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YK3150滾刀主軸主件設(shè)計(jì)
1緒論
1.1 YK3150E數(shù)控滾齒機(jī)開發(fā)的背景和問題的提出
自20世紀(jì)80年代后期以來(lái)，我國(guó)機(jī)床行業(yè)已朝著數(shù)控方面深入地發(fā)展，特別是進(jìn)入九十年代后，機(jī)床的數(shù)控化標(biāo)志著機(jī)床行業(yè)進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代。北京國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，80年代末第一屆北京機(jī)床展覽的數(shù)控機(jī)床僅為5%比例，到2003年國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)上幾乎除專用設(shè)備外全都為數(shù)控機(jī)床。作為齒輪加工機(jī)床的數(shù)控滾齒機(jī)。我國(guó)自八十時(shí)代開發(fā)以來(lái)，無(wú)論從品種的類型上還是功能復(fù)合上都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。特別是近十多年以來(lái)，以汽車工業(yè)為龍頭的相關(guān)支柱型產(chǎn)業(yè)更是把齒輪加工機(jī)床數(shù)控化發(fā)展推向了一個(gè)新的高度。其中尤其對(duì)數(shù)控高效滾齒機(jī)的需求顯得十分突出。重慶機(jī)床廠作為我國(guó)齒機(jī)機(jī)床生產(chǎn)的骨干企業(yè)，在2000年，瞄準(zhǔn)這一市場(chǎng)的需求潛力，為填補(bǔ)國(guó)內(nèi)高效，高速、高剛性數(shù)控滾齒機(jī)床的空白，組織人力物力，在國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)，軍工行業(yè)，進(jìn)行了深入細(xì)致的調(diào)查，成功開發(fā)出了YK3150E數(shù)控滾齒機(jī)。
1.2 數(shù)控滾齒機(jī)開發(fā)的意義和必要性
隨著載重汽車，工程機(jī)械，船開發(fā)，電梯及軍工行業(yè)中對(duì)齒輪的加工精度、質(zhì)量和效率的要求不斷提高，特別是在這些行業(yè)中經(jīng)常遇見 4~8 模數(shù)的直齒、斜齒、花鍵、小錐度、鼓形齒輪等的加工問題，開發(fā)一檔數(shù)控高效全新型滾齒機(jī)床，更好地滿足該行業(yè)對(duì)齒輪的精度和效率的需求，為我國(guó)制齒行業(yè)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)設(shè)備顯得迫切而必要。其意義和必要性主要有如下幾個(gè)方面：
1、加速數(shù)控高效滾齒機(jī)床向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展
目前在國(guó)內(nèi)齒輪行業(yè)中，以輕型，標(biāo)準(zhǔn)類型普通數(shù)控滾齒機(jī)的產(chǎn)品占絕大多數(shù)，真正意義上的數(shù)控(穩(wěn)定切削全面達(dá)到國(guó)標(biāo) 7 級(jí)精度)高效、強(qiáng)力，高剛性，能實(shí)現(xiàn)一刀切削中等模數(shù)的數(shù)控高精度滾齒機(jī)尚為空白，這檔機(jī)床的研制成功，無(wú)疑會(huì)加速數(shù)控滾齒機(jī)的系列化，標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的進(jìn)一步發(fā)展，從而推動(dòng)數(shù)控機(jī)床在制齒行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
2、提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力和經(jīng)濟(jì)效益
率先將獨(dú)有的數(shù)控高效滾齒機(jī)的產(chǎn)品推向市場(chǎng)，不僅可以占有更大的市場(chǎng)份額，提高競(jìng)爭(zhēng)能力，而且在此制造行業(yè)中帶來(lái)巨大的市場(chǎng)利潤(rùn)，給后續(xù)的數(shù)控高效的發(fā)展帶動(dòng)無(wú)盡的動(dòng)力。
3、進(jìn)一步縮小設(shè)備與國(guó)外的差距
目前國(guó)內(nèi)外齒輪加工機(jī)床行業(yè)目前已朝著高速、高效、高精度、全數(shù)控功能復(fù)合，柔性，智能化，綠色環(huán)保制造網(wǎng)絡(luò)化方面發(fā)展。以德國(guó)的利波海爾公司，美國(guó)的格里森集團(tuán)以及日三菱重工本等為代表世界著名的成套齒輪加工機(jī)床的制造商，均能生產(chǎn)高檔數(shù)控滾齒機(jī)床，且對(duì)直徑 Φ150~Φ320 規(guī)格的數(shù)控高效滾齒機(jī)床已形成批量化生產(chǎn)，我廠此產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的成功不僅能縮小與國(guó)外滾齒設(shè)備技術(shù)水平的差距，而且也能打破國(guó)內(nèi)制齒設(shè)備無(wú)數(shù)控高效機(jī)床的局面，在一定程度上對(duì)外出口創(chuàng)匯，形成國(guó)產(chǎn)數(shù)控高效制齒機(jī)床自主的核心技術(shù)。
4、體現(xiàn)了我國(guó)機(jī)床數(shù)控化發(fā)展的方向
