軸齒輪高效復(fù)合柔性加工機(jī)床研究
2021-2-2 來源：陜西秦川精密數(shù)控機(jī)床工程研究有限公司 作者：李瑞亮，劉 耀，車亞肖
摘 要：隨著轎車和新能源汽車變速箱需求增加，對(duì)軸齒輪的加工提出了更高要求。研究了軸齒輪高效復(fù)合加工機(jī)床，組合了傳統(tǒng)的軸齒輪熱前加工工藝，將軸齒輪加工的全部工藝集成在一臺(tái)機(jī)床內(nèi)，對(duì)工件進(jìn)行一次裝夾，完成所有工藝加工過程。采用了床身立柱一體化設(shè)計(jì)理念，通過應(yīng)用高速干切技術(shù)和柔性配置功能，大大提高了機(jī)床的加工能力和生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了軸齒輪高效、高精度、綠色環(huán)保的加工需求。
關(guān)鍵詞：軸齒輪；高效加工；復(fù)合機(jī)床
0、引 言
隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)轎車和新能源汽車變速箱對(duì)軸齒輪的需求大大增加。軸齒輪熱前加工工藝形式復(fù)雜，工序繁瑣。目前多數(shù)用戶仍在采用工序較長的傳統(tǒng)加工方法，即車削→滾齒→去毛刺→倒棱→銑鍵槽 （鉆孔），加工的全過程時(shí)間較長，而且很多用戶面臨招工難、人力成本上升等難題，導(dǎo)致對(duì)于軸齒輪這種長工序加工憂心忡忡。本文針對(duì)這些問題設(shè)計(jì)了一種全新的軸齒輪高效復(fù)合柔性加工機(jī)床。
1、機(jī)床性能及布局
機(jī)床左邊采用傳統(tǒng)的七軸滾齒機(jī)床布局，為了合理利用空間尺寸，與傳統(tǒng)滾齒機(jī)相比，進(jìn)給軸 X 軸采用了傾斜設(shè)計(jì)，使Y軸與Z軸存在夾角。右邊采用柔性設(shè)計(jì)單元，根據(jù)客戶零件加工工藝柔性配置，下面以其中一種配置為例講述復(fù)合機(jī)床的功能，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在右邊柔性單元里面配置了動(dòng)力刀塔，通過刀塔的旋轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)不同工序的加工，集成了軸齒輪車削、滾齒、倒棱、去毛刺、銑鍵槽 （鉆孔）、自動(dòng)上下料等柔性單元。
該復(fù)合機(jī)床共有11個(gè)數(shù)控軸：X軸、Y軸、Z軸、A軸、B軸、C軸、Z2軸、X3軸、Y3軸、Z3軸及C3軸。各軸在機(jī)床中的運(yùn)動(dòng)關(guān)系和作用如下：X軸是滾齒機(jī)滾刀的徑向進(jìn)給軸，X軸運(yùn)動(dòng)保證軸齒輪的齒深尺寸；Y 軸是滾齒機(jī)滾刀的切向進(jìn)給軸，隨著加工過程中 Y 軸的移動(dòng)，可以改變刀具與工件的接觸點(diǎn)位置，有利于刀具壽命的提高；Z軸是滾齒機(jī)滾刀的軸向移動(dòng)軸，Z軸的移動(dòng)保證軸齒輪的齒寬尺寸；A軸是滾齒機(jī)滾刀架角度旋轉(zhuǎn)軸，根據(jù)工件的螺旋角和滾刀的螺旋升角確定A軸的角度；B軸是滾齒機(jī)主軸；C軸是工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，B軸和 C 軸保持一定的速比關(guān)系，兩軸聯(lián)動(dòng)加工出軸齒輪，并保證軸齒輪的精度；同時(shí) C 軸也是車削加工時(shí)的工件旋轉(zhuǎn)主軸；Z2軸是尾座頂尖上下移動(dòng)軸，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的自動(dòng)頂持；X3軸是刀塔徑向移動(dòng)軸，用于車刀的徑向進(jìn)給；Y3軸是刀塔的對(duì)中運(yùn)動(dòng)軸，用于刀塔與工作臺(tái)的中心重合；Z3軸是刀塔軸向移動(dòng)軸，用于車刀的軸向進(jìn)給，與 X3軸配合使用可加工出軸的圓柱面；C3軸的刀塔旋轉(zhuǎn)軸，用于選擇不同的刀位進(jìn)行不同工序的加工；其中滾齒加工過程中 X 軸、Z 軸、B 軸、C軸四軸聯(lián)動(dòng)。
圖1：軸齒輪復(fù)合加工機(jī)床結(jié)構(gòu)圖
