CN102717100A - 力矩电机直驱铣齿主轴箱 - Google Patents

Abstract

一种力矩电机直驱铣齿主轴箱，其特征是包括低速大扭矩力矩电机（1）、主动同步带轮轴（3）、第一主动同步带轮（4）、第二主动同步带轮（8）、主轴箱体（9）、电机支架（21）、第一同步带（10）、第二同步带（20）、盘形铣刀（11）、被动同步带轮轴（14）和刀杆（15），本发明通过张紧的圆弧齿同步带将低速大扭矩力矩电机和盘形铣刀直接相连，传动路径短，传动效率高；张紧的同步带可实现无侧隙的平稳传动，避免了波动切削负载造成传动系统的非线性振动，降低了切削噪音，改善了切削齿面的表面粗糙度，避免了齿轮传动中齿面冲击点蚀的危险。

Description

力矩电机直驱铣齿主轴箱

技术领域

本发明涉及一种齿轮机械加工设备，特别涉及一种圆柱齿轮数控铣齿机的力矩电机直驱铣齿主轴箱。

背景技术

大型圆柱齿轮广泛应用于矿山、冶金、化工等行业的机械传动，是非常重要的机械制造基础件。传统的大型圆柱齿轮加工方式通常采用滚削或插削，效率很低。近年来随着数控技术、刀具技术等相关领域的技术发展，利用数控成形铣齿机铣削大齿轮的工艺逐步被推广应用。数控成形铣齿机配置镶有不重磨刀片的成形盘铣刀，利用无瞬心包络法直接将齿形铣削成形，是一种高效率的大型齿轮加工机床。该机床由床身、立柱、数控转台和主轴箱等几个主要部件组成，要求整机具备高刚度、高可靠性，能够适应连续工作制下的强力切削负载。

数控铣齿机的主轴箱是机床极其重要的一个组成部件，它不仅决定了齿轮铣削过程的动力参数，而且其自身精度和刚度很大程度上影响齿轮成形铣削的精度。常见的铣齿机主轴箱均采用齿轮传动结构，即通过伺服主轴电机、减速齿轮传动后驱动成形盘铣刀实现旋转主运动。齿轮传动的主轴箱存在以下几个问题：

采用齿轮传动的主轴箱为了满足小直径内齿圈的铣削，同时受制于盘铣刀直径制约，其箱体结构强度和齿轮强度在设计过程中往往被削弱。另一方面，由于强力铣齿是一个断续切削的过程，切削力幅值大、变化范围大，且随着铣齿过程表现出较强的非对称性和周期性。因此，强力铣齿的负载特性容易造成主轴箱产生谐振，形成盘铣刀在铣削过程的让刀，从而影响了齿轮铣削的精度和表面粗糙度。

主轴箱中采用了多级斜齿轮传动，传动链长，对主轴箱的各齿轮安装孔、各孔之间的中心距及形位公差要求极高，制造困难，成本高。在实际生产过程中，由于齿轮箱体、齿轮、传动轴等多个中间环节的制造误差，造成传动系统产生较大的累积反向间隙，齿轮之间无法形成有效地预载。齿轮铣削过程中的高频激振负载作用在具有反向间隙及无预载的齿轮柔性体上，极容易使得这种带间隙的双线滞回系统产生强烈非线性振荡，从而产生极大的噪声污染，并降低了工件的加工精度及表面粗糙度。另外，由于强烈振荡形成的强力冲击使齿轮表面载荷严重集中，容易产生局部应力过高，导致齿面点蚀损坏，缩短了主轴箱的使用寿命。

发明内容

针对齿轮传动的主轴箱存在整体结构刚性差、噪音大、齿轮易点蚀，加工表面有振纹等技术问题，本发明提出了一种基于力矩电机、同步带传动的力矩电机直驱铣齿主轴箱。这种主轴箱利用同步带的传动特性有效地克服了齿轮传动主轴箱存在的问题，其具体技术方案如下：

一种力矩电机直驱铣齿主轴箱，包括低速大扭矩力矩电机1、主动同步带轮轴3、第一主动同步带轮4、第二主动同步带轮8、主轴箱体9、电机支架21、第一同步带10、第二同步带20、盘形铣刀11、被动同步带轮轴14和刀杆15，所述低速大扭矩力矩电机1与主动同步带轮轴3连接，主动同步带轮轴3的两端分别设有第一主动同步带轮4和第二主动同步带轮8，第一主动同步带轮4和第二主动同步带轮8设置在主轴箱体9内，第一主动同步带轮4和第二主动同步带轮8分别和第二同步带20和第一同步带10连接，第一主动同步带轮4和第二主动同步带轮8连接被动同步带轮轴14，被动同步带轮轴14内设有刀杆15，刀杆15上设有盘形铣刀11。

