第四章机床ZF变速箱有限元建模及温度场分析
随着工业发展水平的不断提高,大型镗铣加工中心所要达到的不仅仅是高速的切 削,同时也要实现大扭矩的切削。一般情况下,扭矩与转速这二者成反比,也就是说 很难在同一台加工中心上实现这二者的结合。而在主轴传动系统中应用ZF减速箱就 能很好地解决这个问题。TH6213卧式镗铣加工中心,采用的是ZF两级齿轮箱减速, 主轴电机经过联轴器与I轴相连,将扭矩传递给减速箱,再由I轴通过齿轮传动,将扭 矩传递给II轴,最终,由II轴再次通过齿轮传动将扭矩传递到主轴,完成两级变速过程。 在这个扭矩传递的过程中,传动齿轮之间因相互啮合而产生热量,同时,齿轮轴安装轴 承也会因高速运转而产生热量,二者构成了变速箱热量的主要来源。
变速箱在工作过程中,如果产生的温度过高,将会对传动齿轮的使用寿命产生影 响,造成其发生热变形,进而影响齿轮传动比;同时,减速箱直接安装在机床主轴箱 上面,热量以热传导的方式传递给主轴,影响主轴的热平衡。本章主要对机床ZF减 速箱进行有限元建模分析,为接下来机床主轴箱的温度场建模提供条件。
4.1 TH6213主轴ZF变速箱机构以及齿轮副建模分析
4.1.1 TH6213主轴ZF变速箱结构
ZF变速箱可以实现对柔性材料的高速加工,同时保证较高的工作效率;也可以 实现对硬质材料的高切削力加工;当ZF变速箱采用1:1的传动比时,可获得较高的主 轴转速,若是采用1:4或1:1.5的传动比,则可以实现低转速大转矩[6Q]。
TH6213卧式镗铣加工中心ZF变速箱的外观如图4.1、4.2所示,内部构造如图4.3 所示。由图中可以看出,传动过程并不复杂,由两级斜齿轮传动构成。由电机直接带 动齿轮,这种方式具有传动功率受电机功率限制,无磨损间隙的特点;同时,齿轮传 动相比带轮传动具有结构紧凑、效率高以及寿命长等特点。
主轴ZF减速箱内部齿轮啮合情况如图4.4所示,轴I通过联轴器与电机相连,扭 矩通过联轴器传递给轴I,然后轴I通过啮合齿轮传递给轴II,轴II再将扭矩传递给镗铣加工屮心主轴部件热特性分析 第四章机床ZF变速箱有限元建模及温度场分析
主轴,期间通过啮合齿轮齿数的变化来调整转速,最终完成减速过程。本文考虑机床 跑车一般转速,取转速2500r/min。
如图4.5所示,在一对齿轮的啮合过程中,轮齿啮合的起始点为从动轮齿顶圆与 嗤合线(州奶)的交点,即52。嗤合传动进行中,齿廓嗤合点沿嗤合线移动,一直到 出,即主动轮齿顶圆与啮合线的交点。然后两齿脱离。所以,并不是全部的齿廓都参 与齿轮的啮合,实际参与啮合的只是图中所示的阴影部分,这一部分也是发生摩擦的 部分。
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