機(jī)床設(shè)計(jì)將軸齒輪加工的全部工藝集成在一臺(tái)機(jī)床內(nèi)，對(duì)工件進(jìn)行一次裝夾，利用工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，通過不同加工刀具的切換，以及對(duì)應(yīng)刀具的軸向和徑向進(jìn)給來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同規(guī)格的軸齒輪進(jìn)行車削、滾齒、倒棱、去毛刺、銑鍵槽 （鉆孔） 的熱前加工。這種布局方式節(jié)省了工件上下料時(shí)間，確保了加工基準(zhǔn)的統(tǒng)一，提高了加工效率和加工精度。機(jī)床是11 軸四聯(lián)動(dòng)高效復(fù)合機(jī)床，整機(jī)還采用高速干切技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軸齒輪高效高精度、節(jié)能環(huán)保加工，而且自動(dòng)化和柔性程度高。同時(shí)機(jī)床具有很好的擴(kuò)展性，為齒輪生產(chǎn)線配置預(yù)留了接口空間及控制反饋接口，便于后期車間自動(dòng)化產(chǎn)線的實(shí)現(xiàn)。
2、床身立柱一體化設(shè)計(jì)
此復(fù)合機(jī)床將床身和立柱進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)，這樣既保證了機(jī)床整體的剛性，又有利于機(jī)床裝配質(zhì)量的提高。對(duì)床身立柱整體進(jìn)行了有限元受力分 析 。 床身立柱材料為HT300，使用通用結(jié)構(gòu)分析軟件 ANSYS Workbench Environ?ment （AWE） 15.0 多物理場(chǎng)協(xié)同 CAE 仿真件，建立了立柱有限元實(shí)體模型和床身立柱所受載荷情況如圖2所示。
圖2：床身立柱載荷分布
采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格方法對(duì)有限元實(shí)體模型進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，由分析知，立柱的最大變形為沿著y軸負(fù)方向前傾，最大變形量為30 μm，加工區(qū)域變形量約20 μm，該變形符合設(shè)計(jì)要求，變形情況如圖3所示。
圖3：床身立柱變形圖
3、綠色環(huán)保高速干切技術(shù)應(yīng)用
隨著國家環(huán)境管理體系標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施以及車間環(huán)境污染相關(guān)法律法規(guī)的日益嚴(yán)格，機(jī)床設(shè)備的綠色制造已成為今后發(fā)展的重要方向，所以在機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用了綠色環(huán)保的高速干切技術(shù)。高速干切主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
3.1、排屑系統(tǒng)
隨著國家對(duì)環(huán)保節(jié)能的重視，對(duì)生產(chǎn)企業(yè)的傳統(tǒng)切削油管理越來越嚴(yán)格，地方政府甚至呼吁不使用切削油，所以高速干式切削是以后的發(fā)展趨勢(shì)[4]。但是沒有切削油，干式切削產(chǎn)生的鐵屑不易排出，而且干式切削產(chǎn)生的鐵屑速度快，溫度高，若不能及時(shí)快速的使鐵屑排出，對(duì)刀具、工件和床身帶來的熱變形巨大，從而影響軸齒輪的加工精度，因此必須采用有效的排屑系統(tǒng)。在干式加工中，鐵屑是刀具和工件相互擠壓產(chǎn)生，為了減少鐵屑對(duì)刀具，工件和床身帶來的影響，必須使鐵屑快速離開刀具及工件，并通過排屑系統(tǒng)快速流走，減少鐵屑與床身的接觸時(shí)間。