所述低速大扭矩力矩电机1通过联轴器2与主动同步带轮轴3连接。

所述主动同步带轮轴3上设有第一带轮轴轴承5和第二带轮轴轴承7，第一带轮轴轴承5和第二带轮轴轴承7外部设置带轮轴支架6。

所述被动同步带轮轴14上设有内轴承盖12和外轴承盖18。

所述被动同步带轮轴14上设有内唇形密封13和外唇形密封17。

所述被动同步带轮轴14上设有锁紧螺母16和主轴轴承19。

所述第一同步带10和第二同步带20之间设有皮带张紧组件22。

所述盘形铣刀11与工件23接触。

力矩电机驱动的铣齿主轴箱包括主轴箱体、带水冷的力矩电机及电机支架、双边同步带传动系统、皮带张紧系统、主轴支承结构、盘形铣刀等几个主要组成部分。各个部分的具体技术方案分述如下：

主传动系统方案：主传动系统将力矩电机转速和转矩通过中间环节传递到盘形铣刀上，实现齿轮铣削主运动。其传动链路为：大扭矩直驱力矩电机——大同步带轮——圆弧齿同步带——小同步带轮——主轴——盘形铣刀。

整体铸钢的象鼻式箱体：利用ZG270-500铸钢一次性将主轴箱体整体铸造成形，箱体呈倒U字形，包括与垂直进给拖板连接的后部过度部分，安装刀盘的前部支撑结构，以及连接箱体前后部分的中间过渡箱体。

低速大扭矩力矩电机驱动主轴：额定转速为150rpm的交流永磁同步低速大扭矩力矩电机安装在主轴箱体的顶部，电机输出轴通过胀紧套与大同步带轮相连，再利用同步带将与主轴固连的小同步带轮和大同步带轮相啮合，使得主轴获得100rpm的额定转速，满足盘形铣刀转速要求。力矩电机配置有独立的水冷系统。

双边同步带传动结构：力矩电机输出轴分别与布置在箱体两侧的两个大同步带轮相连，再通过两个独立传动的圆弧齿同步带分别与布置在刀盘两侧的两个小同步带轮相连，两个小同步带轮从盘形刀盘的两侧同时驱动刀盘作旋转主运动。在两侧同步带上分别装有由调整杠杆和滚动轴承组成的皮带张紧装置，通过调节杠杆的位置实现皮带张紧功能。

主轴支撑及刀盘锁紧结构：盘形铣刀具有内孔和端面键槽，刀盘通过内孔安装在刀杆上，刀盘的端面键槽与和小同步带轮相连的端面键相配合实现扭矩传递。安装刀盘的刀杆两端分别支撑在刀盘两侧的主轴上，主轴由成对安装的圆锥滚子轴承支撑在主轴箱的主轴孔中，满足主轴、刀杆和刀盘的支撑和旋转要求。设计成阶梯状的刀杆一端加工有锁紧螺纹，通过锁紧螺母拉紧刀杆、刀盘和主轴组件，即可夹紧刀盘。

本发明与现有技术相比较，具有以下优点：

本发明通过张紧的圆弧齿同步带将低速大扭矩力矩电机和盘形铣刀直接相连，传动路径短，传动效率高；张紧的同步带可实现无侧隙的平稳传动，避免了波动切削负载造成传动系统的非线性振动，降低了切削噪音，改善了切削齿面的表面粗糙度，避免了齿轮传动中齿面冲击点蚀的危险。

本发明的整体式的铸钢箱体具有很高的动、静刚度特性。高的静刚度可以有效的降低由于非对称切削力造成的主轴箱侧向让刀，提高了齿轮加工的精度；高的动刚度使得主轴箱低阶模态不容易为波动负载所激振，延长了刀具的切削寿命。

本发明的整个主轴箱仅有箱体、力矩电机、主轴系统和同步带传动系统等组成，减少了大量高精度齿轮、轴承等中间传动元件，降低了主轴箱体加工的工作量和精度要求，同时也减少了主轴箱的装配工作量，缩短了整个主轴箱的制造周期，极大的降低了主轴箱的制造成本。

