128 YK3150滚齿机滚刀主轴部件设计

YK3150E数控滚齿机滚刀主轴组件结构设计数控高效滚齿机的设计不仅要求在参数的选择、计算上应科学合理的，更主 要的还应合理地设计出各主要部件的结构功能， 以最优的机械结构实现各部件的 功能。

因而作为最重要的主轴主件的设计，必须在结构上有创新的特点，以满足 数控高效滚齿机的切齿要求。

下面将对YK3150E数控高效滚齿机的主轴部件设计 进行分析说明。

3.1 结构方案设计
对于滚齿机来讲，刀架部件为滚齿机的关键的部件之一，从滚齿机的出厂检 验标准来说(普通或数控滚齿机)共有12~16个检验项目，而刀架部件就占了1/3的 内容，从滚齿机的工作精度来讲，刀架这个部件对机床的精度的影响很大，直接 对加工齿轮的精度第1公差组和第2公差组及齿面粗糙度产生作用。

例如：刀架主 轴的轴向串动，影响被加齿轮的相邻齿距误差；刀架主轴的径向跳动，影响着被 加工齿轮的齿圈径向跳动误差；刀架的主轴高速切齿的振动(刀架整体刚性的强 弱)影响着被加工齿轮的表面粗糙度。

因而在进行刀架结构设计时，必须充分考 虑数控高效滚齿机的切齿特点， 以便从结构上最大限度地保证切齿的综合性能要 求。

1—成组轴承 2—拉杆 3—主轴 4—传动轴 5—高精度斜齿轮
6—专用旋转油缸 7—油缸活塞
数控滚齿机利用锥孔为 7﹕24的 BT—50 标准铣削刀杆接口模式，有利于 滚刀杆自动夹紧与放松，缩短了滚齿机辅助调整时间，通常普通滚齿机采用莫氏 5号锥度的孔径定心，且为手动的夹紧与放松方式，该锥度的标准的孔位(大端) 为Φ 47.75mm，不能为滚刀提供更大的刀杆尺寸。

在YKX3140 数控高效滚齿机 的刀杆设计中，为了确保刀架整体刚性，最小刀杆直径为Φ40mm，同时为了满 足高效强力切齿，对自动夹紧系统的设计夹紧力最低不少于20000N，以充分保 证刀杆切齿的刚性要求，而一般自动夹紧刀杆系统通常在15000N左右(普通数控 滚齿机或小规格数控滚齿机)。

刀杆的自动夹紧与放松过程为：油缸往右前推拉 杆压缩碟形弹簧时，由拉杆推动夹爪向前移动并张开，此时为松开刀杆；当油缸 往后移动时，拉杆在缩碟形弹簧恢复力作用下带动夹爪向后移动，由夹爪夹住并 拉紧刀杆。

显然，刀杆的拉紧力为碟形弹簧提供的纯机械拉力，油缸的推力仅起 着放松刀杆的作用。

刀杆的拉紧力不受油压及电压波动的影响。

此种刀杆拉紧方 式，能更好地适应高效滚齿机的切齿特点。

传动系统中充分利用传动链误差分析理论提出的未端元件高精度原理， 以提 高传动链精度。

即在刀架的末端传动元件的大小斜齿轮， 其齿轮的精度达到 3 级 精度，不但减少传动链的总误差，而且可有效降低高速切制的噪音。

在刀架箱体内采用大流量循环润滑的冷却系统，有效地保证了高速、重载的 切齿时刀架体的热平衡，从而保证了机床刀架主轴冷态和热态精度的一致性；而 普通滚齿机在刀架箱体中，多采用油池润滑方式，切齿时刀架箱体高速旋转传动 件产生的热量无法带走，机床的主轴冷态和热态精度变化较大。

3.2 主轴设计相关问题分析
主轴系统是滚齿机的核心，它在很大程度上影响着齿轮的加工精度。

主轴部 件的精度主要体现在主轴的回转精度和刚度的提高， 而回转精度与刚度又决定于 主轴的形式及装配形式。

数控滚齿机最高加工速度相对于普通数控滚齿机有成倍的提高，达到500转/
分，要达到这样高的转速，轴承的合理选择，精度、调整、润滑和轴系的平衡、 阻尼特性等都对此有影响。

