零传动数控滚齿机通过取消传统滚齿机中的传动机构, 实现了电机与滚刀主轴以及电机与工作台的直联, 大大缩短了传动链, 减少了传动元件的制造误差以及间隙和装配误差对于齿轮加工的影响, 它不仅可以大幅度提高机床的加工精度和加工速度, 同时, 由于其机械结构简单, 在设计时更有利于提高机床的刚性, 完全解决机械传动链中存在的磨损问题, 进而保持了精度的稳定性。高精度滚齿机一般可达到5级精度。作为数控机床, 零传动数控滚齿机的加工精度与机床、刀具、夹具、工件类型、加工环境等一系列因素有关。由表1[ 5 ]可知, 机床误差和加工过程误差对加工精度的影响最为明显。为了进一步分析零传动数控滚齿机的精度, 本文将主要从滚齿机机床误差和滚齿加工误差等两方面分别进行阐述。

表1数控机床各误差源对加工精度的影响程度

1.滚齿机机床误差

滚齿机是传动关系最为复杂的机床之一。传统滚齿机通过内、外联传动链实现滚削加工, 传动链冗长, 这样不但影响加工精度, 还影响精度的保持性。零传动滚齿机采用电主轴形式实现电机与滚刀、电机与工作台的直联, 机床其它各进给轴则采用电机- 联轴器- 滚珠丝杠副的形式实现旋转运动向直线运动的转换, 这样就很大程度地缩短了机床传动链, 甚至可以取消加工斜齿时所必需的差动传动链, 最大限度地压缩冗长传动链对加工精度的影响程度。此外, 由于零传动滚齿机结构简单, 各轴均由数控系统控制, 较之传统结构则更容易实现各轴之间的联动, 从而提高机床的加工精度。零传动滚齿机虽然消除了传统机床中的一些误差源, 但它采用的新的结构形式也会为加工精度带来新的影响, 本文将从主轴系统、进给系统和控制系统三方面入手, 分析零传动机床结构对机床精度的影响。

1.1 主轴系统

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。零传动滚齿机的滚刀主轴和工件主轴均采用电主轴形式。由于电主轴内部为双支承支撑结构, 选用高刚度轴承支承可以提高电主轴刚度特性, 减小其弹性变形、回转误差和径向误差等, 从而保证电主轴的动静态特性。为了进一步提高电主轴精度, 对主轴支承轴承系统施加适当的预紧力, 这样不仅消除轴承内部的游隙, 还能使滚动体产生一定量的弹性变形, 从而增加滚动体的接触面积,提高轴承的回转精度, 达到提高主轴精度的目的。除了支承轴承的影响以外, 另一个影响电主轴精度的重要因素就是电主轴的散热问题。电主轴工作状态下,电机的定子和转子将产生大量的热量, 并将传递到主轴上, 这些热量不仅会影响主轴本身精度, 更重要的是, 它会引起主轴轴承的热变形, 从而影响电主轴的热特性。为了消除热变形的影响, 电主轴中设计有循环冷却系统, 它可以带走电机产生的大部分热量以减少主轴及其支承的热变形。

零传动滚齿机主轴的设计中, 电机的选取对机床加工精度的影响至关重要。在传统滚齿机, 电机通过主运动传动链将运动传递给滚刀, 并通过范成运动传动链分配滚刀和工件轴的运动以满足它们之间严格的传动比关系。运动传递中的大传动比的精密传动副可以减小滚齿机传动误差, 这点对滚齿机的工作台的影响最为明显。虽然零传动滚齿机可以大大提高滚刀主轴的转速, 但基于滚齿基本原理, 工作台的速度仍然很低。在零传动驱动的情况下, 电机误差对工作台的影响不可能通过减速传动机构减小, 因此对工作台电机转矩特性要求很高, 不但能做大承载力的可控回转, 还能提供高分辨率的精密低速运动。另外, 零传动驱动对电机的稳定性要求也很高。结合电机的机械特性、矩频特性、负载要求、调速要求等, 主轴电机一般选用效率高, 且高低速特性较好的交流同步电机。滚齿是断续切削加工过程, 由于零传动滚齿机可提供较高的滚刀转速, 这就带来较高切削振动频率,为避免共振对齿轮加工的不良影响, 要求电主轴具有较高的固有频率以远离激振区, 由此, 对电机的固有频率的要求也相应提高。