CN100500352C - 极坐标数控高效铣、滚齿复合机床 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极坐标数控高效铣、滚齿复合机床，该机床具有高效成形铣齿与精密展成滚齿的功能，能提高齿轮加工效率3-5倍，节约设备投入经费50%，减少厂房占地面积30%；本发明的极坐标数控高效铣、滚齿复合机床，包括有床身、立柱、水平进给拖板、垂直进给拖板、回转工作台及高效铣、滚齿主轴箱模块，立柱安装在床身上，回转工作台固定于水平进给拖板上，高效铣、滚齿主轴箱模块置于垂直进给拖板上，采用了极坐标的设计理念，回转工作台中心构成机床加工工件的极点，回转工作台转角构成机床加工工件的极角，回转工作台半径与水平进给拖板移动坐标之和构成机床加工工件的极径，通过数控插补及电子齿轮箱软件，实现数控加工。

Description

极坐标数控高效铣、滚齿复合机床

技术领域

本发明涉及一种齿轮加工机床，更具体地说涉及一种极坐标数控高效铣、滚齿复合机床，属先进制造技术领域。

背景技术

目前，市场上大直径(2米以上)回转件的加工均采用X、Y、Z三个方向上的直线进给联动驱动的直角坐标系数控机床。但是，直角坐标系数控机床在加工大型回转曲面、圆周分度精度要求较高的零件时，存在着加工精度较差、加工效率较低以及编程不方便等问题。因此，引入极坐标的设计理念，以回转工作台回转运动加上X、Z向两直线联动驱动代替X、Y、Z向三直线联动驱动。极坐标系数控机床结构紧凑，体积是传统直角坐标系数控机床的1/3，占地面积仅为其1/4。

齿轮是典型的回转件，目前大模数、大直径齿轮展成法加工均采用外齿在滚齿机床上加工，内齿在插齿机床上加工，以及用成形铣齿指状铣刀进行铣齿的加工方法。采用上述方法，每个齿轮必须在多台机床上加工，加工效率低；且机床齿加工功能单一，制造成本高。

复合机床并不是一项新技术，早在20世纪50年代末期就出现了镗铣类复合机床，通过换刀就可实现铣、钻、镗和攻丝等多种不同的加工工艺。近年来，复合加工机床技术在日本和欧洲的发展迅速。我国首台车铣复合加工机床出现在2001年中国国际机床展上，是由沈阳机床股份有限公司与德国MAXMULLER公司合作生产。极坐标数控高效铣、滚齿复合机床正是在这种背景下应运而生，它是大模数、大直径齿轮加工的专用设备，能以最经济的价格获得最大的效益。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现在技术中存在的不足和问题，提供一种极坐标数控高效铣、滚齿复合机床，同时具有高效铣齿和滚齿功能，是一种用于对大模数、大直径齿轮同时进行高效成形铣削和展成滚削的极坐标数控复合机床，属于《数控技术与数字制造》和《切削加工工艺与设备》学科、先进制造技术领域。

本发明的极坐标数控高效铣、滚齿复合机床属国内首创。极坐标数控高效铣、滚齿复合机床基于极坐标加工方法，具有高效成形铣齿与精密展成滚齿的功能，能提高齿轮加工效率3-5倍，节约设备投入经费50％，减少厂房占地面积30％。该复合机床的突出优点在于：借助机床极坐标定位及模块化设计方法，一台机床就能完成齿轮粗、精加工，提高了齿轮的加工精度和效率，大大降低了机床制造成本。大模数、大直径齿轮大都选用软齿面工艺，对于软齿面齿轮，采用铣齿粗加工后直接滚齿精加工的工艺流程；而对于硬齿面齿轮，则采用以铣齿粗加工、淬火后成形磨削的工艺流程。这种工艺流程将逐步代替传统滚齿、插齿及成形铣齿的加工方法。

