高速机械加工中机械主轴加速器齿轮箱的优化设计
摘要：有很多将传统机床升级为高速加工机床（HSM）的方案。最便捷的解决方案之一是使用机械主轴加速器。机械主轴加速器允许通过乘数变速箱使机床速度增加，并已成功地应用于各种不同的加工过程，如钻、铣、攻丝，甚至磨削。机床主轴加速器主要用于模具和注塑业，因为它们提供了升级现有低速机工具的有效解决方法。在这项工程中，应用于所有机械主轴加速器中的行星齿轮列（PGTs）通过减小体积以及优化变速箱动能从而得到了优化，因为它的性能直接取决于这两个标准。在作者看来，这引起了主轴调速装置制造商的极大兴趣。 关键词：主轴调速齿轮箱的设计、行星齿轮传动、高速加工 1. 引言
按照目前加工制造业的发展趋势，从高速加工（HSM）到基于知识的系统，都是以实现生产能力最大化为目标。HSM迅速增长，它将提供比传统的加工更多的优势，如减少加工时间，减少机械应力，降低表面温度，提高工件表面质量等。高速加工在工业上的必要性大大增加了在这一领域的研究的数量[1–4]。此外，HSM提供了一个很好的轻金属（铝，汽车和航空航天应用镁）加工，陶瓷刀片加工，复合材料和其他材料包括钛铬镍铁合金、铸铁加工的的好方法。
传统机床向高速切削机床转换的方法很多，这提供了很多升级现有低速机床的好的和具有成本效益的机会，并能节省大量新设备的投资。最便捷的解决方案之一是机械主轴加速器的使用。机床主轴加速器在很多领域得到了发展，如钻，铣，攻丝，甚至磨。它们特别适用于精加工，并成为模具和注塑行业的理想选择。总之，机械主轴加速器是一种允许通过增加传统机床的速度从而转换为高速加工机床的低成本的选择。
主轴是加工中心的主要组成部分之一，因为它的设计直接影响到加工效率和工件质量。因此，主轴设计（静态和动态刚度，轴的直径，轴承，设计参数等）已得到了深入研究[5-8]。机床主轴加速器的性能主要取决与为所需的速度和动力传动比的优化设计。尤其是，两个因素必须考虑，因为它们在主轴调速装置的优化设计方面非常重要，这两个因素是最小的体积和最小的传输动能。
为了减轻重量，主轴调速装置的体积必须要最小化，并且不能减少机床操作所需的空间。但是，同样，机械主轴加速器必须要为长期的生产工作而设计，因此，传输动能必须最少以确保最佳的性能。
主轴调速装置的设计导致了基于行星齿轮序列（PGTs）的传动装置的使用，因为行星齿轮序列PGTs提供了一个非常紧凑、高效的解决方案（减少了普通齿轮序列的重量和尺寸），它的速率高，效率高。PGTs还用在许多配备了汽车变速箱的机器设备中，从而延长了机床低速主轴驱动电机的恒功率范围。近来，有关它的的设计也经过了了本文作者的优化[9]。
机械主轴加速器的调速范围从3.5到8倍不等，这取决于加速器的制造商。只有一个制造商提供的机械主轴加速器可以提高机器速度10倍，以40,000 rpm最大的超速输出2千瓦的功率。图1显示了机械主轴调速装置。
本论文的目的是给出一套不同的动力和速度比的机械主轴超速优化设计集。特别研究了目前市场上各大制造商所使用的主轴调速装置的动力和速度比，并给
出了这些配置（每个功率和速度比）的优化设计，并进行了比较。 2. 机械主轴加速器的设计要素
在本节中，我们解释一些必须考虑的主轴调速装置设计的重要因素。机械主轴调速器的设计有4个PGT组件，这是最广泛使用的商用性配置，因为这种配置几乎涵盖了工业应用中所采用的全部速率比范围，同时也是目前最简单的PGT设计。根据各组件设计方法的不同，这种PGT有6个不同的设计方案。这6个解决方案如图2。图2所示的6种解决方案可以认为是为主轴加速器所设计的。
PGTs的各组件属于不同的类型，在本文中它们被分别称为太阳轮，齿圈，臂轮和行星轮（见图1A）。
图1
在图 2中，组件3是臂轮，组件4和4'是行星轮。根据设计方案的不同，组件1和2是不同的组件，因此组件1在图2a、c、d所示的设计方案中是太阳轮，而在其他设计方案中是齿圈。同样，组件2在图2b、d、e的所示的设计方案中是太阳齿轮，在图2所示的其余设计方案中是齿圈。组件1和组件4连接在一起，组件2和组件4’连接在一起。 2.1 效率的考虑
可以证明，如果把臂轮3作为输入，基于4个组件的PGT所提供的乘数效率是比较高效的。这就是为什么所有机械主轴加速器设计都是4个PGTs组件和臂轮输出的原因。 2.2 经济和操作的考虑
从经济学观点来看，在所有的双行星齿轮配置解决方案中（图2c – f所示），图2d所示的方案是非常有效益的，因为它具有不使用齿圈的优势。这是因为主轴调速器所使用的齿轮必须经过硬化，回火和磨削处理，以避免高温损坏，同时经磨削处理的齿圈比未经磨削处理的齿圈要昂贵。此外，如果齿圈未经磨削，热量积聚会在较短的时间内发生，温度上的限制同时降低了输入的速度和扭矩。
图2a所示的设计方案相对去其他设计方案更加具有优势，其他设计方案使用的是简单行星轮并且齿圈是固定的。图2b所示的设计方案并没有用于于机械主轴
调速装置的设计，因为它增加了主轴调速器的动能。同样道理，图2e，f所示的采用双行星齿轮的主轴调速器的设计方案也是不恰当的配置 2.3 行星齿轮的考虑
在主轴调速装置的设计中，为所要求的动力和转速比选择最佳的行星齿轮数量是非常重要的。行星齿轮的数量可能从两个增加到三个，四个，甚至更多，这取决于它的设计用途。例如，图1a所示的机械主轴调速装置有三个行星齿轮（Np= 3）。行星齿轮的数量必须尽可能的小，以减轻齿轮的重量和传输动能，同时确保每个行星齿轮上有良好的载荷分配。不论那种情况，行星齿轮必须始终围绕PGT的主轴轴心分布，以平衡质量分布。
总之，对于机械主轴加速器的设计来说，只有图2a、c、d所示的设计方案是为机床主轴加速器的优化设计考虑的。特别是，这些设计方案往往也是被制造商经常使用的。
图2
3. 机械主轴调速装置设计上的限制
本节主要用于说明机械主轴调速装置设计上的限制条件。根据约束类型，它们分为三组，这三组限制条件是： ——齿轮尺寸和几何形状上的约束 ——PGT的啮合条件
——连接方式和弯曲应力 3.1 齿轮尺寸和几何形状上的约束
第一个制约因素是可以接受的齿轮面宽度b的范围，限制条件如下：
(1)
其中m是模数。模数表明了轮齿的尺寸，模数是齿轮直径和齿数的比值。为了使齿轮相啮合，它们的模数必须是相等的。齿轮ISO标准和设计方法是基于模数的。
对于传递的运动学和动力学参数都取决于轮齿比率值Znl，其中Znl是由相互连接的组件n和l形成的齿轮副的齿数比。通常Znl定义为：
机械主轴加速器齿轮箱的优化设计(外文翻译)
