面中的剐削加工过程、有轴向进给的剐削加工过程及无加工的退刀过程。通过对刀具主轴和工件主轴的高速同步旋转的旋转比例和刀具轴夹角及刀具相对工件轴向的运动位置关系进行实验,寻找最佳的切削效果,确保产品的加工效率和加工精度[11]。

3国内外同类剐齿机的发展概况综述

2012年7月5日具有自主知识产权的国内首台YK1015数控剐齿机在长沙诞生,这台数控剐齿机由长沙机床有限责任公司研发生产,采用剐齿加工技术,开创了全新的齿轮加工方式。不同于传统的齿轮加工方式中的任何一种,高速齿轮干式旋切开辟了全新的齿轮加工时代。用于渐开线花键、圆柱齿轮加工。本项目产品设计达到了国际技术水平,即:机床工件主轴转速在4500rpm下,刀具主轴6000rpm,能高速同步伺服控制加工渐开线齿轮及花键,填补国内空白,基本达到国际先进水平,打破了国外企业技术垄断。

YK1015数控剐齿机以圆柱齿轮剐齿技术为基础,结合西门子840D数控系统优秀的控制功能,针对性研究汽车自动变速器行星轮系齿套的内齿加工,解决传统加工设备由于受到空间限制无法加工轴向不贯通的、无退刀槽的齿轮,提高机床加工稳定性、产品精度和加工效率,增加剐齿刀具的使用寿命,减少加工工序,降低成本为主要目的。机床为双主轴同步构型,卧式总体布局,联动模式为六轴四联动。采用双主轴高速旋转的干式切削方式,实现了产品的高效率、高质量、高自动化、节能、环保的目的。由于采用全新的滚插齿加工方法,可实现内齿圆柱齿的修型,解决传统方法难以解决的工艺难题。适合加工领域为直径150mm以下,模数3以下的圆柱齿内、外直、斜齿加工[8]。

目前全球仅长沙机床公司和德国WERA公司全面掌握该技术,且两家企业处于同一技术水平。

国内外同类产品性能对比[8]

序号

国内外现状项目

新型加工技术

国内现状

德国

1

设备

数控剐齿机

滚、插、剃、拉

数控滚插齿加工机床

2

加工工艺

剐齿工艺技术

展成法加工

滚插齿加工工艺

3

加工刀具

剐齿刀

专用挤齿刀

滚插刀

4

加工效率

一般(插齿低)

5

加工精度

6级

6级

5级

6

表面质量

Ra0.4

Ra1.6

Ra0.3

7

齿廓加工方式

展成加工

展成加工

展成加工

8

自动化实现性

方便实现自动化

一般

方便实现自动化

9

冷却方式

干式切削

油冷

干式切削

10

刀具成本

11

产品装夹方式

全自动

可实现自动

全自动

12

数控轴数

六轴四联动

3~6轴

六轴四联动

5总结

齿轮是应用最广泛的基础零件,其加工原理研究和技术开发是难度很大的课题,这一方面体现在需要啮合理论的支持,另一方面需要特定工艺方法及其相应装备的支撑,而且往往是加工原理与装备相对应。齿轮加工原理与方法的研究既是传统的课题,也是全新的课题。国外新的齿轮加工理论与方法不断涌现。目前许多高效、高精度的加工理论与装备都被国外垄断,相比之下,我国在这个技术领域还处于相当落后的水平,迫切

需要进行自主创新研究[2]。

对于剐齿刀的设计及其设计过程通用化、剐齿刀的数学建型方法、剐齿刀齿形误差分析以及剐齿刀参数优化方法还有待于进一步研究。另一个研究重点就是有关剐齿机影响加工精度的因素的研究,例如主轴速比不稳定,主轴径向跳动,主轴同轴度误差等[4]。

对于本课题,作者主要从数控剐齿机回转刀架设计方向入手,通过对刀架伺服电机与减速器的选择以及刀架滑板结构设计,分析回转刀架对剐齿工艺以及加工精度的影响。

参考文献:

[1] 李文倩, 贺在华, 段嘉宣, 谢家宸. 2015-2019年中国齿轮行业投资分析及前景预测报告[J],中投顾问产业研究中心,2010.

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[3] 李特文.齿轮啮合原理[M].丁淳译.上海:上海科学技术出版社,1964.

[4] 陈新春.圆柱齿轮剐齿技术研究[D].天津:天津大学,2010.

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[6] Dr.-Ing. Edgar Weppelmann. Gleason Sales Meeting 2013 Power Skiving.

[7] D. Spathl A.Huhsam. Skiving for high-performance machining of periodic structures.

[8] 长沙机床有限责任公司.YK1050A数控剐齿机[J].长沙,2008.

[9] 李佳.圆柱齿轮剐齿技术[N],机械工程学报。

[10] 数控剐齿机床发展趋势分析[R],中国行业研究网。

[11] 徐虎明.YK1015A数控剐齿机模态分析及其改进设计[J].

[12] 一种全新的高效切齿法强力刮齿 (Power Skiving) [D].

[13] 徐鸿本.机床夹具设计手册[S],辽宁科学技术出版社,2004.

[14] 现代实用机床设计手册 (上册) [S],机械工业出版社,2006.

[15] 实用机床设计手册[S],机械工业出版社,2006.

[16] 吴序堂.齿轮啮合原理[N],西安交通大学出版社,2009.

[17] 宋鹍.零传动滚齿机刀架部件设计技术研究[D],重庆大学,2006.

[18] 张建钢,胡大泽.数控技术[M],华中科技大学出版社,2000.

[19] 濮良贵,陈国定,吴立言.机械设计(第九版)[M],高等教育出版社,2013.

[20] 熊梁山.机械制造技术基础[M],华中科技大学出版社,2014.

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