本发明的技术方案如下：

一种极坐标数控高效铣、滚齿复合机床，包括有床身、立柱、水平进给拖板、垂直进给拖板、回转工作台及高效铣、滚齿主轴箱模块，立柱安装在床身上，回转工作台固定于水平进给拖板上，高效铣、滚齿主轴箱模块置于垂直进给拖板上，采用了极坐标的设计理念，回转工作台中心构成极坐标数控高效铣、滚齿复合机床加工工件的极点，回转工作台转角构成极坐标数控高效铣、滚齿复合机床加工工件的极角，回转工作台半径与水平进给拖板移动坐标之和构成极坐标数控高效铣、滚齿复合机床加工工件的极径，通过平面极坐标数控插补及电子齿轮箱软件，实现大模数、大直径齿轮外齿廓成形铣削和展成滚削数控加工；所述的高效铣、滚齿主轴箱模块由铣齿和滚齿两个主轴互换模块及一个公用减速模块组成，所述的铣齿和滚齿两个主轴互换模块是指能够完成铣齿或滚齿功能的主轴模块，分别与公用减速模块连接，铣齿主轴模块与公用减速模块连接构成铣齿主轴箱模块，滚齿主轴模块与公用减速模块连接构成滚齿主轴箱模块。

再进一步的技术方案是所述的铣齿和滚齿主轴互换模块与公用减速模块的连接尺寸具有互换性，可根据铣齿及滚齿工序更换主轴模块。

再进一步的技术方案是所述的高效铣、滚齿主轴箱模块的铣齿功能主轴部分主要由左主轴、右主轴、刀杆和拉刀螺杆组成，铣齿刀具安装在刀杆上；滚齿功能主轴部分主要由左主轴、右主轴、刀杆和拉刀螺杆组成，滚齿刀具安装在刀杆上。

再进一步的技术方案是所述的铣齿和滚齿两个主轴互换模块均采用剖分式结构，刀杆与主轴之间采用间隙配合和卸荷装置，不承受扭矩。

再进一步的技术方案是所述的铣齿和滚齿两个主轴互换模块的铣、滚齿主轴箱传动比分别为9.08和18.02，主轴伺服电机转速为1000转/分钟。

本发明的数控滚、铣复合机床加工齿轮时，先用铣削模块对齿轮进行铣削粗加工，再用滚削模块或磨齿机床对齿轮进行精加工。本发明所提供的数控铣、滚齿复合机床，通过更换具有能满足成形铣齿和展成滚齿要求的传动链的机床主轴模块，在一台机床上能够完成成形铣削和展成滚削加工，综合了铣齿机的高效率和滚齿机的高精度的优势。采用此项技术，用滚削主轴模块代替了滚齿机，因此大大节省了机床制造成本。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比较，本发明采用了极坐标及模块化的设计理念，提高了大模数、大直径齿轮的加工精度；该发明结构简单、模块更换方便、成本低、编程方便、提高了齿轮的加工效率。本发明综合考虑成形铣齿、展成滚齿的加工特点以及各自最佳工艺速度，合理布置了具有能满足成形铣齿和展成滚齿要求的铣、滚齿主轴箱传动链。本发明的主轴伺服电机计算转速1000r/min；铣、滚齿主轴箱传动比分别为9.08和18.02；当高效铣、滚齿主轴箱的铣齿刀具直径为400毫米、滚齿刀具直径为280毫米时，其加工的最小、最大外齿轮直径分别为200毫米、3000毫米；当高效铣、滚齿刀具模数为14时，一次成形最大铣削速度为180米/分，滚削速度为100米/分。本发明的极坐标数控高效铣、滚齿复合机床加工效率是普通滚齿机床的3倍，插齿机床的4倍，能有效提高大直径、大模数齿轮的加工效率，同时加工精度稳定。两个主轴模块与公用变速模块的连接尺寸具有互换性，更换方便，制造成本仅为同样功能的两台数控机床的1/2。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的铣齿功能传动系统图；