在設(shè)計(jì)中改變床身結(jié)構(gòu)，加大鐵屑流道斜度，便于鐵屑及時(shí)導(dǎo)出。同時(shí)在排屑流道面采用了不銹鋼隔熱罩，隔熱罩與床身之間留有一定的小間隙，不銹鋼材料表面光滑有利于鐵屑排走，而且不銹鋼的熱傳導(dǎo)系數(shù)小，可以減少鐵屑熱量的傳遞，同時(shí)設(shè)計(jì)隔熱罩與床身之間沒有完全接觸，減少了床身的熱變形，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4：干切排屑系統(tǒng)
3.2、高轉(zhuǎn)速主軸和工作臺(tái)
高速干切加工必須要刀具和工件的高速旋轉(zhuǎn)才能滿足干式切削的需求，干式滾切加工中滾刀線速度的要求為200 m/min甚至更高，目前一般涂層的高速鋼滾刀可以達(dá)到這個(gè)速度，但是硬質(zhì)合金滾刀線速度可以達(dá)到300~400 m/min，這就需要滾刀主軸達(dá)到高轉(zhuǎn)速。而對(duì)于工作臺(tái)面為了達(dá)到車削時(shí)干式切削，同樣也要設(shè)計(jì)為高轉(zhuǎn)速工作臺(tái)。為了實(shí)現(xiàn)高速加工，對(duì)于刀具主軸通常采用電主軸或者直驅(qū)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)；對(duì)于工作臺(tái)，采用直驅(qū)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。這臺(tái)復(fù)合機(jī)床刀具主軸設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速4000 r/min，工作臺(tái)面設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速2000 r/min。
3.3、高速刀具
干式切削用的刀具材料發(fā)展初期采用硬質(zhì)合金鋼，但由于硬質(zhì)合金鋼滾刀成本昂貴，近幾年發(fā)展的粉末冶金高速鋼滾刀以及 TiAIN 涂層高速鋼滾刀取代了硬質(zhì)合金鋼滾刀。最新研究報(bào)告和實(shí)際使用效果來看，干式滾切相對(duì)于常規(guī)濕滾而言，加工時(shí)間短，成本更低。采用粉末冶金高速鋼滾刀甚至比采用硬質(zhì)合金鋼滾刀具有更好的干式滾切加工效果。目前我國漢江工具生產(chǎn)的涂層滾刀線速度已經(jīng)可以達(dá)到240~300 m/min，國外格里森的涂層滾刀線速度已經(jīng)可以達(dá)到300 m/min 以上。干式滾切加工機(jī)床的切削速度可達(dá)傳統(tǒng)加工的 4 倍，生產(chǎn)效率可以提高 3 倍。與濕式加工相比，加工成本降低，能得到更好的零件質(zhì)量，且無油污污染，車間工作環(huán)境更加潔凈。
4、復(fù)合柔性功能設(shè)計(jì)
對(duì)于這臺(tái)復(fù)合機(jī)床，圖 1 所示的只是其中一種柔性配置，在這一種配置中，刀塔共有 12 個(gè)刀位，可以根據(jù)客戶工藝需求配置不同的功能，可以配置車刀、倒棱、去毛細(xì)、銑刀、鉆頭、測(cè)頭、手抓等功能，刀塔配置圖如圖 5所示。
圖5：刀塔刀位配置
除了圖 1 的配置外，還有其他柔性配置結(jié)構(gòu)，柔性單元配置部分可以采用去毛刺、倒棱和桁架上下料機(jī)構(gòu)的形式，如圖 6 所示。除了以上幾種配置外還可以采取其他的配置形式，大大增大了機(jī)床加工的柔性功能。
圖6：機(jī)床配置形式
5、結(jié)束語
本文設(shè)計(jì)的軸齒輪高效復(fù)合柔性加工機(jī)床體現(xiàn)了以人為本、綠色制造的設(shè)計(jì)理念，特別適合于傳統(tǒng)轎車和新能源汽車變速箱軸齒輪大批量、高精度加工。經(jīng)過實(shí)際使用，滾刀平均滾切線速度可達(dá)200 m/min以上，復(fù)合加工效率為傳統(tǒng)工藝的 2~3 倍，軸齒輪加工精度可達(dá) GB/T10095.1-2008 的 6 級(jí)，配備自動(dòng)上下料機(jī)械手可自動(dòng)抓取和卸放工件，配備料倉后可實(shí)現(xiàn) 12 h 無人值守工作模式，提高產(chǎn)品加工效率，提高企業(yè)自動(dòng)化水平。
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