CN105081476A - 一种数控齿轮机床 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控齿轮机床，包括：机体，具有第一竖直侧面和第二竖直侧面；刀具主轴，可移动地安装于所述机体的第一竖直侧面并水平延伸；工件主轴，可移动地安装于所述机体的第二竖直侧面并水平延伸；所述刀具主轴和工件主轴最多可在三个不同的方向上彼此相对地线性移动，且两者中至少有一者可相对于其相应的侧面以角度方式运动；所述机体包括底座及位于所述底座之上的偏心龙门架，所述偏心龙门架的正面形成所述第一竖直侧面，其偏宽的立柱整体向后延伸使内侧扩展形成所述第二竖直侧面。该机床具有更高的切削刚度和整机刚性，能够显著提高加工精度，其结构紧凑、零部件较少、占地面积小，且热稳定性好，易于防护和排屑。

Description

一种数控齿轮机床

技术领域

本发明涉及数控加工设备技术领域，特别是用于加工制造锥形和准双曲面齿轮的数控机床。

背景技术

现有技术中，机械型的螺旋锥齿轮加工机床的结构和调整环节是齿轮机床中最复杂的。

螺旋锥齿轮加工机床一开始采用了图1所示结构，它采用计算机直接控制三个直线轴(即X、Y、Z)和三个转动轴(即A、B、C)，可以模拟机械型螺旋锥齿轮加工机床的加工运动，从而加工出螺旋锥齿轮。

数控螺旋锥齿轮加工机床将复杂的机械结构转换为软件控制，实现了螺旋锥齿轮加工的信息化和智能化。但上述设备是一种刻意模拟机械型机床的结构，其将摇台回转机构改为X、Y轴联动来实现刀具绕摇台轴线的回转，将刀倾机构的功能改为B轴的摆动来实现，没有充分发挥数控技术的作用，存在加工工艺性不好、工件箱形状复杂、机床占地面积大、难以保证加工的精度、工件装卸不方便、防护困难等不足。

随着技术的进步，一些更为先进的齿轮加工机床不断出现，如授权公告号为CN100343003C的发明专利说明书，其公开了一种生产锥形齿轮的机器和方法，其机柱1＇具有第一和第二基本竖直的表面区域，工件主轴2＇水平延伸并可移动地安装于机柱1＇的第一基本竖直表面区域3＇，刀具主轴4＇水平延伸并可移动地安装于机柱的第二基本竖直表面区域5＇，工件主轴2＇和刀具主轴4＇最多可在三个相互垂直的不同方向上彼此相对平移，并至少可绕一条竖直枢轴彼此相对以角度方式运动。

这种齿轮生产机床通过线性、旋转轴系统的运动来加工螺旋锥齿轮或准双曲面齿轮，与摇架式机床相比，具有一定的先进性，但依然存在以下不足之处：

首先，是整机刚性，包括静态刚性和动态刚性。由于床身铸铁件的主要构件机柱1＇为单块结构，工件主轴2＇和刀具主轴4＇位于机柱1＇的侧面，在悬臂效应的影响下，机柱1＇的稳定性较差，进而导致整机的刚性较差，尤其在高速运行时，各部件的振动较大，会严重影响切削的粗糙度及刀具寿命，对高精度加工更是具有致命性影响。

其次，是切削刚度。该机床的机柱1＇为单块结构，工件主轴2＇和刀具主轴4＇位于机柱1＇的侧面，刀具主轴4＇的横向滑轨较短，无法一直延伸到工件主轴1＇上方，因此刀具在这一方向上的行程较短，为了保证刀具在回转、平移后能够与齿坯按设定方式接触，工件夹具需要设计的相对较高，这会增加加工工件的悬伸量，削弱切削刚度。

再者，该机床的刀具主轴由至少两个轴承支撑成可绕至少一条竖直枢转轴线以角度方式运动，其中一个轴承位于刀具主轴4＇的上方，另一个轴承位于刀具主轴的下方，竖直枢转轴线位于刀具主轴轴线和机柱1＇之间所限定的区域内，且位于安装在刀具主轴4＇的一刀具的一基准面后面。

这种刀具主轴的摆臂回转方式在结构上过于复杂，由于刀具主轴轴线与竖直枢转轴线不在同一平面内，二者组合后会占用较大的空间，而且极大的压缩了轴承的安装空间，导致稳定性较差。此外，由于传动部件较多，动力在多级传递之后容易导致动作误差累积，进而影响加工精度。

因此，如何提高数控齿轮机床的刚性和加工精度，并进一步简化其结构，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种数控齿轮机床。该机床具有更高的切削刚度和整机刚性，能够显著提高加工精度，其结构紧凑、零部件较少、占地面积小，且热稳定性好，易于防护和排屑。

