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，人們對滾齒主軸提出了越來越高的需求，同時對主軸轉(zhuǎn)速、主軸電機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)計高速干切滾齒機提供一定的理論參考。

　　1 高速干切滾齒主軸轉(zhuǎn)速設(shè)計

　　在滾齒加工中，主軸與工作臺轉(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、電機轉(zhuǎn)速和軸承轉(zhuǎn)速影響。隨著這幾年電機和軸承轉(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，目前我國硬質(zhì)合金滾刀和陶瓷滾刀的切削速度可以達到 200m/min，高速鋼涂層滾刀(TiN或TiALN)可以達到 250m/min，國外高速鋼涂層滾刀速度可達 300m/min 以上。

　　目前，我國大多數(shù)用戶使用的是高速鋼涂層滾刀，因為其耐磨性好，性價比高，實際轉(zhuǎn)速可以達到滾齒使用要求，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)，國內(nèi)常用為 1、2、3 頭，取滾刀頭數(shù)為 2。經(jīng)過計算，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，設(shè)計的高速滾齒主軸最高轉(zhuǎn)速為 6500r/m。同理，得到設(shè)計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時，既要滿足國內(nèi)市場對加工工件的要求，又要滿足滾刀的切削速度要求。

　　2 高速干切主軸電機選型

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

　　主軸電機形式 ：目前，滾齒常用的主軸電機形式主要有永磁同步主軸電機和直驅(qū)力矩電機。永磁同步主軸電機需配合齒輪傳動達到高扭矩，主要用于大規(guī)格大模數(shù)齒輪加工。直驅(qū)式力矩電機去除從電機到滾刀之間的所有傳動環(huán)節(jié)，實現(xiàn)電機和滾刀的直連，不需要齒輪傳動，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，電機直接驅(qū)動滾刀旋轉(zhuǎn)，很大程度上簡化了機床的設(shè)計結(jié)構(gòu)，使用比較普遍。滾齒加工為斷續(xù)切削過程，滾切加工時會對主軸電機產(chǎn)生較大的瞬時沖擊載荷，所以要求主軸在斷續(xù)沖擊工作條件下保持較高的運動精度和抗振性，以保證機床加工出高質(zhì)量的齒輪。

　　結(jié)合以上分析，永磁同步力矩電機結(jié)合了兩者的優(yōu)點，具有非常硬的機械特性，符合高速干切滾齒機直驅(qū)式主軸系統(tǒng)對驅(qū)動裝置的要求。同時，永磁同步力矩電機的轉(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。這一特點決定了永磁同步力矩電機具有很高的定位精度和很好的調(diào)速性能。另外，永磁同步電機的力矩波動小，響應(yīng)速度快，峰值轉(zhuǎn)矩高，且能夠承受頻繁起停、制動和正反轉(zhuǎn)。電機的抗過載能力也強，可靠性高，可工作于比較惡劣的加工環(huán)境。

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

　　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)。為了計算滾切過程中最大的消耗功率，需計算滾切時最大的滾切力。滾切力的計算依據(jù)經(jīng)驗公式計算：

　　化簡得：

        式(5)～式(9)中，m 為滾刀法向模數(shù)(mm)，S 為滾刀軸向進給量(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)生的熱量會被快速帶走，不會對主軸產(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，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)部強制冷卻的措施。對于高速干切主軸的力矩電機和軸承采用外加循壞冷水或冷油的方式，可以達到降溫的效果，使整個主軸系統(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)計思路和理論依據(jù)，給出了高速滾齒主軸轉(zhuǎn)速和電機功率計算公式，提出了滾齒主軸冷卻設(shè)計思路，為設(shè)計新型高速干切滾齒機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。