現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的朝流是，數(shù)控化、信息化、高效和智能化，技術(shù)創(chuàng)新的方法是機(jī)械技術(shù)與高新技術(shù)的融合創(chuàng)新。對(duì)齒輪別制造技術(shù)裝備來(lái)說(shuō)，表現(xiàn)為工藝與裝置一體化，加工與檢測(cè)一體化，機(jī)械與控制一體化，軟件與硬件一體化。需用信息化帶動(dòng)工業(yè)化，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。數(shù)控高效機(jī)床的發(fā)展，不僅關(guān)系到我國(guó)裝備工業(yè)經(jīng)濟(jì)技術(shù)實(shí)力的增強(qiáng)，更好滿足制齒行業(yè)實(shí)際的需求，打破國(guó)外技術(shù)封鎖的狀態(tài)，同時(shí)也關(guān)系到國(guó)家戰(zhàn)略的安全，擔(dān)負(fù)著我國(guó)機(jī)床數(shù)控化發(fā)展的方向的問題。因而對(duì)滾齒行業(yè)來(lái)說(shuō)，發(fā)展和開發(fā)數(shù)控高數(shù)滾齒設(shè)備是當(dāng)前行業(yè)裝備的重要而迫切的任務(wù)之一。
1.3 市場(chǎng)需求性
國(guó)內(nèi)機(jī)械行業(yè)對(duì)中等模數(shù)以上(M4~M8)直徑小于400m的圓柱齒輪需求量很大，而目前各行業(yè)的主要齒輪加設(shè)備只相當(dāng)于國(guó)外 20 世紀(jì) 60~70 年代的水平，雖然少數(shù)企業(yè)也購(gòu)買了進(jìn)口機(jī)床，但價(jià)格昂貴，數(shù)量極其有限，且使用的成本較高，難以滿足這些行業(yè)對(duì)產(chǎn)品變化的需求。目前迫切需要性價(jià)比高的數(shù)控高效滾齒機(jī)床，以解決這些行業(yè)日益發(fā)展的瓶頸問題。據(jù)調(diào)查，齒輪行業(yè)現(xiàn)在有些企業(yè)正在實(shí)施或計(jì)劃進(jìn)行技術(shù)改造，資金投入少則3000萬(wàn)元～5000萬(wàn)元，多則1億～5億元，主要用于購(gòu)置各類齒輪加工專用設(shè)備和通用設(shè)備。據(jù)預(yù)測(cè)，2010年前，齒輪行業(yè)需要添置滾齒機(jī) 3000～3500 臺(tái)，磨齒機(jī) 400～500 臺(tái)，熱處理設(shè)備 500 臺(tái)，齒輪測(cè)量中心 200 臺(tái)。此外在 9 萬(wàn)臺(tái)的齒輪機(jī)床中，約有 5 萬(wàn)臺(tái)服役超過 20 年，已經(jīng)或?qū)⒁獔?bào)廢；余下的4萬(wàn)臺(tái)普通齒輪機(jī)床其中一部分也將進(jìn)行數(shù)控化改造。
本產(chǎn)品開發(fā)成功主要適宜的對(duì)象有：
1、機(jī)車及重型汽車變速箱齒輪加工行業(yè)用戶
2、工程及礦山機(jī)械行業(yè)中的齒輪加工用戶
3、船泊工業(yè)中的齒輪加工及維修用戶
4、高級(jí)電梯行業(yè)中的齒輪和蝸輪加工用戶
5、國(guó)防、軍工企業(yè)的齒輪加工用戶
1.4 滾齒機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀分析及發(fā)展趨勢(shì)
1.4.1 滾齒機(jī)國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
齒輪加工機(jī)床是一種技術(shù)含量高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)床系統(tǒng)，由于齒輪使用的量大面廣，齒輪加工機(jī)床已成為汽車、摩托車、工程機(jī)械、船舶等行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。特別是隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展對(duì)齒輪的需求量日益增加，對(duì)齒輪加工的效率、質(zhì)量及加工成本的要求愈來(lái)愈高，使齒輪加工機(jī)床在汽車、摩托車等行業(yè)中占有越來(lái)越重要的作用。滾齒機(jī)是齒輪加工機(jī)床中的一種，占齒輪加工機(jī)床擁有量的40%，它主要用來(lái)加工圓柱齒輪和蝸輪等。
我國(guó)生產(chǎn)滾齒機(jī)的歷史始于1953年，經(jīng)過30年的努力，到80年代初已進(jìn)入世界滾齒機(jī)主要生產(chǎn)國(guó)家行列。目前，國(guó)產(chǎn)滾齒機(jī)以傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)式為主，品種系列齊全，傳統(tǒng)滾齒機(jī)完全依靠機(jī)械內(nèi)聯(lián)傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)滾刀與工件的同步運(yùn)動(dòng)和差動(dòng)運(yùn)動(dòng)，往往需要經(jīng)過多級(jí)齒輪傳動(dòng)，并且引入蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)，使得機(jī)械結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，調(diào)整維護(hù)非常困難，也降低了加工精度近幾年，我國(guó)在滾齒機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)方面研究的主要經(jīng)歷了從傳統(tǒng)機(jī)械式滾齒機(jī)通過數(shù)控改造發(fā)展。