为了实现上述目的，本发明提供一种数控齿轮机床，包括：

机体，具有第一竖直侧面和第二竖直侧面；

刀具主轴，可移动地安装于所述机体的第一竖直侧面并水平延伸；

工件主轴，可移动地安装于所述机体的第二竖直侧面并水平延伸；

所述刀具主轴和工件主轴最多可在三个不同的方向上彼此相对地线性移动，且两者中至少有一者可相对于其相应的侧面以角度方式运动；

所述机体包括底座及位于所述底座之上的偏心龙门架，所述偏心龙门架的正面形成所述第一竖直侧面，其偏宽的立柱整体向后延伸使内侧扩展形成所述第二竖直侧面。

优选地，所述刀具主轴沿所述三个不同方向中的第一方向线性移动；所述工件主轴沿所述三个不同方向中的第二方向和第三方向线性移动；所述三个不同方向相互垂直。

优选地，所述刀具主轴和工件主轴仅有一个相对于所述机体以角度方式运动。

优选地，所述刀具主轴安装于刀具箱体，所述刀具箱体由轴承支承可绕一条竖直轴线以角度方式运动，所述轴承位于所述刀具主轴上方。

优选地，所述刀具箱体安装于可沿第一方向线性移动的台体上，所述台体通过导轨安装于所述机体的第一竖直侧面上，所述导轨位于所述刀具主轴上方。

优选地，所述导轨沿第一方向延伸至所述偏心龙门架的横梁区域内。

优选地，所述刀具箱体的竖直轴线与所述刀具主轴的轴线位于同一平面内且垂直相交。

优选地，所述机体的第一竖直侧面沿第一方向设有第一直线导轨；所述直线导轨上设有可在驱动机构带动下沿第一方向移动的滑台，所述滑台上设有可带动刀具箱体相对于所述机体以角度方式运动的装置；所述刀具主轴安装于所述所刀具箱体，其轴线与第一方向相平行。

优选地，所述机体的第二竖直侧面沿第二方向设有第二直线导轨；所述第二直线导轨上装有可在驱动机构带动下沿第二方向移动的第二滑台，所述第二滑台上沿第三方向设有第三直线导轨，所述第三直线导轨上装有可在驱动机构带动下沿第三方向移动的工件箱体；所述工件主轴安装于所述工件箱体，其轴线与第二方向相平行。

优选地，具体为采用端面铣齿或磨齿加工方法加工弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮的机床或采用端面滚齿的方法加工摆线齿锥齿轮和准双曲面齿轮的机床。

本发明在现有技术的基础上作了进一步改进，其机体不再是单块结构的机柱，而是设计成具有底座的偏心龙门架形式，偏心龙门架的正面形成用于安装刀具主轴的第一竖直侧面，偏心龙门架一侧的立柱宽于另一侧的立柱，其中，偏宽的立柱整体向后延伸使内侧扩展形成用于安装工件主轴的第二竖直侧面。由于偏心龙门架具有横梁和在另一侧起支撑作用的偏窄的立柱，因此能够极大的抵消工件主轴和刀具主轴在安装后形成的悬臂效应，并使整机的质量分布和零部件布局更加合理，从而改善了机体的抗振频率，使机体的稳定性得到了显著提高，进而提高了整机的静态刚性和动态刚性，试验显示，在高速运行时，各部件的振动较小，有利于提高加工精度和延长刀具使用寿命。此外，还具有结构紧凑、占地面积小、热稳定性好、易于防护和排屑等有益效果。

附图说明

图1为现有技术中一种数控螺旋锥齿轮加工机床的结构示意图；

图2为现有技术中另一种数控螺旋锥齿轮加工机床的结构示意图；

图3为本发明所提供数控齿轮机床的一种具体实施方式的结构示意图；

图4为背部视角下图3所示数控齿轮机床的结构示意图；

图5为左侧视角下图3所示数控齿轮机床的结构示意图。

图1、2中：

机柱1＇工件主轴2＇第一基本竖直表面区域3＇刀具主轴4＇第二基本竖直表面区域5＇

图3至图5中：

1.机体2.刀具主轴3.刀具箱体4.第一滑台5.工件主轴6.工件箱体7.第二滑台11.底座12.偏心龙门架13.第一直线导轨14.第一电机15.第二直线导轨16.第三电机17.第三直线导轨18.第四电机

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图3、图4、图5，图3为本发明所提供数控齿轮机床的一种具体实施方式的结构示意图；图4为背部视角下图3所示数控齿轮机床的结构示意图；图5为左侧视角下图3所示数控齿轮机床的结构示意图。

在一种具体实施方式中，本发明提供的数控齿轮机床为铣齿机或磨齿机，主要由机体1、刀具主轴2、刀具箱体3、第一滑台4、工件主轴5、工件箱体6、第二滑台7等部件组装而成。