滚刀轴轴系如何在这样的高速下保证精度，在设计的 过程中必须对下面几个方面的内容进行研究：
3.2.1 主轴回转精度分析
1.回转精度的定义
轴件作回转运动时，线速度为零的点的连线称为轴件的回转中心线，轴件回 转中心线相对于某一固定参考系统的空间位置， 在理想情况下是不应随时间变化 的。

但实际上由于轴承的误差，轴件的挠曲和振动等原因，轴件的回转中心线的 空间位置在每一瞬时都是变化的， 这时瞬时回转中心线空间位置的平均中心线称 为理想回转中心线， 瞬时回转中心线相对于理想回转中心线在空间的位置偏离就 是回转轴件的瞬时误差，这些瞬时误差的范围就是轴件回转精度。

轴件误差分为三种基本形式：轴向漂移、径向漂移、角向漂移。

2.影响滚刀轴回转精度的主要因素
1)轴颈的圆度误差，主要引发主轴周期性的径向误差。

2)轴承误差，如滚道的圆度，滚动体直径及圆度的不一致性引发径向误差。

3)轴承端面对轴颈的垂直度及推力轴承的滚道与滚动体误差引发轴向误差。

4)前后轴承的同轴度及其径向跳动大小和方向的不一致会引发摆动误差。

5)滚刀轴的不平衡及其支撑刚度的变化会引发径向误差和摆角误差。

6)滚刀轴的振动会引发径向误差。

3.提高零传动滚齿机滚刀轴部件回转精度的措施
1)装配时采用定向选配，定向选配的目的是使误差相互抵消，注意拆卸时必 须在轴承内圈和主轴轴颈间， 轴承外圈与箱体孔间画线为记， 重新装配时按记号、 装配，才能保证精度。

2)装配后精加工，将主轴部件装配好后，以主轴的安装基面和定位基面互为 基准进行精磨。

3)提高精度要求 选用高精度的轴承，提高轴承配合面比如轴颈和箱体孔的 精度要求。

4)对轴承适当预紧，减小间隙，保持适当过盈，提高刚度。

5)提高抗振性，一般说来，提高抗振性的措施除了提高刚度外，还可以采用
增加阻尼，采用弹性传动件，采取隔振措施等方法 。

对于数控滚齿机滚刀轴来 说，为了保证精度，主要采取提高主轴和支撑部件刚性以及装配好后进行动平衡 的措施。

6)保证正确润滑，为轴承选择正确的润滑方式和润滑材料。

3.1.2 主轴静刚度
主轴的静刚度又称主轴刚度，是机床主轴系统的重要性能指标，它反映主轴 单元抵抗静态外力的能力，与负荷能力及抗振性密切相关。

主轴单元最重要的静 刚度指标是弯曲刚度和轴向刚度。

弯曲刚度Kr 的定义是：为使主轴前端产生单位径向位移δ时所需施加的力Fr ， 即
d
r
r F K = 主轴单元的轴向刚度Ka ，定义为使主轴轴向产生单位位移时，在轴向所需 施加的力。

一般情况下，弯曲刚度比轴向刚度要重要的多，是衡量主轴单元刚度 的重要指标，通常用来代指主轴的刚度，它与主轴单元的悬伸量、跨距、几何尺 寸、金属的物理性能及轴承刚度有关。

1.静刚度近似估算
对滚齿机滚刀主轴轴系进行简化将变截面的主轴，简化为单一等效截面的等效主 轴，设其截面抗弯惯性距为I ，将前后轴承组简化为前后两个刚度系数为K 1、K 2的弹簧 支承，确定支反力的合理位置。

如图所示：
主轴本身的弯曲变形引起的轴端位移 y s 为
÷ ø
ö ç è æ + = 1 3 3 a L EI Fa y s （mm ） 式中 F—静载荷（N ）
a—县伸量（mm ）
E—弹性模量，钢的弹性模量为2.1* 5 10 (N/ 5 mm )
L—支承跨距（mm ）
前后支承的支反力为：
÷ ø
ö ç è æ + = L a F R A 1 L
a
F R B = 前后支承的变形为：
1 K R A A =
d 2
K R B
B = d 由于轴承变形引起的主轴轴端位移 B y 为：
ú û
ù ê ë é + + ÷ ÷ ø ö ç ç è æ + = + ÷ ø ö ç è æ + = 1 2 1 1 2 2 2 1 1 L a L a K K K F L a L a y B A B d d 主轴轴端总位移y 为：
ú û
ù ê ë é + + ÷ ÷ ø ö ç ç è æ + + ÷ ø ö ç è æ + = + = 1 2 1 1 3 2 2 2 1 1 3 L a L a K K K F a L EI Fa y y y B s s 2.悬伸量和跨距对主轴刚度的影响
由式可知， 前悬伸越长， 伸出端挠度越大， 对主轴组件的综合刚度影响越大， 应该尽量缩短。

