双齿轮输出进给箱的安装工艺

卢传杰 李革志 赵海院 王振宇

（德州普利森机床有限公司，德州 253000）

进给箱是机床最精密的部件之一。它的安装精度直接影响机床的工作精度、稳定性以及使用寿命[1]。以数控车床为例，刀架X向进给通常采用滚珠丝杆传动结构形式。X向行程一般比较短，结构简单，精度好控制。刀架Z向进给情况比较复杂。一般情况下，Z向行程小于6 m时采用滚珠丝杆传动结构形式进给。当行程较大时，因滚珠丝杆的扭曲、下垂及摆动等问题，齿轮齿条结构应用较为普遍。

齿轮输出进给箱分为单齿轮输出和双齿轮输出。最大加工工件质量在25 t以下的机床，进给箱通常采用单齿轮输出结构[2-3]。单齿轮输出进给箱安装工艺较为简单，只需要进行简单的拉表、找正与紧固即可。当机床加工工件吨位较大时，一般采用双齿轮输出减速箱，即两个输出齿轮同时与齿条啮合[4]。对于粗加工工序，两个齿轮同一方向的齿面与齿条啮合，可以提高进给刚度。对于精度要求高的场合，两个齿轮不同方向的齿面与齿条啮合，可将进给箱反向传动间隙控制在较为理想的较小值。

双齿轮输出齿轮齿条啮合是过定位结构，如何保证该结构的正确安装是行业难点。如图1所示，以数控三导轨车床为例，拖板2与齿条3安装在床身4上，拖板2与床身4为滑动结合，齿条3与床身4为固定结合，进给箱1与拖板2为固定结合。进给箱1为双齿轮输出结构，双齿轮与齿条3啮合。传统的安装工艺是先对拖板2与床身4的滑动结合面进行刮研，以提高接触面积，然后分别安装齿条3、拖板2和进给箱1。

图1 重型卧式车床结构图

这种工艺主要以各零部件的尺寸精度为前提，主要存在以下问题。第一，忽略了各零部件累计的尺寸公差。对机床各零部件进行检测，其尺寸公差均在理想范围，但机床的工作性能往往不够理想，如位置精度低、运行不平稳等。研究发现，进给箱双齿轮与齿条的啮合状态是主要影响因素，各零部件的累计尺寸公差直接影响啮合状态。第二，忽略了刮研过程中材料不均匀去除的因素。刮研的主要目的是增加接触面积。观察发现，对拖板刮研的过程中，材料的去除量是不均匀的。刮研完成后，拖板原始的工艺基准已经丧失。进给箱与拖板把合后，进给箱已经处于倾斜状态，双齿轮与齿条处于不正确的啮合状态，造成装配误差较大，但该因素往往被忽略。第三，忽略了两个齿轮与齿条都啮合后，齿轮处于强制变形的啮合状态。用涂色法、压线法检测两个齿轮的啮合状态，都处于理想状态，但是机床的进给精度、稳定性不够好。监控进给电机发现，单齿轮啮合时负载小，双齿轮啮合后负载大，说明双齿轮发生了强制变形。

1 双齿轮输出进给箱传动结构

图2是双齿轮输出进给箱Ⅰ～Ⅲ轴传动结构图。其中，电机与Ⅰ轴连接采用胀套锁紧方式，避免了传统键传动反向间隙大的缺点。图3为Ⅲ～Ⅸ轴传动结构图。其中，调节Ⅲ轴末端的调整螺母，Ⅲ轴可以在轴向方向微量移动。如图3所示，Ⅲ轴两侧分别装有螺旋方向相反的斜齿轮，分别传递给两侧的传动链。当Ⅲ轴轴线移动时，在斜齿轮的轴向力作用下，两侧的传动链同时朝相反的方向转动。两个输出齿轮抱紧齿条，从而达到消除反向间隙的目的[5]。各传动轴与齿轮连接，最大可能地使用胀套结构，可以避免普通平键或花键连接造成反向间隙较大的问题，继而避免影响传动精度。Ⅸ轴、Ⅵ轴为输出轴，转速最低，扭矩最大，轴与齿轮连接采用胀套结构会降低传动稳定性，故采用高精度双键连接结构。

图2 双齿轮输出进给箱Ⅰ～Ⅲ轴传动结构图

图3 双齿轮输出进给箱Ⅲ～Ⅸ轴传动结构图

2 安装工艺

为了解决传统工艺造成的装配过程复杂、装配精度不稳定问题，本工艺提供了一种机床进给箱的安装新方法[6]，极大地提高了进给箱安装精度，使得机床运行更加平稳。新工艺采用的装配流程，如图4和 图5所示。

图5 双齿轮输出进给箱与床身、拖板安装位置图

如图4所示，在上平面11留有装配调整量和加工出工艺基准面12的进给箱内，松开Ⅷ轴和V轴上的胀套，使齿轮与轴可以相对转动。将齿条3放在2个齿轮13上，用橡胶棒轻敲击齿条上基准面31和齿条侧基准面32，使齿条3与两个齿轮13近似啮合。齿条3和齿轮13均为斜齿，将齿条3自然放置到两个齿轮13时，其齿面一般不会完全啮合。缓慢地往复旋转两个齿轮13，在斜齿面的轴向力与径向力的作用下，齿条3将发生水平位移和垂直位移，直至齿条3和齿轮13完全啮合。此时，可用涂色法验证齿条3和齿轮13的啮合接触面积，轴向达到100%，径向达到85%以上接触。同时，为保证双齿轮强制变形后的安装精度，需用百分表5检测齿条侧基准面32和进给箱侧基准面12的平行度，检测齿条上基准面31与进给箱上基准面11的平行度。

图4 齿条与双齿轮输出进给箱安装调整示意图

如图5所示，将以上组件置于安装工位，底面用4个顶尖6支撑，使进给箱上基准面11与拖板下基准面21之间、齿条上基准面31与床身下基准面41之间、齿条侧基准面32与床身侧基准面42之间分别留有间隙。此外，分别调整顶尖6，直至齿条上基准面31与床身下基准面41之间、齿条侧基准面32与床身侧基准面42之间分别平行。测量齿条上基准面31与床身下基准面41之间的间隙值，记为A；测量进给箱上基准面11的4个角与拖板下基准面21之间的间隙值，分别依次记为B1、B2、B3、B4；按照B1、B2、B3、B4与A值的差值，计算出进给箱上基准面11的平面度铣削量，配铣基准面11，锁紧Ⅷ轴和V轴上的胀套。最后，将进给箱1装配在拖板2上，进给箱安装完成。移动进给箱，检查装配后的齿轮13与齿条3的接触面，判定进给箱的装配符合要求。

新工艺实施后，连续多次对装配的进给箱齿轮与齿条接触情况进行跟踪检测，都能达到技术要求，且使机床Z向位置精度高于国家标准1～3倍，精度稳定，Z向位置精度一次交检合格率达到100%。

3 结语

实践证明，双齿轮输出进给箱装配新工艺先让双输出齿轮与齿条正确啮合，再选择进给箱上平面作为调整对象，通过配铣一次加工完成，避免了多次调整造成的装配精度不稳定、人力物力的消耗等，有效解决了原装配工艺的诸多不足，大大提高了双齿轮输出进给箱装配的精度、效率。此外，新装配工艺在精密分度双牙棒进给箱装配中进行了推广应用，效果 良好。