图3为本发明的滚齿功能传动系统图；

图4为本发明的铣齿功能主轴箱结构图；

图5为本发明的滚齿功能主轴箱结构图；

图6为本发明的铣齿功能主轴装配图；

图7为本发明的滚齿功能主轴装配图。

图中部件说明：1、床身，2、立柱，3、链轮链条，4、垂直进给交流伺服电机，5、垂直进给拖板，6、主轴伺服电机，7、主轴箱公用变速模块，8、铣、滚齿主轴互换模块，9、铣、滚齿刀具，10、被加工齿轮，11、回转工作台，12、回转工作台交流伺服电机，13、水平进给拖板，14、水平进给传动齿轮副，15、水平进给交流伺服电机，16、垂直进给滚珠丝杠，17、主轴箱皮带传动副，18、水平进给滚珠丝杠，19、主轴箱一级传动齿轮轴，20、主轴箱二级传动齿轮轴，21、铣齿模块主轴箱三级传动齿轮轴，22、铣齿模块主轴，23、滚齿模块主轴箱三级传动齿轮轴，24、滚齿模块主轴，25、铣齿模块拉刀螺杆，26、铣齿模块左主轴，27、铣齿模块刀杆，28、铣齿模块右主轴，29、滚齿模块左主轴，30、滚齿模块刀杆，31、滚齿模块右主轴，32、滚齿模块拉刀螺杆；

Z1、Z2主轴箱一级传动齿轮副，Z3、Z4主轴箱二级传动齿轮副，Z5、Z6主轴箱三级传动齿轮副，Z7、Z8蜗杆蜗轮副，Z9、Z10回转工作台传动齿轮副，Z11、Z12水平进给传动齿轮副。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术内容作说明：

如图所示，本发明的一种极坐标数控高效铣、滚齿复合机床，包括有床身、立柱、水平进给拖板、垂直进给拖板、回转工作台及高效铣、滚齿主轴箱模块，立柱安装在床身上，回转工作台固定于水平进给拖板上，高效铣、滚齿主轴箱模块置于垂直进给拖板上，采用了极坐标的设计理念，回转工作台中心构成极坐标数控高效铣、滚齿复合机床加工工件的极点，回转工作台转角构成极坐标数控高效铣、滚齿复合机床加工工件的极角，回转工作台半径与水平进给拖板移动坐标之和构成极坐标数控高效铣、滚齿复合机床加工工件的极径，通过平面极坐标数控插补及电子齿轮箱软件，实现大模数、大直径齿轮外齿廓成形铣削和展成滚削数控加工。高效铣、滚齿主轴箱模块由铣齿和滚齿两个主轴互换模块及一个公用减速模块组成，所述的铣齿和滚齿两个主轴互换模块是指能够完成铣齿或滚齿功能的主轴模块，分别与公用减速模块连接，铣齿主轴模块与公用减速模块连接构成铣齿主轴箱模块，滚齿主轴模块与公用减速模块连接构成滚齿主轴箱模块。铣齿和滚齿主轴互换模块与公用减速模块的连接尺寸具有互换性，可根据铣齿及滚齿工序更换主轴模块。高效铣、滚齿主轴箱模块的铣齿功能主轴部分主要由左主轴、右主轴、刀杆和拉刀螺杆组成，铣齿刀具安装在刀杆上；滚齿功能主轴部分主要由左主轴、右主轴、刀杆和拉刀螺杆组成，滚齿刀具安装在刀杆上，铣齿和滚齿两个主轴互换模块均采用剖分式结构，刀杆与主轴之间采用间隙配合和卸荷装置，不承受扭矩，铣齿和滚齿两个主轴互换模块的铣、滚齿主轴箱传动比分别为9.08和18.02，主轴伺服电机转速为1000转/分钟。水平进给直线运动与垂直进给直线运动通过两个方向的交流伺服电机、精密齿轮减速箱、滚珠丝杆分别与拖板联接；回转进给运动由交流伺服电机经一对减速齿轮、蜗轮蜗杆副来实现。两直线进给运动与回转进给运动由数控系统控制，以回转工作台中心为极点，回转工作台转角为极角，工作台半径与水平进给移动坐标之和为极径，配以自行开发的平面极坐标数控曲面插补及电子齿轮箱软件，实现渐开线齿廓成形铣削及展成滚削，如渐开线直齿轮、斜齿轮、鼓形齿轮等。