在实际设计中，考虑到轴承的安装位置及密封等因素，前悬伸量 基本上是没有优化余地的，能够优化的是前后轴承组之间的跨距。

由式可求得主轴柔度为
ú û
ù ê ë é + + ÷ ÷ ø ö ç ç è æ + + ú û ù ê ë é + = = 1 2 1 1 1 3 1 2 2 2 1 1 3 L a L a K K K a L EI a F y K 由式可以看出跨距对主轴刚度的影响不是单向的，将式对跨距L 求导并令 dy/dL=0得：
0 1 6 6 2 1 1 0 1 3 0 = ÷ ÷ ø ö ç ç è
æ + - - K K K EI L a K EI L 对式求解就可得到最佳跨距值，实际上，由于实际设计中结构的限制，此最 佳跨距值是一个近似的参考值，若实际跨距在此附近，则有可能使主轴刚度达到 最大值。

若结构设计中实际跨距不能等于L 时，则宁大勿小，以较大的实际跨距 为宜。

因为当实际跨距小于最佳跨距时，综合刚度的降低比跨距大于最佳值时要 敏感得多。

3.1.3 主轴组件支承问题分析
1.主轴轴承的选择
数控滚齿机滚刀轴部件加工速度高， 其轴承的选用首先必须满足高速运转的 要求,并且具有高的回转精度和较低的温升，其次，因为滚齿机承受的是断续冲 击的切削力，所以其轴承必须具有尽可能高的径向和轴向刚度。

另外，还必须具 有较长的使用寿命，特别是保持精度的寿命。

滚动轴承的选用，主要看转速、载荷、结构尺寸要求等工作条件。

一般来说， 线接触轴承、滚柱、滚锥、滚针承载能力大，同时摩擦大，则相应极限转速较低，
点接触球轴承则反之，但推力球轴承由于对中性较差，极限转速较低，单个轴承 同时承受径向载荷和单双向轴向载荷，其结构简单，尺寸小，但滚动体受力不在 最优方向，使极限转速降低。

轴系的径向和轴向载荷分别由不同轴承承受，受力 状态较好，但结构复杂尺寸大。

一般轴系要同时承受径向载荷与双向轴向载荷，需按下列条件选用滚动轴 承。

1)中高速重载， 双列圆柱滚子轴承配双向推力角接触球轴承， 若配推力轴承， 会使极限转速降低，成对圆锥滚子轴承结构简单，但极限转速较低，空心圆锥滚 子轴承的极限转速提高，但成本较高。

2)高速轻载，采用成组角接触球轴承，根据轴向载荷的大小分别选用25 0 或 者15 0 接触角。

3)轴向载荷为主，精度不高时，选用推力轴承配深沟球轴承，精度较高时， 选用向心推力轴承。

综上所述，对于数控滚齿机主轴部件，显然应该以中高速重载的条件来选择 滚动轴承，故选用双列圆柱滚子轴承配双向推力角接触球轴承。

2.主轴轴承的配置
主轴轴承的配置形式应该根据转速、刚度、承载能力、抗振性和噪声等要求 来选择。

常见的有以下几种典型的配置形式：速度型、刚度型和刚度速度型。

1)速度型
主轴前后轴承都采用具有良好高速性能的角接触球轴承，双联或者三联。

当 轴向切削分力较大时，选用接触角为25 0 的球轴承；当轴向切削分力较小时，选 用接触角为 15 0 的球轴承载。

在相同条件下，前者的轴向刚度比后者大一倍。

2)刚度型
前支承采用双列圆柱滚子轴承承受径向载荷和60 0 角接触双列推力球轴承承 受轴向载荷，后支撑采用双列短圆柱滚子轴承，这种轴承配置的主轴部件适用于 中等转速和切削负载较大要求刚度高的机床。

