重型高精度回转顶尖及在滚齿机上的应用

新生

1 引言
  ~4 t7 v/ {5 m9 n/ p7 r: M+ i　　大螺旋角宽斜人字齿轮的齿向精度是决定其啮合时齿长方向接触长度和接触区稳定性的重要精度指标。在滚齿加工中，机床尾座顶尖的径向圆跳动是影响被加工齿轮齿向精度的一项关键因素。作为一类机床附件产品，顶尖已形成了标准系列规格。根据其结构形式，大体可分为固定顶尖和回转顶尖两大类。固定顶尖结构简单、精度较高、承载能力强，多用于对定位精度要求较高的回转切削加工中，但使用时易发生研死、拉毛等现象，从而破坏其定位精度。回转顶尖的高速转动性能好、不易研死、定位可靠，但定位精度和承载能力不如固定顶尖，多用于高转速、低精度的回转切削加工中。P60S 滚齿机主要用于加工重型高精度齿轮，工作转速较低，加工精度要求高，且被加工齿轮的结构尺寸和自重很大。因此，该机床所用顶尖应兼具高精度、高承载能力的综合优点。为此，我们研制了重型高精度回转顶尖，并在P60S 滚齿机上成功实现了加工应用。
　　
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　　图1 重型高精度回转顶尖结构图
　　2 顶尖径向跳动和支撑刚度分析
+ t9 C  @6 h6 v2 H　　重型高精度回转顶尖的结构如图1所示。
　　顶尖径向跳动影响因素分析
　　轴承结构的影响
, e1 X. |, N$ l6 F  R+ ^　　由于回转顶尖的前支撑精度对顶尖径向圆跳动的影响程度大于后支撑精度，因此设计顶尖时应重点考虑前支撑精度。普通回转顶尖大多采用单列球轴承结构，其支撑形式可简化为两点支撑(见图2a)。前支撑的径向跳动误差d与顶尖径向跳动y的关系为
　　y=(a+b)d/b (1)
' D, f4 B  q& i- P1 e　　
# q6 F' ~& b  m　　
　　(a)单列球轴承结构
　　
　　(b)双列圆柱滚子轴承结构
　　图2 轴承结构对顶尖径向跳动的影响
　　重型高精度回转顶尖的前支撑采用双列圆柱滚子轴承结构，由于滚子与滚道为双列线接触，且有足够支撑宽度，因此在跨距/轴径比小于3时，可视为三点支撑(见图2b)。前支撑的径向跳动误差d与顶尖径向跳动y的关系为
　　y≈d (2)
　　显然，采用双列圆柱滚子轴承结构可减小支撑点误差对顶尖径向跳动的影响。
　　轴承预紧力的影响
　　回转顶尖前支撑的径向跳动误差为
; w; G& F' W, g, U, Q# z　　d=dt+dj+dc (3)
; L! {6 R8 B0 \1 R. p, ]3 Y. `; U　　式中：dt——滚动体及轴承内、外圈的弹性变形
  d+ e$ x) \  u4 ]* E/ e& w　　dj——轴承的径向间隙
( x# z' ?- e$ B, q9 n　　dc——滚动体及轴承内、外圈的径向跳动
　　双列圆柱滚子轴承是通过带锥面的轴承内圈在带锥面的轴径上移动来调节轴承的径向间隙。为实现径向预紧，此类轴承的径向间隙通常取负值(即采用过盈配合)。当预紧力适当时，可使dt、dj两项误差为零，从而使d=dc。因此，通过选用具有适当预紧力的高精度轴承可有效减小顶尖的径向跳动。
轴承定向装配的影响
　　装配顶尖轴承时，应尽量采用定向装配法，即将轴承内圈的最大径向跳动点与轴承轴心线的最大偏差点置于同一轴向剖面内，但方向相反(见图3)，从而使顶尖的最终径向跳动最小，即
8 k; |/ p" x1 g" J　　dmin=dzj+dnj (4)
　　
　　
　　图3 定向装配法
/ j4 v) ~/ t5 P! F: }1 |$ E; t/ ?　　配合方案 工序 无负载 静载 加工后