主轴模块在垂直进给拖板上由定位中心孔保证其定位精度，松开主轴模块与公用变速模块的定位销与紧固螺栓即可根据铣齿及滚齿工序更换主轴模块。高效铣、滚齿主轴箱的动力由主轴伺服电机经三对齿轮传递给铣、滚齿刀具。铣齿刀具直径为350-400毫米，滚齿刀具直径为150-300毫米。极坐标数控高效铣、滚齿复合机床的主轴箱采用箱形结构，主轴伺服电机置于箱体顶部，箱体尺寸与传动结构经过优化。铣刀直径为400毫米时加工最小、最大齿轮直径分别为200毫米、3000毫米；当模数为14一次成形时最大铣削速度为180米/分。

发明的极坐标数控高效铣、滚齿复合机床的铣、滚齿主轴箱约重3吨，主轴箱设置了配重，配重锤由链轮链条3连接并置于立柱内。综合考虑了铣、滚齿切削力的大小，铣、滚齿主轴箱配重系数分别为0.7。

本发明的极坐标数控高效铣、滚齿复合机床进给传动系统包括：水平、垂直直线进给系统与回转工作台回转进给系统。水平向的进给传动链是：交流伺服电机15——>齿轮副14——>滚珠丝杠副18——>水平方向工作台13；垂直向的进给传动链是：交流伺服电机4——>滚珠丝杠副16———>垂直方向工作台5———>公用变速模块7———>铣、滚齿主轴模块8；回转工作台的回转传动链是：交流伺服电机12———>齿轮副Z9Z10—>蜗杆蜗轮副Z7Z8——>回转工作台11。回转工作台中心轴安装有圆光栅，与数控系统构成高精度分度闭环控制；同时采用液压夹紧，水平工作台与机床导轨采用四点同步液压夹紧机构，保证了机床的刚度，降低高效铣齿加工时的颤振，提高了加工表面质量。根据不同的工况与齿形加工要求，数控系统PLC对加工顺序进行程序控制，操作方便。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求书中。

Claims (5)

1、一种极坐标数控高效铣、滚齿复合机床，其特征在于包括有床身、立柱、水平进给拖板、垂直进给拖板、回转工作台及高效铣、滚齿主轴箱模块，立柱安装在床身上，回转工作台固定于水平进给拖板上，高效铣、滚齿主轴箱模块置于垂直进给拖板上，回转工作台中心构成极坐标数控高效铣、滚齿复合机床加工工件的极点，回转工作台转角构成极坐标数控高效铣、滚齿复合机床加工工件的极角，回转工作台半径与水平进给拖板移动坐标之和构成极坐标数控高效铣、滚齿复合机床加工工件的极径，通过平面极坐标数控插补及电子齿轮箱软件，实现大模数、大直径齿轮外齿廓成形铣削和展成滚削数控加工；所述的高效铣、滚齿主轴箱模块由铣齿和滚齿两个主轴互换模块及一个公用减速模块组成，所述的铣齿和滚齿两个主轴互换模块分别与公用减速模块连接，铣齿主轴模块与公用减速模块连接构成铣齿主轴箱模块，滚齿主轴模块与公用减速模块连接构成滚齿主轴箱模块。

2、根据权利要求1所述的极坐标数控高效铣、滚齿复合机床，其特征在于所述的铣齿和滚齿主轴互换模块与公用减速模块的连接尺寸具有互换性，可根据铣齿及滚齿工序更换主轴模块。

3、根据权利要求1所述的极坐标数控高效铣、滚齿复合机床，其特征在于所述的高效铣、滚齿主轴箱模块的铣齿功能主轴部分主要由左主轴、右主轴、刀杆和拉刀螺杆组成，铣齿刀具安装在刀杆上；滚齿功能主轴部分主要由左主轴、右主轴、刀杆和拉刀螺杆组成，滚齿刀具安装在刀杆上。

4、根据权利要求2所述的极坐标数控高效铣、滚齿复合机床，其特征在于所述的铣齿和滚齿两个主轴互换模块均采用剖分式结构，刀杆与主轴之间采用间隙配合和卸荷装置，不承受扭矩。

5、根据权利要求4所述的极坐标数控高效铣、滚齿复合机床，其特征在于所述的铣齿和滚齿两个主轴互换模块的铣、滚齿主轴箱传动比分别为9.08和18.02，主轴伺服电机转速为1000转/分钟。

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