3)速度刚度型
前轴承采用三联角接触球轴承，后支撑采用双列短圆柱滚子轴承，前轴承组
的配置特点是：外测的两个角接触球轴承大口朝向主轴工作端，承受主要方向的 轴向力，第三个角接触球轴承则通过轴套与外测的两个轴承背靠背配置，使三联 角接触球轴承有一个较大的支承跨距以提高承受颠覆力矩的刚度。

数控滚齿机加工速度虽然相对于普通数控滚齿机有了很大提高， 但绝对速度 与加工中心的主轴相比却不能算高速，由于其加工特点，它显然属于刚度型的结 构。

由于YK3150E数控滚齿机加工过程中， 主轴前端微小的变形都会反映到工件 的精度上，因此主轴前端必须具有极高的径向和轴向刚度，因此，前端的双列圆 柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承都必须施加预紧力以提高刚度。

前端必须固 定，后端轴承远离加工区域，承受的径向力比较小，主轴在加工过程中，轴承热 和转子热都会有一部分传递到主轴上，造成主轴温升变形，因此后端轴承必须浮 动，否则主轴中段会产生弯曲变形。

综上所述， 滚刀主轴采用一端固定一端浮动的结构， 靠近加工区域一端固定， 远离加工区域一端浮动。

这样的结构使的主轴具有高的刚性， 同时避免温升变形。

3.主轴轴承的润滑
滚动轴承的润滑目的是减少轴承内部摩擦及磨损， 防止烧结， 延长疲劳寿命， 防止异物进入，防锈防腐。

评定轴承速度性能的是速度参数dn值(单位:mm.r/min)， 其中d为轴承的中径， 等于轴承内外径的平均值(单位:mm)，n为转速(单位:r/min)，dn值反映了轴承滚 动体的公转速度，这也是轴承转速的主要限制因素，代表轴承速度性能的dn值同 时表征着相应主轴的转速及线速度特性。

我国主轴单元系列型谱将机床主轴单元划分为两大类：高刚度型和高速度 型，其对应的dn值及润滑方式见下表：
YE3150E 滚齿机滚刀主轴前轴承的dn 值为：
6
10 * 452 . 0 4000 * 2
126 100 = + = n d 按照上表的规定，属于高刚度型，采用脂润滑，脂润滑时要注意不同型号的 脂类不能混用，且补充的周期要短于润滑期限，一般情况下为（0.5 ~0.7）倍润 滑期限。

4.主轴轴承的预紧
滚动轴承的预紧又称为预加负荷，是指在安装轴承时采用一定的方法，以消 除轴承的游隙， 并在滚动体和内外圈接触处产生预变形使工作表面的接触面积增 加。