% T, p; v# b, K$ @5 e) H5 ?5 P1 A　　方案Ⅰ 精磨 ≤0.005 ≤0.005 ≤0.007
* u! j& E- j2 X" D' l9 O! l$ e　　方案Ⅱ 精磨 ≤0.005 ≤0.005 ≤0.005
# \# V; z) n% T  Z/ O: r8 O  G　　粗磨 ≤0.005 ≤0.005 ≤0.005
  S/ Z& s/ w9 u! E6 p6 H1 q　　同理，装配轴承外圈时也可采用相同方法。
　　轴承外圈与孔的配合精度的影响
　　双列圆柱滚子轴承的内孔为锥孔，且可直接安装在带锥度的轴上，其过盈量是由内圈在带锥面的轴上作轴向移动时产生的径向尺寸膨胀量来产生。为此将轴承外圈与孔的配合设计为过渡配合(方案Ⅰ)，但发现据此方案制造的顶尖在精加工后径向跳动变化很大(见表1)，且在旋转中有松紧不匀现象。经过分析认为，这是由于为使顶尖具有足够刚度和精度而采用了重度预紧所致。由于重度预紧使轴承内圈变形过大，因此顶尖承受大负载时极易引起轴承塑性变形及磨损，从而破坏应有精度。为此，将设计方案改为在无预紧情况下使轴承外圈与安装孔有少量过盈(方案Ⅱ)，在实际装配中采用70℃温差调节方法来实现。采用此方案制造的顶尖在进行了粗、精磨两道工序后其径向跳动无变化(见上表)。由于减小了轴承的变形及磨损，可显著提高顶尖的工作寿命。
: }. |) Y; A% b- _　　支撑刚度分析
　　重型高精度回转顶尖采用的双列圆柱滚子轴承的滚子与轨道为线接触，在相同负载下，滚子对轨道的压应力小于球轴承，支撑刚度及承载能力显著提高。此外，该顶尖采用了适度预紧处理，减小了加载后的弹性变形量。
+ a5 S; u& \1 n: O　　研制的重型高精度回转顶尖的技术指标为：顶尖相对于尾锥的同轴度≤0. 005mm，顶尖锥面径向跳动≤0.003mm，最低工作转速4r/min，被加工件最大自重1000kg。
, a' L9 M, N4 ?' Y　　3 应用效果
8 z( |1 P( C6 p0 ~( V' n　　在P60S滚齿机上分别采用径向跳动为0.01mm、0.005mm 的顶尖进行滚齿加工，用CZE1200齿轮检查仪检测加工后的齿轮齿向误差，检测结果如图4、图5所示。
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　　图4 齿轮齿向检测结果
! v. l- B0 g' o　　(用径跳0.01mm顶尖加工)
　　
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　　图5 齿轮齿向检测结果
　　(用径跳0.005mm顶尖加工)
7 e9 y* D8 f7 c2 P2 e" a　　分析检测结果可知，采用径向跳动0.01mm 的顶尖进行滚齿加工时，齿轮一周的齿向线不规则，甚至形成几条不规则的折线连线。这是由于顶尖径向跳动较大，使刀具—工件切削区(啮合点)在加工时不断变化，直接影响被加工齿轮轴线的回转精度，使被加工齿轮齿向不规则，从而导致齿向误差超差，影响了齿长方向的接触面积比例。采用径向跳动量控制在0.005mm 范围内的重型高精度回转顶尖进行滚齿加工时，被加工齿轮的齿向偏摆方向一致，齿向误差值可满足规定的加工精度要求。
　　加工实践表明，研制的重型高精度回转顶尖的定位精度和承载能力均可满足在P60S 滚齿机上对重载高精度齿轮进行半精滚齿、精滚齿的加工要求。
' ^- f" j6 T, C, Y2 j5 D3 [文章关键词： 滚齿机