高速干切滾齒技術(shù)是一種環(huán)保、節(jié)能、高速及高效齒輪加工工藝，而滾齒主軸裝置是滾齒的重要部件之一。隨著高速干切滾齒技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)滾齒主軸提出了越來越高的需求，同時(shí)對(duì)主軸轉(zhuǎn)速、主軸電機(jī)和主軸冷卻提出了更高要求。因此，有必要研究高速干切滾齒主軸，為設(shè)計(jì)高速干切滾齒機(jī)提供一定的理論參考。

　　1 高速干切滾齒主軸轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)

　　在滾齒加工中，主軸與工作臺(tái)轉(zhuǎn)速保持一定的速比關(guān)系，所以高速滾齒最能體現(xiàn)高速的參數(shù)就是主軸轉(zhuǎn)速。主軸轉(zhuǎn)速主要受滾刀的切削速度、電機(jī)轉(zhuǎn)速和軸承轉(zhuǎn)速影響。隨著這幾年電機(jī)和軸承轉(zhuǎn)速的不斷提高，制約滾齒主軸轉(zhuǎn)速的主要是滾刀的切削速度。隨著新型刀具材料和新的刀具涂層技術(shù)的快速發(fā)展，目前我國(guó)硬質(zhì)合金滾刀和陶瓷滾刀的切削速度可以達(dá)到 200m/min，高速鋼涂層滾刀(TiN或TiALN)可以達(dá)到 250m/min，國(guó)外高速鋼涂層滾刀速度可達(dá) 300m/min 以上。

　　目前，我國(guó)大多數(shù)用戶使用的是高速鋼涂層滾刀，因?yàn)槠淠湍バ院?，性價(jià)比高，實(shí)際轉(zhuǎn)速可以達(dá)到滾齒使用要求，使用切削速度在 200 ～ 400m/min。根據(jù)滾出工作原理，滾齒機(jī)主軸轉(zhuǎn)速為：

       式中：n_主為滾齒主軸轉(zhuǎn)速(r/m)，V 為滾刀切削速度 (m/min)，d_刀為滾刀外徑(mm)?？紤]到滾齒主軸的剛性，d_刀一般取 40 ～ 160mm。K 為滾刀頭數(shù)，國(guó)內(nèi)常用為 1、2、3 頭，取滾刀頭數(shù)為 2。經(jīng)過計(jì)算，得出滾齒主軸最大轉(zhuǎn)速為 6368r/m。所以，目前滾刀切削速度在 200～400m/min 時(shí)，設(shè)計(jì)的高速滾齒主軸最高轉(zhuǎn)速為 6500r/m。同理，得到設(shè)計(jì)的高速滾齒主軸最低轉(zhuǎn)速為 400r/m。在開發(fā)新的高速干切滾齒機(jī)時(shí)，既要滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)加工工件的要求，又要滿足滾刀的切削速度要求。

　　2 高速干切主軸電機(jī)選型

　　隨著滾齒加工向高速、高效、高精度方向發(fā)展，對(duì)滾齒主軸電機(jī)提出了更高要求，原來的滾齒主軸已經(jīng)無法滿足高速干切滾齒的需求，需對(duì)滾齒主軸電機(jī)進(jìn)行重新選型。

　　主軸電機(jī)形式 ：目前，滾齒常用的主軸電機(jī)形式主要有永磁同步主軸電機(jī)和直驅(qū)力矩電機(jī)。永磁同步主軸電機(jī)需配合齒輪傳動(dòng)達(dá)到高扭矩，主要用于大規(guī)格大模數(shù)齒輪加工。直驅(qū)式力矩電機(jī)去除從電機(jī)到滾刀之間的所有傳動(dòng)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)和滾刀的直連，不需要齒輪傳動(dòng)，但是一般輸出的扭矩不大，且需要編碼器配合，適合于中小規(guī)格齒輪加工。同時(shí)，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾刀旋轉(zhuǎn)，很大程度上簡(jiǎn)化了機(jī)床的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使用比較普遍。滾齒加工為斷續(xù)切削過程，滾切加工時(shí)會(huì)對(duì)主軸電機(jī)產(chǎn)生較大的瞬時(shí)沖擊載荷，所以要求主軸在斷續(xù)沖擊工作條件下保持較高的運(yùn)動(dòng)精度和抗振性，以保證機(jī)床加工出高質(zhì)量的齒輪。

