重型高精度回轉頂尖及在滾齒機上的應用

2012-04-17

作者：王娜君¹　王杰²　桑麗杰³　畢許林⁴（1.哈爾濱工業大學；2.哈爾濱工業大學；3.哈爾濱汽輪機有限責任公司；4.哈爾濱汽輪機有限責任公司）

　　1　引言
　　大螺旋角寬斜人字齒輪的齒向精度是決定其嚙合時齒長方向接觸長度和接觸區穩定性的重要精度指標。在滾齒加工中，機床尾座頂尖的徑向圓跳動是影響被加工齒輪齒向精度的一項關鍵因素。作為一類機床附件產品，頂尖已形成了標準系列規格。根據其結構形式，大體可分為固定頂尖和回轉頂尖兩大類。固定頂尖結構簡單、精度較高、承載能力強，多用于對定位精度要求較高的回轉切削加工中，但使用時易發生研死、拉毛等現象，從而破壞其定位精度。回轉頂尖的高速轉動性能好、不易研死、定位可靠，但定位精度和承載能力不如固定頂尖，多用于高轉速、低精度的回轉切削加工中。P60S滾齒機主要用于加工重型高精度齒輪，工作轉速較低，加工精度要求高，且被加工齒輪的結構尺寸和自重很大。因此，該機床所用頂尖應兼具高精度、高承載能力的綜合優點。為此，我們研制了重型高精度回轉頂尖，并在P60S滾齒機上成功實現了加工應用。

圖1　重型高精度回轉頂尖結構

　　2　頂尖徑向跳動和支撐剛度分析
　　重型高精度回轉頂尖的結構如圖1所示。
　　軸承結構的影響
　　由于回轉頂尖的前支撐精度對頂尖徑向圓跳動的影響程度大于后支撐精度，因此設計頂尖時應重點考慮前支撐精度。普通回轉頂尖大多采用單列球軸承結構，其支撐形式可簡化為兩點支撐(見圖2a)。前支撐的徑向跳動誤差d與頂尖徑向跳動y的關系為
　　y=(a+b)d/b (1)

(a)單列球軸承結構

(b)雙列圓柱滾子軸承結構
圖2 　軸承結構對頂尖徑向跳動的影響

　　軸承結構對頂尖徑向跳動的影響
　　重型高精度回轉頂尖的前支撐采用雙列圓柱滾子軸承結構，由于滾子與滾道為雙列線接觸，且有足夠支撐寬度，因此在跨距/軸徑比小于3時，可視為三點支撐(見圖2b)。前支撐的徑向跳動誤差d與頂尖徑向跳動y的關系為
　　y≈d (2)
　　顯然，采用雙列圓柱滾子軸承結構可減小支撐點誤差對頂尖徑向跳動的影響。
　　軸承預緊力的影響
　　回轉頂尖前支撐的徑向跳動誤差為
　　d=dt+dj+dc (3)
　　式中：dt——滾動體及軸承內、外圈的彈性變形
　　d——j軸承的徑向間隙
　　dc——滾動體及軸承內、外圈的徑向跳動
　　雙列圓柱滾子軸承是通過帶錐面的軸承內圈在帶錐面的軸徑上移動來調節軸承的徑向間隙。為實現徑向預緊，此類軸承的徑向間隙通常取負值(即采用過盈配合)。當預緊力適當時，可使dt、dj兩項誤差為零，從而使d=dc。因此，通過選用具有適當預緊力的高精度軸承可有效減小頂尖的徑向跳動。
　　軸承定向裝配的影響
　　裝配頂尖軸承時，應盡量采用定向裝配法，即將軸承內圈的Z大徑向跳動點與軸承軸心線的Z大偏差點置于同一軸向剖面內，但方向相反，從而使頂尖的Z終徑向跳動Z小，即
　　dmin=dzj+dnj (4)　　

圖3　定向裝配法

　　同理，裝配軸承外圈時也可采用相同方法。
　　軸承外圈與孔的配合精度的影響

　　雙列圓柱滾子軸承的內孔為錐孔，且可直接安裝在帶錐度的軸上，其過盈量是由內圈在帶錐面的軸上作軸向移動時產生的徑向尺寸膨脹量來產生。為此將軸承外圈與孔的配合設計為過渡配合(方案Ⅰ)，但發現據此方案制造的頂尖在精加工后徑向跳動變化很大(見表1)，且在旋轉中有松緊不勻現象。經過分析認為，這是由于為使頂尖具有足夠剛度和精度而采用了重度預緊所致。由于重度預緊使軸承內圈變形過大，因此頂尖承受大負載時極易引起軸承塑性變形及磨損，從而破壞應有精度。為此，將設計方案改為在無預緊情況下使軸承外圈與安裝孔有少量過盈(方案Ⅱ)，在實際裝配中采用70℃溫差調節方法來實現。采用此方案制造的頂尖在進行了粗、精磨兩道工序后其徑向跳動無變化(見上表)。由于減小了軸承的變形及磨損，可顯著提高頂尖的工作壽命。
　　支撐剛度分析
　　重型高精度回轉頂尖采用的雙列圓柱滾子軸承的滾子與軌道為線接觸，在相同負載下，滾子對軌道的壓應力小于球軸承，支撐剛度及承載能力顯著提高。此外，該頂尖采用了適度預緊處理，減小了加載后的彈性變形量。
　　研制的重型高精度回轉頂尖的技術指標為：頂尖相對于尾錐的同軸度≤0.005mm，頂尖錐面徑向跳動≤0.003mm，Z低工作轉速4r/min，被加工件Z大自重1000kg。
　　3　應用效果
　　在P60S滾齒機上分別采用徑向跳動為0.01mm、0.005mm的頂尖進行滾齒加工，用CZE1200齒輪檢查儀檢測加工后的齒輪齒向誤差。

圖4　齒輪齒向檢測結果
(用徑跳0.01mm頂尖加工)

圖5　齒輪齒向檢測結果
(用徑跳0.005mm頂尖加工)

　　分析檢測結果可知，采用徑向跳動0.01mm的頂尖進行滾齒加工時，齒輪一周的齒向線不規則，甚至形成幾條不規則的折線連線。這是由于頂尖徑向跳動較大，使刀具——工件切削區(嚙合點)在加工時不斷變化，直接影響被加工齒輪軸線的回轉精度，使被加工齒輪齒向不規則，從而導致齒向誤差超差，影響了齒長方向的接觸面積比例。采用徑向跳動量控制在0.005mm范圍內的重型高精度回轉頂尖進行滾齒加工時，被加工齒輪的齒向偏擺方向一致，齒向誤差值可滿足規定的加工精度要求。
　　加工實踐表明，研制的重型高精度回轉頂尖的定位精度和承載能力均可滿足在P60S 滾齒機上對重載高精度齒輪進行半精滾齒、精滾齒的加工要求。