机体1包括底座11及位于底座之上的偏心龙门架12，偏心龙门架12的正面形成第一竖直侧面α，用于安装刀具主轴2，其偏宽的立柱整体向后延伸使内侧扩展形成第二竖直侧面β，用于安装工件主轴5，第二竖直侧面β大体在中部与第一竖直侧面α垂直。

偏心龙门架12的第一竖直侧面α沿第一方向(即X方向)设有第一直线导轨13，第一直线导轨13上设有第一滑台4，第一滑台4在第一电机14和丝杠机构的带动下可沿X方向来回移动，刀具主轴2安装在刀具箱体3的下端，可绕轴线C转动，刀具箱体3通过轴承安装于第一滑台4，第一滑台4内部安装有可驱动刀具箱体3绕竖直轴线转动的第二电机(由于遮挡关系，图中未示出)。

第一竖直侧面α在对应于第一电机14的位置开设有凹槽，以容纳第一电机14的部分体积，降低丝杠机构的侧向高度。

偏心龙门架12的第二竖直侧面β沿第二方向(即Y方向)设有第二直线导轨15；第二直线导轨15上装有可在第三电机16和丝杠机构带动下沿第二方向移动的第二滑台7，第二滑台7上沿第三方向(即Z方向)设有第三直线导轨17，第三直线导轨17上装有可在第四电机18和丝杠机构带动下沿第三方向移动的工件箱体6，工件主轴5安装于工件箱体6前端，可绕轴线A转动。

偏心龙门架12的横梁也向后适当的延伸了一定距离，但其延伸的长度要短与偏宽立柱，偏心龙门架12顶部的后侧设计成斜面状，并在中间偏右的位置(在图4中显示为偏左)设有容纳第三电机16的凹槽，由第三电机16驱动的丝杠从凹槽底部穿过横梁后与丝母部件相配合。

上述结构中，刀具主轴2和工件主轴5最多可在三个不同的方向上彼此相对地线性移动，且刀具主轴2可相对于其相应的侧面以角度方式运动。如图中所示刀具主轴2的角度运动围绕一相应轴线B进行，该轴线与其相应的侧面基本平行。

具体地，刀具主轴2沿三个不同方向中的X方向线性移动，工件主轴5沿三个不同方向中的Y方向和Z方向线性移动，三个不同方向相互垂直。

刀具箱体3绕竖直轴线旋转的支撑轴承及驱动电机位于刀具主轴2正上方，刀具箱体3的竖直轴线与刀具主轴3的轴线位于同一平面内且垂直相交。这种悬吊式刀具主轴安装方式，与现有的横推交叉轴式刀具主轴安装结构相比，不仅结构简单，零部件较少，而且驱动机构能够直接带动刀具箱体3以角度方式运动，同时，刀具主轴2上方具有充足的空间来设计、安装性能稳定的大规格单轴承，从而将动力传递的误差降至最低程度，保证了加工精度。

而且，导轨位于刀具主轴2上方并沿第一方向延伸至所述偏心龙门架12的横梁区域内。这种形式充分利用了偏心龙门架横梁部分的前表面，与单块结构的机柱相比，刀具主轴2沿第一方向的横向行程进一步加大，能够一直延伸到工件主轴5上方，从而保证刀具在回转、平移后能够与齿坯按设定方式接触，可有效减少工件夹具高度，也就减少了加工工件的悬伸量，提升了切削刚度。

上述机床为六轴五联动螺旋锥齿轮加工机床，其技术原理是螺旋锥齿轮在加工过程中，其齿面的形成取决于刀具和工件的相对运动，而刀具与工件的相对位置完全由三个直线轴和三个转动轴来确定，六轴的设定只要保持刀具和工件能处于任何需要的相对位置即可，上述构件能够彼此独立运动，或者可以同时运动。

在本发明中，通过刀具和工件之间的角度运动，结合刀具和工件轴线沿三条直线轴线中的一条或多条的相对直线运动以及刀具轴绕轴线的转动，可保持理论范成齿轮与工件之间的啮齿关系，在连续分度的情况下，刀具轴线的转动也受到控制。

本发明加工螺旋锥齿轮的过程如下：

步骤1：

在工件箱体6上安装好螺旋锥齿轮齿坯，启动程序后计算机首先控制刀具箱体绕B轴转动，将刀具箱体3回转一个角度，回转角度的大小就是齿轮刚开始加工时的齿坯安装角；

步骤2：

计算机控制第一滑台4、第二滑台7、工件箱体6分别沿X轴、Y轴和Z轴将刀具及工件快速移动到齿轮加工的起始位置，刀具和工件按给定的速度回转并开启冷却液；

步骤3：

在程序控制下，A、B、X、Y、Z五轴联动使刀具和齿轮作啮合的展成运动以加工出齿面；

步骤4：

在一个齿槽加工好之后，工件箱体6向后移动使工件与刀具脱离接触，齿轮分度到第二个齿槽加工的起始位置，其余各轴(X、Y、Z、B)在不发生干涉的原则下快速退回到齿轮加工的起始位置；

