数控人字齿铣削中心Z轴的设计与研究

翁兴宇

（扬州高等职业技术学校，江苏 扬州225003）

在现代机械制造业中，数控机床是加工机械零件的主要设备，现代数控技术正朝着开放、高速、高精、高可靠性、复合化和智能化的方向发展。机床作为“工作母机”，决定了它在国民经济中的核心地位，机床制造业是机械制造业不可或缺的一部分，为机械制造业提供了先进的加工设备和加工工艺，国家高端数控机床的多样化和质量是行业的重要指标[1]，同时数控机床的发展水平能够衡量一个国家制造业的现代化程度。伴随着制造业的高速发展，对机床的性能要求越发严格。本文以复合机床设计理念将人字齿与数控铣削中心结合，探讨数控人字齿铣削中心Z轴的设计方案。

1 数控人字齿铣削中心概述

数控人字齿铣削中心融入了复合机床的设计理念，采用双主轴箱设计。立铣刀主轴箱主要用于中轻载铣削，盘铣刀主轴箱主要用于重载铣削。数控人字齿铣削中心具有独特的优势：使用标准立铣刀，不需要定制刀具；具备丰富的齿形、齿向修形功能；利用标准立铣刀加数控运动的方法包络齿面，可实现点线啮合、圆弧齿等异形齿面加工，解决传统方法无法加工零退刀槽人字齿问题；加工精度可提升至GB5-6级。盘铣刀主轴可以完成人字齿高效粗加工，普通直斜齿轮高效粗精加工；集成多种软件，采用有限元方法分析机床主要零件的动态特性，实现机床主要部件的刚柔耦合建模等。同时数控人字齿铣削中心可以满足零件高精度、加工高效率的要求，将多个工步集中到一台机床上，提高了劳动生产率，降低了成本。研究数控人字齿铣削中心具有很大的意义，其主要面向锻压机械、石油机械及重载增减速机等行业，可完成大尺寸、多品种的齿轮加工，加工效率、精度高、可靠性高，并且价格是国外的1/4～1/3，因此数控人字齿铣削中心有着广泛的应用前景。

2 设计原始参数

在进行数控人字齿铣削中心Z轴的设计与研究时，其主要原始参数如下：Z轴最大进给速度为3000mm/min，Z轴行程为1000mm，SP1主轴转速为200～3500r/min，SP2主轴转速为70～140r/min。

3 进给传动系统

进给传动系统是通过接收测量反馈装置发出的指令，由位置控制模块和速度控制单元来对指令进行识别、转换，并放大一定倍数，再由动力输出装置将信号指令转变为动力输出到机械传动机构，通过机械传动机构来带动机械执行部件的稳定运行。进给传动系统对被加工产品的精度起着至关重要的作用，其传动部件要满足很高的设计要求，分别是能够克服负载和摩擦力，低速时不出现爬行现象，刚性好，有较高的工作精度，能快速响应，运动部件的惯量小，尽量消除传动系统中的间隙，良好的阻尼性等。其目的是保证机床工作台获得合理的进给速度和刀具准确的定位或各轴之间准确的相对运动关系。

进给伺服驱动方案如下。

进给伺服系统需要将伺服电机的旋转运动转化成Z轴复合拖板的上下往复直线运动，可以达到该目的的传动结构包括齿轮齿条传动、滚珠丝杠螺母副传动装置、蜗杆齿条传动。

在本次进给传动系统设计中，选择滚珠丝杠螺母副传动装置作为进给系统的传动结构。滚珠丝杠副是一种将转动与移动相互转换的装置，被广泛应用于数控铣床中，选择滚珠丝杠螺母副传动装置是因为其摩擦损失小、传动效率高，其驱动扭矩仅只有传统导螺杆的1/3，并且响应灵敏、低速运动时不出现爬行现象，其次滚珠丝杆可以进行预紧，以消除轴向背隙且降低因轴向力造成的弹性位移，同时滚柱螺杆刚性高，反向定位精度也高。

由此，根据部分齿轮加工机床有关资料和参数的设计经验，确定总体方案为：由交流伺服电机提供动力源，经过行星减速器匹配转速和传递转矩，将电机的回转运动转化为Z轴拖板的上下往复直线运动，带动复合拖板在Z轴上移动，从而实现Z轴的进给运动。进给传动系统如图1所示。

图1 进给传动系统

4 Z轴零部件的选择

Z轴作为机床的进给轴，其复合拖板上装有Y轴、立铣刀主轴箱（SP1轴）和盘铣刀主轴箱（SP2轴）。通过建模可以得出其质量分别为：轴5000kg、SP1轴2800kg、SP2轴4700kg。根据以上移动部件可以取总体质量m=14000kg。已知Z轴最大进给速度为3000mm/min，水平负载移动摩擦系数μ=0.005，负载移动加速度a=0.5g/（m·s-2）。在本次Z轴进给系统设计中，其主要考虑的是摩擦力和加速力的要求。经计算加速力为7000N，摩擦力为687N，合力为7687N。

4.1 滚珠丝杠的选择

滚珠螺旋传动相比较于其他形式的直线运动，具有自身独特的优势：高效率及可逆性、零背隙及高刚性、低起动扭矩及高顺畅度、低噪声等。

为了提高滚珠丝杆副的刚度以及消除间隙，可以通过预加载荷，使它在过盈的状态下工作。预紧后的刚度可以提升至原来的2倍。但是由于预紧载荷过大，将会导致其摩擦力矩加大以及使用寿命下降。一般有如下3种预紧方式：双螺母螺纹式预紧、双螺母垫片式预紧、双螺母齿差式预紧。