对轴承进行预紧的目的有以下几点：
1)在正确决定轴的径向方向及轴向方向位置的同时抑制轴的跳动。

2)提高轴的刚性。

3)防止轴向方向的振动及由于共振而造成的异音。

4)抑制滚动体的旋转滑动，公转滑动及自转滑动，以减小离心力和陀螺力矩 并且可以抑制磨损。

轴承的预紧有两种方法，一种是定位预紧，另一种是定压预紧。

定位预紧是 对置轴承在轴方向的相对位置，在使用中也不会改变的预紧方法。

定压预紧是利 用螺旋弹簧、碟形弹簧给予轴承适当的预紧力的方法，在使用中轴承的相对位置 即使有变化，预紧力也可以大体保持一致。

定位预紧与定压预紧相比较，在预紧 力相等的情况下，定位预紧有效于增加轴承的刚性。

但是，在运转过程中，由于 轴与外壳的温度差而造成的轴向延伸率差， 内外圈温度差而造成的径向热膨胀差 及负荷而造成的变形等影响会使预紧力发生变化。

在定压预紧的情况下，由于轴 伸缩造成弹簧变形很小，所以几乎可以不考虑预紧力的变化。

由此可知，一般定 位预紧适合于提高刚性的目的， 定压预紧适用于高速旋转需要防止轴向振动的情 况。

定位预紧与定压预紧方式对刚度的影响
滚动轴承的预紧量应该根据对刚度和运转条件的要求来决定。

较大的预紧量 可以提高轴承的刚度，但是过大的预紧量会增大轴承的工作表面面积，增大摩擦 系数导致温升增高，润滑条件变坏，轴承的寿命和极限转速降低。

因此在预紧量 的选择上一定要慎重，选择预紧量的原则是当轴承承受最大工作负荷时，轴承始 终保持一定的过盈量而不致于产生间隙。

数控滚齿机滚刀主轴前轴承预紧方式方案为：
主轴前支承预紧方式
双列圆柱滚子轴承的预紧方法是：首先，取掉外圈，用一个端面平面度和垂直度 很高的隔套推其内圈，使其沿主轴1：12锥度段轴向移动，靠内圈的弹性变形将 滚子撑开，然后测量各滚子顶点形成的包络圆，在测量的过程中修磨调整片6，
直到包络圆的圆度非常高，并且直径要和测量到的外圈滚道直径一致，一般情况 下，调整好的圆柱滚子轴承会有2～3个微米的过盈量。

双向推力角接触球轴承的预紧方法是：首先通过密封盖5，双列圆柱滚子轴 承的外圈将其外圈轴向固定，然后用螺母推动隔套顶其内圈，使内外圈在轴上的 相对位置对置，通过修磨调整片4调整预紧力。

4.主轴骗码器的选择
（一）、滚刀轴控制精度分析
滚齿机通过滚刀轴与工件轴的展成运动切出工件齿形在啮合节线上产生的 齿距误差为：
( ) Z K M E C B n DF + DF = D 2
1 式中 E D --工件的齿距误差
n M --滚刀或工件模数
B DF --滚刀轴旋转误差
C DF --工件轴轴旋转误差
K—滚刀头数
Z—工件齿数
由上式可知工件对工件轴误差是非常敏感的，假设滚刀头数为1，加工的工 件齿数为100，则工件轴误差对工件误差的影响程度是滚刀轴误差对工件误差影 响程度的100倍，因此，在误差分配的时候，应该尽可能地提高滚刀轴精度以降 低对工件轴精度的要求。

（二）、滚刀轴编码器选择原则
数控滚齿机由主轴电机经两级齿轮传动驱动滚刀轴旋转， 选用编码器为角度 编码器，角度编码器由测量轮和感应头组成，测量轮上有刻线或者做成齿轮的形 状由主轴带动旋转，感应头通过光电感应，将测出的位置信号传入控制系统，系 统再把测得的信号按照设定的倍频数细分以获得需要的分辨率。

系统所能达到的分辨率跟编码器刻线数或者齿数感应头自带倍频数以及数 控系统的细分倍频数有关，其计算公式为：
( ) 度 DMR
N S S C ´ ´ = 360 式中 S C 为数控系统的分辨率，S 为编码器刻线数或者齿数，N 为感应头自带 倍频数，DMR 为数控系统设定的细分倍频数，目前数控系统最多可以对编码器 的检测信号进行2048倍细分。

数控系统的分辨率是由主轴的控制精度决定的，根据前面的分析，数控系统对零
传动滚齿机滚刀轴的分辨率应该达到0.005 o ，即脉冲当量应该达到0.005度/脉冲。

编码器的刻线数S 的选择不是任意的，它跟滚刀轴的转速有很大的关系。

当 滚刀轴转速比较高时，选择刻线数或者齿数较多的编码器会使感应头来不及响 应，造成系统振荡。

当滚刀轴转速比较低时，选择刻线数或者齿数较低的编码器 会使系统在单位时间内采到的脉冲数过少，造成控制误差较大。

另外由于N 值是 不可调的，一般为4，若S 值过小则会造成DMR 值过大，造成信号质量下降。

因 此，必须根据主轴转速，选择合适的编码器。

设定合适的系统倍频值，使控制系 统的性能达到最优。

根据以上分析，最终选择德国海德汉公司的RON886型角度编码器。

其装配 方案如下图：
3.3 本章小结
本章主要对 YK3150E 数控滚齿机进行结构设计的分析确定。

在已做出的装 配草图的基础上分析了传动系统中各组件的设计， 主要进行了主轴组件的机械性 能分析。

通过分析解决了数控滚齿机的结构设计相关问题。