附图说明

图1是本发明主轴箱的正面剖视图。

图2是本发明主轴箱的侧视图。

图中：1为低速大扭矩力矩电机；2为联轴器；3为主动同步带轮轴；4为第一主动同步带轮、8为第二主动同步带轮；5为第一带轮轴轴承、7为第二带轮轴轴承；6为带轮轴支架；9为主轴箱体；10为第一同步带、20为第二同步带；11为盘形铣刀；12为内轴承盖、18为外轴承盖；13为内唇形密封、17为外唇形密封；14为被动同步带轮轴；15为刀杆；16为锁紧螺母；19为主轴轴承；21为电机支架；22为皮带张紧组件；23为工件。

具体实施方案

为了进一步了解本发明的内容、特点和功能，通过以下的施行实例，并结合附图说明如下：

一种力矩电机直驱铣齿主轴箱，包括低速大扭矩力矩电机1、主动同步带轮轴3、第一主动同步带轮4、第二主动同步带轮8、主轴箱体9、电机支架21、第一同步带10、第二同步带20、盘形铣刀11、被动同步带轮轴14和刀杆15，所述低速大扭矩力矩电机1与主动同步带轮轴3连接，主动同步带轮轴3的两端分别设有第一主动同步带轮4和第二主动同步带轮8，第一主动同步带轮4和第二主动同步带轮8设置在主轴箱体9内，第一主动同步带轮4和第二主动同步带轮8分别和第二同步带20和第一同步带10连接，第一主动同步带轮4和第二主动同步带轮8连接被动同步带轮轴14，被动同步带轮轴14内设有刀杆15，刀杆15上设有盘形铣刀11。

低速大扭矩力矩电机1通过联轴器2与主动同步带轮轴3连接。

主动同步带轮轴3上设有第一带轮轴轴承5和第二带轮轴轴承7，第一带轮轴轴承5和第二带轮轴轴承7外部设置带轮轴支架6。

被动同步带轮轴14上设有内轴承盖12和外轴承盖18。

被动同步带轮轴14上设有内唇形密封13和外唇形密封17。

被动同步带轮轴14上设有锁紧螺母16和主轴轴承19。

第一同步带10和第二同步带20之间设有皮带张紧组件22。

盘形铣刀11与工件23接触。

如图1、图2所示，整体铸造的主轴箱体9呈到U字形，主轴箱体9左边与机床垂直拖板连接，主轴箱体9右边安装刀盘、动力传递系统等部件。实际加工过程中，将主轴箱体9右部置于工件23的孔内，进行由下至上的顺铣或由上至下的逆铣。

如图1所示，用螺钉将电机支架21固定在箱体的左边并将电机支架的上平面与主轴箱上平面找平。低速大扭矩力矩电机1安装在电机支架21上，电机输出轴通过联轴器2与主动同步带轮轴3连接。主动同步带轮轴3通过一对角接触球轴承，即第一带轮轴轴承5和第二带轮轴轴承7支撑在带轮轴支架6上与力矩电机同步旋转，并将第一主动同步带轮4和第二主动同步带轮8通过胀套分别固定在轴的两端。带轮轴支架6安装在主轴箱体9上平面，支撑整个主动同步带轮轴系，安装时通过调整带轮轴支架下部的垫板22保证轴系的中心高与电机输出轴等高。

图1下部是主轴箱刀具支撑系统。刀具为盘状成形铣刀11，用内孔和刀杆15实现小间隙配合以减低铣削过程中的径向跳动，刀具四周镶有不重磨的硬质合金刀片，刀具磨损后直接更换新刀片。刀杆15呈阶梯状，分别支撑在左右主轴上，为便于更换刀盘，刀杆15与左右主轴孔之间采用小间隙配合。左右主轴结构形式相同，仅以右端主轴为例介绍。被动同步带轮轴14内孔与刀杆轴右端配合，右主轴两端分别用两个高精度圆锥滚子主轴轴承19支撑在主轴箱体的轴承孔上，实现右主轴的旋转运动；右主轴中段外圆上加工有圆弧齿形，起到被动同步带轮轴的作用，实现转矩传递。在第一主动同步带轮4和第二主动同步带轮8和被动同步带轮轴14之间，用第一同步带10和第二同步带20

实现传动连接；第一同步带10和第二同步带20分别通过图2中两组完全相同的皮带张紧组件22实现皮带预紧，保证圆弧齿同步带处于正确的啮合位置。两组同步带实现双边同步驱动，可实现扭矩均载，减小同步带传动系统的结构尺寸，增大主轴箱的设计尺寸，提高主轴箱的切削动、静刚度。