步骤5：

加工第二个齿槽，如此循环往复，直到加工完成所有的齿槽；

步骤6：

各轴都回到原始位置，工作门打开，工作人员取下加工好的齿轮并换上待加工的齿轮；

上述加工方法在铣齿机上属端面铣削法，另外铣齿机上还有连续滚切法，与上述端面铣削法加工不同的不是依次加工每个齿，而是在刀具与工件到达预定位置后，刀具与工件连续旋转，一次加工出全部齿槽。

如果是数控磨齿机，加工方法与铣齿机上的端面铣削法类似，但在预备时间或加工过程中还要修整砂轮。

由于偏心龙门架12具有横梁和在另一侧起支撑作用的偏窄的立柱，因此能够极大的抵消刀具主轴2和工件主轴5在安装后形成的悬臂效应，并使整机的质量分布和零部件布局更加合理，从而改善了机体1的抗振频率，使机体1的稳定性得到了显著提高，进而提高了整机的静态刚性和动态刚性，试验显示，在高速运行时，各部件的振动较小，有利于提高加工精度和延长刀具使用寿命。具有结构紧凑、占地面积小、热稳定性好、易于防护和排屑等优点。

上述齿轮加工机床仅是本发明的优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要作出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。例如，具体为采用端面铣齿或磨齿加工方法加工弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮的机床或采用端面滚齿的方法加工摆线齿锥齿轮和准双曲面齿轮的机床等。由于可能实现的方式较多，这里就不再一一举例说明。

以上对本发明所提供的数控齿轮机床进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种数控齿轮机床，包括：

机体，具有第一竖直侧面和第二竖直侧面；

刀具主轴，可移动地安装于所述机体的第一竖直侧面并水平延伸；

工件主轴，可移动地安装于所述机体的第二竖直侧面并水平延伸；

所述刀具主轴和工件主轴最多可在三个不同的方向上彼此相对地线性移动，且两者中至少有一者可相对于其相应的侧面以角度方式运动；

其特征在于，所述机体包括底座及位于所述底座之上的偏心龙门架，所述偏心龙门架的正面形成所述第一竖直侧面，其偏宽的立柱整体向后延伸使内侧扩展形成所述第二竖直侧面。

2.根据权利要求1所述的数控齿轮机床，其特征在于，所述刀具主轴沿所述三个不同方向中的第一方向线性移动；所述工件主轴沿所述三个不同方向中的第二方向和第三方向线性移动；所述三个不同方向相互垂直。

3.根据权利要求2所述的数控齿轮机床，其特征在于，所述刀具主轴和工件主轴仅有一个相对于所述机体以角度方式运动。

4.根据权利要求3所述的数控齿轮机床，其特征在于，所述刀具主轴安装于刀具箱体，所述刀具箱体由轴承支承可绕一条竖直轴线以角度方式运动，所述轴承位于所述刀具主轴上方。

5.根据权利要求4所述的数控齿轮机床，其特征在于，所述刀具箱体安装于可沿第一方向线性移动的台体上，所述台体通过导轨安装于所述机体的第一竖直侧面上，所述导轨位于所述刀具主轴上方。

6.根据权利要求5所述的数控齿轮机床，其特征在于，所述导轨沿第一方向延伸至所述偏心龙门架的横梁区域内。

7.根据权利要求6所述的数控齿轮机床，其特征在于，所述刀具箱体的竖直轴线与所述刀具主轴的轴线位于同一平面内且垂直相交。

8.根据权利要求2所述的数控齿轮机床，其特征在于，所述机体的第一竖直侧面沿第一方向设有第一直线导轨；所述直线导轨上设有可在驱动机构带动下沿第一方向移动的滑台，所述滑台上设有可带动刀具箱体相对于所述机体以角度方式运动的装置；所述刀具主轴安装于所述所刀具箱体。

9.根据权利要求8所述的数控齿轮机床，其特征在于，所述机体的第二竖直侧面沿第二方向设有第二直线导轨；所述第二直线导轨上装有可在驱动机构带动下沿第二方向移动的第二滑台，所述第二滑台上沿第三方向设有第三直线导轨，所述第三直线导轨上装有可在驱动机构带动下沿第三方向移动的工件箱体；所述工件主轴安装于所述工件箱体。

10.根据权利要求1至9任一项所述的数控齿轮机床，其特征在于，具体为采用端面铣齿或磨齿加工方法加工弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮的机床或采用端面滚齿的方法加工摆线齿锥齿轮和准双曲面齿轮的机床。