双齿轮齿条消隙结构在重型数控落地铣镗床中的应用

王海军，丁岩

（齐齐哈尔二机床（集团）有限责任公司 设计研究院，黑龙江 齐齐哈尔 161005）

0 引 言

随着机械加工制造业的发展，以及国防、能源、航空航天等领域的快速发展和进步，加工产品的大型化、重型化对重型数控落地铣镗床的进给系统提出了越来越高的要求。重型数控落地铣镗床的进给系统，要求对部件的位置和进给速度等同时实现自动控制，而且要求有较高的定位精度和动态响应特性。但重型数控落地铣镗床进给系统由于经常执行自动变向动作，如果传动链中齿轮传动副存在间隙，反向时就会使进给运动滞后，影响传动链的系统精度，从而影响加工精度。因此，要想得到高的加工精度，就必须消除齿轮传动副中的间隙，以提高重型数控落地铣镗床的定位精度［1］。在重型数控落地铣镗床的X轴进给传动系统设计中，我们采用了双齿轮齿条结构来消除齿轮传动副中的间隙，从而大大地提高了机床X 轴进给的定位精度。

1 重型数控落地铣镗床结构及功能简介

重型数控落地铣镗床主要由床身、滑座、进给箱、立柱、主轴箱、滑枕等主要部分组成（如图1），滑座在床身上移动称为X 轴，主轴箱在立柱上垂直移动称为Y 轴［1］，滑枕在主轴箱中移动称为W 轴，镗轴在滑枕中的移动称为Z 轴。基于机床的结构及工艺特点，重型数控落地铣镗床是一种加工范围极广、自由度很大的机床，主要用来加工形状复杂、要求精度较高的箱体类零件，如铣削平面、钻削、镗孔和加工端面等，在一次装夹后能完成较多的工序。

其方滑枕端面可装多种特殊附件，从而扩大了机床能力和工艺范围。数控落地铣镗床适用于汽轮机、重型电机、船舶、重型机床和其他重型机器制造业的单件、小批加工形状复杂的大型零件［2］。

2 重型数控落地铣镗床X 轴特点分析

与其他机床相比，重型数控落地铣镗床X 轴具有以下特点：

图1 机床外观图

2.1 X 轴行程大

由于该机床主要用于汽轮机、重型电机、船舶、重型机床和其他重型机器壳体等大型零件的加工，因此需要X 轴具有较大的行程，X 轴行程一般为8～12 m，根据用户的要求甚至可达到30 m。

2.2 负载大

由于此轴需要带动滑座、进给箱、立柱、主轴箱等约重50 t 的部件移动，再加上切削力、惯性等因素，X 轴至少需要提供15 t 的推力。

如果X 轴的进给采用丝杠结构，则丝杠的拉压变形约占整个传动系统总变形的30%～50%，当机床进给轴较长时，普通滚珠丝杠难以胜任大负荷传动，并且长滚珠丝杠的制造也有较大的难度［1］。

图2 双齿轮齿条传动系统结构图

由于负重大等因素的影响，立柱移动时阻力会有一定的波动，很容易发生爬行现象。基于以上情况，在X 轴进给系统中采用具有消隙功能的双齿轮齿条进给结构，这样可有效地避免采用滚珠丝杠的弊端以及X 轴进给定位精度不准、爬行现象的发生［1］。

3 X 轴进给箱结构及消隙原理

如图2 所示，滑座沿床身的水平移动由X 向的进给箱驱动，进给箱位于滑座的空腔内，末级传动元件为高精度齿条1。滑座进给传动由伺服进给电机2 驱动，经多级齿轮降速，并通过Ⅲ轴上的两个小齿轮3、4 同步传到两个Ⅳ轴上，最后再传到Ⅴ、Ⅴ′轴上，Ⅴ轴是两个悬伸的齿轮轴，齿轮与固定在床身上的齿条啮合，则伺服电机的动力通过Ⅴ轴齿轮与齿条的啮合，带动滑座在床身上做水平移动。

在Ⅲ轴上部装有碟形弹簧柔性自动消隙结构，消隙时将Ⅲ轴上部法兰盘里面的螺母5 向下拧紧，则螺母5通过推力轴承6 压紧蝶形弹簧7，碟形弹簧7 又压在Ⅲ轴上，最终Ⅲ轴向下移动（轴两端的轴承是轴向不定位的圆柱滚子轴承），这时因为Ⅲ轴上的两个小齿轮为旋向相反的斜齿轮，向下移动后，斜齿轮齿面将使与之相啮合的两个Ⅳ轴上的齿轮做微量旋向相反的旋转运动，然后这种旋转运动又传到Ⅴ轴的两个悬伸的齿轮上，使得两个齿轮的齿面分别压紧在齿条上两处相反的齿面上，从而实现了消除传动间隙。

4 结 语

采用预载双齿轮齿条结构的传动系统结构相对复杂一些，对装配工人技术水平的要求也相应提高，但是预载双齿轮齿条结构的传动系统，解决了长行程高负载下滚珠丝杠难以解决的问题，同时有效地消除了齿轮与齿轮、齿轮与齿条间的侧隙，保证了立柱平稳移动，在实际使用中有效地解决了机床X 进给轴的爬行现象［1］和X 轴反向时定位精度不准的问题。现在，预载双齿轮齿条结构已在重型数控落地铣镗床中得到了普遍应用，并取得了满意的效果。

［1］ 杨学华.机械设计中齿轮传动侧隙的解决方法［J］.昆明理工大学学报：理工版，2007，32（5）：9－13.

［2］ 齐齐哈尔二机床（集团）有限责任公司.TK6920 型数控落地铣镗床使用说明书（机械部分）［M］.