目前國(guó)內(nèi)齒輪加工機(jī)床的最高水平如下：在工作臺(tái)直線移動(dòng)方面，采用數(shù)控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)代替普通滾齒機(jī)的各種交換掛輪，采用交流伺服電機(jī)通過多對(duì)降速齒輪副和一對(duì)滾珠絲杠副來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件，在滾刀回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方面采用交流伺服電機(jī)通過2、3對(duì)降速齒輪副來(lái)實(shí)現(xiàn)。在工作臺(tái)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方面，絕大多數(shù)齒輪加工機(jī)床仍然需要采用多對(duì)高精度齒輪副和一對(duì)高精度蝸輪蝸桿副實(shí)現(xiàn)。但由于存在著大量的機(jī)械傳動(dòng)元件，對(duì)機(jī)床的加工精度產(chǎn)生極大的影響，也使得機(jī)械結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜，調(diào)整維修也極不方便。
1.4.2 滾齒機(jī)國(guó)外研究現(xiàn)狀
國(guó)際上生產(chǎn)滾齒機(jī)的強(qiáng)國(guó)主要是美國(guó)、德國(guó)和日本，美國(guó)的Gleason Pfauter公司德國(guó)的Liebherr公司日本的三菱重工公司堅(jiān)藤清和公司和意大利的SU公司是國(guó)外最具實(shí)力的滾齒機(jī)制造商。這些公司目前生產(chǎn)的滾齒機(jī)均是全數(shù)控式滾齒機(jī)，中小規(guī)格滾齒機(jī)都在朝著高速方向發(fā)展，所有高效機(jī)床均采用了全密封護(hù)罩加油霧分離器及磁力排屑器的方式部分地解決了環(huán)保問題。
國(guó)外滾齒機(jī)研制的熱點(diǎn)是干式切削滾齒機(jī)Liebherr Gleason Pfauter。三菱重工、SU、堅(jiān)藤以及清和均開發(fā)了適用于高速干式切削的滾齒機(jī)產(chǎn)品。國(guó)外制造商由于基礎(chǔ)研究厚實(shí)積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。它們對(duì)滾齒機(jī)的研究已經(jīng)達(dá)到比較高的水準(zhǔn)，將滾刀軸驅(qū)動(dòng)，工件軸驅(qū)動(dòng)各直線運(yùn)動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)控制以及控制軟件的開發(fā)等因素作為一體來(lái)考慮，將多個(gè)因素結(jié)合在一起進(jìn)行優(yōu)化。目前國(guó)外滾齒機(jī)研制水平如下：
①為了適應(yīng)干式切削的需要，床身設(shè)計(jì)了大角度的斜坡，利于迅速將高溫切屑排出機(jī)床，同時(shí)在床身內(nèi)部采用循環(huán)水冷卻以保證熱穩(wěn)定性。
②尾架采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓方式，不用安裝限位裝置。
③刀架和活動(dòng)支承的軸承采用水冷，可以達(dá)到更高的速度和最大的熱穩(wěn)定性。
④標(biāo)準(zhǔn)的熱補(bǔ)償系統(tǒng)能夠根據(jù)機(jī)床溫度的變化自動(dòng)調(diào)整零件的加工尺寸。
⑤刀架采用機(jī)械方式鎖緊，液壓方式松開。
⑥滾刀軸旋轉(zhuǎn)由電主軸直接驅(qū)動(dòng)，工件軸旋轉(zhuǎn)由力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，極大提升了加工速度。
1.4.3 滾齒機(jī)研制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
目前國(guó)內(nèi)外數(shù)控高效滾齒機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是：高速(滾刀主軸8000r/min以上，工作臺(tái)轉(zhuǎn)速 800 轉(zhuǎn)/r)，高精度(可滾齒 5~6 級(jí)齒輪)，全數(shù)控(六軸五聯(lián)動(dòng)以上)，模塊系列化(直徑 Φ200 規(guī)格機(jī)型向 Φ120~350 雙向覆蓋)，綠色制造(干式滾切和冷風(fēng)滾切)，網(wǎng)絡(luò)化(多臺(tái)滾齒機(jī)聯(lián)網(wǎng))。因此，齒輪加工機(jī)床制造商正不斷地為滿齒輪加工行業(yè)的新需求，提供高效率、高精度、環(huán)保，低成本和高可靠性和穩(wěn)定性的精良齒輪加工裝備方向推進(jìn)。
1.5 本章小結(jié)
本章論述了國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀，以及數(shù)控滾齒機(jī)國(guó)內(nèi)的發(fā)展水平，指出開發(fā)設(shè)計(jì)數(shù)控滾齒機(jī)不僅是齒輪加工行業(yè)發(fā)展的的一種需求，而且也是數(shù)控技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)相結(jié)合的必然產(chǎn)物，是制齒機(jī)床行業(yè)發(fā)展的一個(gè)方向，具有廣闊的技術(shù)發(fā)展前景和市場(chǎng)拓展空間。
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