滚珠丝杆螺母副从问世至今，其结构有十几种之多，经过多年的改进，现国际上基本流行的结构有4种，最常用的是外循环与内循环结构[2]。综合考虑机床结构要求、负载形式、工作状况，本次设计中选择FEZD型内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠。

滚珠丝杠精度等级的选择应遵循符合需求的精度等级，而不要选择超过需求的精度等级以避免非必要的成本。通过查询机械通用精度等级可知，复合机床Z轴滚珠丝杠可选择的精度等级是2、3、4级，综合考虑选用4级精度比较合理，即滚珠丝杠的牌号可暂定为FFZD****-*-P4。

在设计中需要按平均工作载荷和平均转速设计丝杠参数，根据工作条件计算出平均转速nav、平均工作载荷Fm和丝杠副计算载荷Fc，再根据寿命条件计算额定动载荷Ca，计算出Ca后选择滚珠丝杆的参数尺寸，最后进行滚珠丝杆副稳定性验算。

滚珠丝杠副的安装有多种形式，丝杠和轴承的组合方式对传动结构的刚性和精度有很大影响。其常用的组合形式有以下几种，如表1所示。

表1 滚珠丝杠副支撑形式

通过分析，一端固定一端自由的安装方式更适合垂直安装，本次研究的数控人字齿铣削中心Z轴进给系统为垂直方向的往复直线运动，所以第四种支撑方式较为合适。

支撑形式为固定-自由，由于丝杠较长，所以使用压杆稳定性来计算临界载荷，通过计算与校核表明丝杠可以保持稳定性，通过校核临界转速表明该传动结构不会发生共振。

4.2 轴承的选择

轴承的主要功能就是用来减少工作过程中的摩擦系数，支撑轴承内部的转体的。轴承的加工制造精度要求很高，所以与轴承相配合安装的零件的加工精度要求也很高，轴承受损后就不能达到正常的使用效果，可能会导致轴承里面的滚动体和保持架架出现卡死的现象。现代机械设备因轴承卡死而引发的故障，一般都是因为没有按照要求安装轴承和轴承配合件。轴承与相配合的工件连接准确能够延长它的使用寿命。

滚动轴承由内圈、滚动体、保持架和外圈组成，它的体积较小、滚珠与内外圈之间的阻力不高、转动准确性好、装拆方便等因此使用广泛。滚动轴承按丝杠的安装方式和负载的形式不同，其组合方式也有所差异，选择合适的轴承可以提高整个进给系统的精度。根据分析各类滚动轴承的特点，本次设计选择深沟球轴承和推力球轴承组合使用，最为适合Z轴负荷较大、转速较低的工作条件。

4.3 电机和减速器的选择

伺服电机是整个进给系统的动力源，是伺服系统的核心，从数控系统的初始端接收所发来的控制信号，然后进行识别并将所发出的控制信号命令放大数倍，通过伺服电机带动转子转动产生转矩力，然后将转矩力输出，从而可以驱动数控机床进给机构实现运动所需要的动力。电机的种类包括步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、直线电机。电机选择是否恰当，对整个机械的性能及成本、机械传动系统的组成及其繁简程度将有直接影响[3]。通过对比各类型电机的特点，选用用交流伺服电机比较符合本次设计的使用要求。

减速器的作用是降低转速、增大扭矩、减小惯量等。根据工作方式的不同可以分为行星齿轮减速器、圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器、圆锥-圆柱齿轮减速器和蜗杆减速器。

通过对比上述几种减速器的性能和使用功能性，结合本次设计采用的是交流伺服电机，同时需要高精度、大扭矩传动，所以采用行星减速器来实现减速的目的。

5 Z轴导轨设计

支撑和引导移动部件在特定运动轨迹上运动的部件被称为导轨。运动部件的运动轨迹有直线性运动、弯曲运动和圆周运动。数控机床进给系统的运动精度受导轨制造精度影响。导轨在制造过程中的误差将直接影响工作台运行的定位精度和几何精度。导轨是数控机床进给系统的核心传动部件之一。它在很大程度上决定了数控机床的精度和精度保持率，也是机床制造商中附加值最高的产品之一。由于执行部件（主轴箱、滑动箱、工具）的质量很大，在重型数控机床上，对导轨的承载能力和重型重切削下的动态性能提出了更高的要求。

本文设计的数控人字齿铣削中心Z轴，其复合拖板上装有进给轴（Y轴）、立铣刀主轴箱（SP1轴）和盘铣刀主轴箱（SP2轴），一般滑动导轨或滚动导轨不能满足该轴的传动精度和承载能力要求，静压导轨结构复杂，维护困难，技术成本高，应用少。因此，采用滚动导轨和滑动导轨复合，既有滚动导轨的高速和高精度优点，又结合了滑动导轨平稳承载能力大的优点，使机床运动精度高，承载能力大，其优越性如表2所示。

表2 滚滑复合导轨的优越性

复合拖板上装有进给轴（Y轴）、立铣刀主轴箱（SP1轴）和盘铣刀主轴箱（SP2轴），Z轴复合拖板在整个机床中起着至关重要的作用，其加工精度、力学性能和结构的合理性影响着进给轴和数控轴的运行精度。采用空心结构，可以减轻质量、节约材料，并且减小壁厚，加大截面的尺寸可以提高结构的刚性，设置隔板和加强筋，提高复合拖板的自身刚度和局部刚度。

6 结语

随着全球经济和科学技术的发展，中国机床行业的首要问题是提高自主创新能力。投资开发高端的自动化设备和高利润的复合专用机床应用于当今的制造业是推进社会发展的切实需求。在加工退刀槽小的人字齿轮时，滚齿等通用方法无法加工，采用指形铣、插齿等方法加工，效率较低，因此设计一种高效的、高精度的人字齿轮加工机床成为迫切的需求。