　　結(jié)合以上分析，永磁同步力矩電機(jī)結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有非常硬的機(jī)械特性，符合高速干切滾齒機(jī)直驅(qū)式主軸系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的要求。同時(shí)，永磁同步力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與輸入電流成線性關(guān)系，利用電流的大小精確、快速地控制力矩和轉(zhuǎn)速。這一特點(diǎn)決定了永磁同步力矩電機(jī)具有很高的定位精度和很好的調(diào)速性能。另外，永磁同步電機(jī)的力矩波動(dòng)小，響應(yīng)速度快，峰值轉(zhuǎn)矩高，且能夠承受頻繁起停、制動(dòng)和正反轉(zhuǎn)。電機(jī)的抗過載能力也強(qiáng)，可靠性高，可工作于比較惡劣的加工環(huán)境。

　　主軸電機(jī)功率： 滾齒主軸電機(jī)的功率是高速干切滾齒機(jī)最重要和最主要的參數(shù)之一。主軸電機(jī)功率的選擇合適與否直接決定著機(jī)床的綜合性能。如果主軸電機(jī)功率選擇過小，則無法達(dá)到預(yù)先設(shè)定的工作性能，無法高速、高效地強(qiáng)力切削齒輪;如果主軸電機(jī)選擇過大，將使得滾齒機(jī)刀架重量增加，體積龐大，機(jī)床結(jié)構(gòu)不緊湊。根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)理論可知，數(shù)控滾齒機(jī)主軸電機(jī)總功率為： 

　　其中：

　　式中：P工為滾切過程消耗的功率(kW)；P空為空載功率(kW)；δ 為傳動(dòng)效率，一般取 0.7 ～ 0.85；F 為滾切力(N)；V 為滾切速度(m/min)。為了計(jì)算滾切過程中最大的消耗功率，需計(jì)算滾切時(shí)最大的滾切力。滾切力的計(jì)算依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

　　化簡(jiǎn)得：

        式(5)～式(9)中，m 為滾刀法向模數(shù)(mm)，S 為滾刀軸向進(jìn)給量(mm/r)，n主滾刀轉(zhuǎn)速(r/m)，f 為滾刀耐用度(min)，T為吃刀深度(%)，t_h 為滾切深度(mm)， v 為滾刀切削線速度(m/min)，z 為工件齒數(shù)，K₁ 為工件材料修正系數(shù)，K₂ 為工件硬度修正系數(shù)，K₃ 為工件螺旋角修正系數(shù)，d_h 為滾刀主軸外徑(mm)。

　　結(jié)合式(2)～式(9)，化簡(jiǎn)后得到滾齒主軸總功率為：

　　3 高速干切滾齒主軸冷卻

　　高速干切滾齒加工過程中，由于高速旋轉(zhuǎn)，鐵屑產(chǎn)生的熱量會(huì)被快速帶走，不會(huì)對(duì)主軸產(chǎn)生較大的影響。主軸熱量的產(chǎn)生主要是力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)熱和軸承發(fā)熱。由于轉(zhuǎn)子和軸承都在主軸殼體內(nèi)部且均屬于高速轉(zhuǎn)動(dòng)，自然散熱條件差，產(chǎn)生熱量大，很容易造成主軸熱位移和熱變形導(dǎo)致主軸性能下降，從而影響齒輪加工精度。因此，必須采用主軸內(nèi)部強(qiáng)制冷卻的措施。對(duì)于高速干切主軸的力矩電機(jī)和軸承采用外加循壞冷水或冷油的方式，可以達(dá)到降溫的效果，使整個(gè)主軸系統(tǒng)維持在恒溫狀態(tài)下，有利于提高主軸壽命和齒輪加工精度。

　　4 結(jié)語

　　本文分析了高速干切滾齒主軸的設(shè)計(jì)思路和理論依據(jù)，給出了高速滾齒主軸轉(zhuǎn)速和電機(jī)功率計(jì)算公式，提出了滾齒主軸冷卻設(shè)計(jì)思路，為設(shè)計(jì)新型高速干切滾齒機(jī)主軸裝置提供了理論參考。此外，這些理論依據(jù)也可以向其他類型主軸推廣和使用。