基于液压驱动的数控插齿机主轴机械系统设计

西安科技大学硕士学位论文基于液压驱动的数控插齿机主轴机械系统设计姓名：王海文申请学位级别：硕士专业：机械工程指导教师：郭卫2011论文题目：基于液压驱动的数控插齿机主轴机械系统设计专业：机械工程硕士生：王海文（签名）指导教师：郭卫（签名）摘要课题来源于张家口煤矿机械有限公司，由于公司加工内齿圈用的插齿机精度下降，不能满足产品需要，考虑到产品对插齿机的要求，设计一台数控插齿机，相对于原来使用的插齿机，齿轮加工精度高，质量好，具有良好的经济效益。本文以数控插齿机为研究对象，制订了数控插齿机运动方案，设计了主轴机械系统并进行了仿真，具体研究内容有：根据普通插齿机加工原理与切削运动，设计了数控插齿机运动方案，主要有主运动方案、主轴液压驱动方案、主轴让刀运动方案、展成运动方案和径向切入运动方案，绘制了数控插齿机运动方案图，确定了数控插齿机的运动动力参数，对数控插齿机主轴机械系统中的关键零件—主轴，分析了主轴的受力情况，进行了强度校核和刚度校核。对主轴机械系统进行了三维建模和运动仿真，包括主运动部件和让刀运动部件。首先用PRO/E软件建立主运动部件和让刀运动部件三维模型，进行虚拟装配、干涉校验、运动仿真后导入到ADAMS软件中，建立运动模型（施加运动副和载荷）进行运动仿真，输出插齿刀的速度、位移曲线，分析主运动和让刀运动的协调性，输出主轴受力，为主轴有限元提供条件。对主轴机械系统中的关键零件—主轴进行有限元分析，首先在ANSYSWorkbench12.0中添加主轴材料属性，然后在该软件中的DM（Geometry）中建立主轴模型，利用软件中的自动划分网格技术划分网格，并对主轴有限元模型施加载荷和约束，然后求解，根据需要输出主轴的正应力曲线、主轴总变形和主轴在X、Y和Z方向的变形，并用仿真结果对计算结果做了验证。关键词：插齿机；主轴；设计；三维建模；有限元Subject：：：：TheDesignforSpindleMechanicalSystemofNumericalControlGearSlottingMachineBaseonHydraulicDriveSpecialty：：：：MechanicalDesignandTheoryName：：：：WangHaiwen（（（（Signature））））Instructor：：：：GuoWei（（（（Signature））））ABSTRACTThisproblemcomesfromZhangjiakouminingmachineryCo,.Ltd.Numericalcontrolgearslottingmachineisdesignedsincecommongearslottingmachineaccuracycannotmeettheneedsofgearproduct.Thedesignednumericalcontrolgearslottingmachinepossessescharacteristicsofgoodgearcuttingaccuracy,betterquality,andbettereconomicbenefits.Inthispaper,numericalcontrolgearslottingmachineistakenasobjectofstudy,themotionschemeandspindlemechanicalsystemofnumericalcontrolgearslottingmachinearedesigned,itsconcretecontentisasthefollows:Accordingtocuttingprincipleandmotionofcommongearslottingmachine,themotionschemeofnumericalcontrolslottingmachineisdesigned.Itconsistsofmainmotionscheme,spindlemotionschemeonhydraulicdrive,spindlecutterrelievingmotionscheme,spindlegeneratingmotionscheme,andspindleradialcuttingmotionscheme.Thekineticanddynamicparametersaredetermined.Spindleisthecriticalpartinthesystemofnumericalcontrolslottingmachine,forceproblemofwhichisanalysed,strengthandrigidityofwhichischecked.Thespindlemachinesystem,consistofmainmotioncomponent,andspindlecutterrelievingmotioncomponent,threedimensionalmodelofwhichisdesigned,kineticsimulationofwhichisrealized.First,threedimensionalmodelofmainmotioncomponent,andspindlecutterrelievingmotioncomponentarecreatedbyPro/Engineering5.0,andrealizevirtualassembly,interferencevalidation,kineticsimulation.Second,threedimensionalmodelisinducedtoADAMSsoftware,andmotionmodeliscreated.ThespindleforcedcurveastheconditionofFEManalysisisobtained.Spindle,whichisthecriticalpartinthespindlemachinesystem,isanalysedbyFEM.First,newmaterialpropertyisaddedtoANSYSsoftware.Second,spindlemodeliscreated,mesharegeneratedthroughusingautomaticmeshpartitiontechniquesofsoftwareonspindle.LoadsandrestraintforcesareappliedonthespindleFEMmodel.Atlast,thespindletotaldeformationcurve,thespindledirectionaldeformationcurve,andthespindlenormalstresscurveareobtained.Thesesimulationcurvesverifythatthespindlecalculationarecorrect.Keyword:GearslottingmachineSpindleDesignthreedimensionalmodelFEM1绪论11绪论1.1国内外插齿机的生产研究现状插齿机是用来加工齿轮的一种专用装备，既可以加工外齿轮，又可以加工内齿轮。由于齿轮传动具有传递动力大（传递功率可达到105千瓦）、传递速度高（齿轮的圆周速度可达到300m/s）和具有恒定传动比等优点【1】，在机械传动中应用最为广泛。但齿轮轮齿形状复杂，其制造水平已成为一个国家现代工业技术水平的标志之一，研究齿轮及齿轮加工的相关技术已成为国内外机械制造企业研究的重点。1.1.1国外插齿机现状目前，国外插齿机广泛采用CNC技术，以电子传动链代替挂轮，并配以分辨率为0.1的光栅测量系统和分辨率为0.036的编码器测量系统，有效地提高了插齿的加工精度和生产率【2】。主要代表有：LORENZ公司生产的数控插齿机，配以少量附件可以加工内外齿、花键、外圆、沟槽、方孔、非圆齿轮、端面齿等，扩大了插齿机的加工范围。美国FELLOW公司研制的FS180型数控插齿机，采用FANUC15数控系统，控制轴数可达6~8轴，具有以往插齿机所没有的功能，如：主轴采用液压驱动，主轴快速返回，工作台变值圆周进给和递减径向进给等，这对提高切齿效率意义重大；机床具有自适应控制功能，通过检测插齿的切削力、主轴行程速度及加速度等信息，自动调整刀具和工件的位置和速度，使切削功率处于最佳状态；机床还可以自动消除因加工条件和环境温度变化带来的热位移，自动校正进给轴的位置，确保加工精度。当前，国外插齿机已经多数具备的功能有：（1）随机误差自动检测；（2）误差自动补偿装置；（3）刀具自动修正；（4）刀具、工件自动定心；（5）刀具、工件自动装卸。1.1.2国内插齿机现状国内插齿机的研究主要集中在高校，有以下几个方面：（1）控制系统研究①华中科技大学王君明等采用PLC控制齿条插齿机【3】。西安科技大学工程硕士学位论文2②华中科技大学王君明等研究HYK51850数控齿条插齿机硬件系统【4】。③湖北水利水电职业技术学院李炽岚的斜齿轮全数字化插齿加工运动控制方法【5】。通过对现有文献进行检索发现，我国科研人员对数控插齿机控制系统的研究仅限于采用PLC进行运动控制。（2）机械系统研究机械系统采用的新技术主要是虚拟样机技术和零件结构有限元分析技术，对机床的研究主要集中在数控车床、数控铣床和加工中心，数量也不是很多，对插齿机的研究较少，主要有：①天津大学硕士研究生柴宝莲对YK5120数控插齿机建立了三维模型，并进行了运动仿真和干涉校验【6】。三峡大学田启华等对YKS5120B-3数控插齿机床身结构进行了有限元分析【7】。在高校对插齿机研究的基准上，国内插齿机生产企业也为插齿机技术发展做出了重要贡献，典型企业有宜昌长江科技有限责任公司、天津第一机床厂和南京第二机床厂等。（1）宜昌长江科技有限责任公司【8】YK51125是宜昌长江科技有限责任公司生产的CNC控制、交流伺服驱动，三轴三联动的数控插齿机。该机床用于外齿（最大直径Ø1250mm），内齿（最大直径Ø1600mm）的圆柱齿轮的切削加工；切削时径向进给是通过工作台移动来实现的；主运动由交流变频电机驱动；切削循环次数设计为一至五次，可根据切削需要设置循环次数及每次循环的径向切入量；机床按精度等级分普通型，即Y51125型、精密型即YM51125型，精密型的工作精度可达6级。YK51125B数控插齿机的主要技术参数如表1.1所示。表表表表1.1Y51125B数控插齿机的主要数控插齿机的主要数控插齿机的主要数控插齿机的主要参数参数参数参数主要参数名称Y51125B数控插齿机外齿Φ1250mm最大工件直径内齿Φ1250mm最大模数14mm最大加工齿宽280mm刀具每分钟往复行程数30~300stroke/minφ200mm插齿刀圆周进给量0~1.14mm/stroke径向进给量0~500mm/min插齿刀让刀量0.7mm刀轴与工作台轴线的距离0~800mm总功率25KW1绪论3（2）天津第一机床厂【9】YK51125是天津第一机床厂生产的数控插齿机，该机床主要用于汽车、拖拉机、工程机械、矿山及冶金机械、机床、航空、纺织机械等行业，适用于单件和小批生产，也可用于大批量生产。机床主要加工内、外直齿圆柱齿轮、各种形状的直齿非圆柱齿轮和平板凸轮。采用螺旋导轨和带有螺旋齿的插齿刀，可加工斜齿圆柱齿轮；采用特殊刀具可加工多种齿形的结合子和渐开线花键。该机床的主要特点是：①机床为纵向布局，刀架摆动让刀，工作台在三条矩型导轨上实现径向进给。床身、立柱、刀架、工作台均具有优良的结构和传动刚性。②机床为三轴联动数控插齿机，三数控轴为：插齿刀回转轴、工作台回转轴、工作台径向进给轴。机床主运动采用变频电机驱动，实现无级调速和自动转换。③机床刀轴有自动上停功能，并采用新型的结构实现上提拉功能。④刀架采用内置弹簧和新型刀具接套结构。⑤机床采用新型双滚子凸轮