为了防止切削过程中的刀盘振动，刀盘在切削过程中需要锁紧。锁紧结构通过压在刀盘左端面的刀杆左端轴肩和刀杆的右端锁紧螺纹来实现。刀盘锁紧时，并紧锁紧螺母16，刀杆左端轴肩将盘形铣刀11和被动同步带轮轴14固定在一起，并通过右端的被动同步带轮轴14的左端面实现刀盘的轴向定位。为传递切削扭矩，刀盘的两个端面设有端面键槽，左右主轴与刀盘接触的端面设有端面键，通过端面键和键槽的配合，实现电机扭矩到刀盘的传递。

本发明的工作过程如下：

按要求检查双侧同步带的张紧情况，刀杆主轴系统的径跳和轴向窜动，确认主轴箱体9工作状态良好。松开锁紧螺母16，从左端抽出刀杆15，将盘形铣刀11用刀盘托架放置在主轴箱体9中间，装上刀杆15并拧紧锁紧螺母16，更换刀盘的硬质合金刀片。

启动力矩电机，将低速大扭矩力矩电机1调速至合适的转速，低速大扭矩力矩电机1通过主轴箱体9双侧的圆弧齿同步带传递系统将扭矩分别传递至左右主轴，实现转矩的均载传递，满足大功率强力切削的需要。由于同步带具有弹性、无侧隙的啮合特点，能够有效地降低并吸收切削过程中的振动，保证切削齿面的粗糙度和齿形切削精度。

左右主轴通过端面键将扭矩进一步传递到刀具上克服切削抗力。刀具按图2标识方向为逆时针旋转，当主轴箱体9相对于工件向上运动时实现顺铣，反之为逆铣。

经实验验证，本实施例采用直径400mm的硬质合金成形盘铣刀，力矩电机转速为100rpm，切削齿轮模数20，一次全齿深切削，稳定轴向切削走刀速度可达300mm/min，切削过程稳定，噪音低于90dB，表面粗糙度达1.6。

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 (8)

1.一种力矩电机直驱铣齿主轴箱，其特征是包括低速大扭矩力矩电机（1）、主动同步带轮轴（3）、第一主动同步带轮（4）、第二主动同步带轮（8）、主轴箱体（9）、电机支架（21）、第一同步带（10）、第二同步带（20）、盘形铣刀（11）、被动同步带轮轴（14）和刀杆（15），所述低速大扭矩力矩电机（1）与主动同步带轮轴（3）连接，主动同步带轮轴（3）的两端分别设有第一主动同步带轮（4）和第二主动同步带轮（8），第一主动同步带轮（4）和第二主动同步带轮（8）设置在主轴箱体（9）内，第一主动同步带轮（4）和第二主动同步带轮（8）分别和第二同步带（20）和第一同步带（10）连接，第一主动同步带轮（4）和第二主动同步带轮（8）连接被动同步带轮轴（14），被动同步带轮轴（14）内设有刀杆（15），刀杆（15）上设有盘形铣刀（11）。

2.根据权利要求1所述的力矩电机直驱铣齿主轴箱，其特征在于所述低速大扭矩力矩电机（1）通过联轴器（2）与主动同步带轮轴（3）连接。

3.根据权利要求1所述的力矩电机直驱铣齿主轴箱，其特征在于所述主动同步带轮轴（3）上设有第一带轮轴轴承（5）和第二带轮轴轴承（7），第一带轮轴轴承（5）和第二带轮轴轴承（7）外部设置带轮轴支架（6）。

4.根据权利要求1所述的力矩电机直驱铣齿主轴箱，其特征在于所述被动同步带轮轴（14）上设有内轴承盖（12）和外轴承盖（18）。

5.根据权利要求1所述的力矩电机直驱铣齿主轴箱，其特征在于所述被动同步带轮轴（14）上设有内唇形密封（13）和外唇形密封（17）。

6.根据权利要求1所述的力矩电机直驱铣齿主轴箱，其特征在于所述被动同步带轮轴（14）上设有锁紧螺母（16）和主轴轴承（19）。

7.根据权利要求1所述的力矩电机直驱铣齿主轴箱，其特征在于所述第一同步带（10）和第二同步带（20）之间设有皮带张紧组件（22）。

8.根据权利要求1所述的力矩电机直驱铣齿主轴箱，其特征在于所述盘形铣刀（11）与工件（23）接触。

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