（精密仪器及机械专业论文）Y7125渐开线凸轮廓形精化的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 高精度标准齿轮是机械工业中必需的精密传动部件，其广泛应用于仪器制造业与国 防领域，它的制造精度是一个国家齿轮制造水平的一个重要标志。作为齿轮加工中的一 个重要指标，齿廓偏差的大小直接影响齿轮传动的冲击、振动以及承载能力，因此减小 齿廓偏差可以从诸多方面改善齿轮传动中存在的问题。磨齿是实现高性能齿轮制造的主 要工艺方法，它可以最大程度地提高齿形精度，减小齿廓偏差。靠模式大平面砂轮磨齿 机，由于结构简单、传动链刚度高，主要用来磨制高精度渐开线齿形。 渐开线凸轮作为此类齿轮磨床的标准靠模附件，它的廓形偏差很大程度上决定了被 磨齿轮的渐开线齿形准确度，因而进一步精化此凸轮的廓形可以有效地提高磨床磨齿展 成精度，并最终提高磨制齿轮的齿廓精度。双盘式渐开线凸轮磨削装置采用双基圆盘精 密机械展成机构来复现理论渐开线轨迹，与被磨渐开线凸轮的实际廓形相比较得出廓形 偏差，进而将它作为加工余量去除掉实现精密磨削。该装置符合渐开线发生原理，结构 简单，传动链短及误差源少，能满足精密加工渐开线凸轮面形的要求。 本文首先对双盘式渐开线凸轮磨削装置的精密展成机构进行了研究。设计研制了渐 开线凸轮组件，选用最佳误差补偿方法装配组件中的各个零部件，最大程度地减小凸轮 的综合径向安装误差，并进行精密装配实验，保证了渐开线的展成准确度。 其次，针对该磨削装置中影响加工精度的关键部件，对其位置精度和运动精度的检 测与调整方法进行了系统研究。分别对砂轮主轴轴线、电机与砂轮轴线的同轴度、龙门 架、驱动架、砂轮修整器及凸轮组件静平衡等进行了检测与调整。 借助动态信号分析仪与传感器搭建了振动实验平台，针对该磨削装置进行了减振箱 振动状况的振动检测与诊断。通过对实验后振动信号的提取与分析，采取了减振措施， 有效地减小了整个装置的振动。 研究了该磨削装置中磨削接触线位置偏差、基圆盘综合偏差以及基圆盘、凸轮与芯 轴组件装配偏心等误差因素对渐开线凸轮加工精度的影响，并建立起相应的数学模型， 为进一步精密调整及改进该装置奠定了理论基础。 最后，在搭建好的实验平台上进行了磨削实验，磨削后的实验数据表明该磨削装置 可以完成对渐开线凸轮的精密加工工作。 关键词：渐开线凸轮；双盘式装置；精密磨削；廓形偏差 y 7 1 2 5 渐开线凸轮廓形精化的研究 r e s e a ：ho nh i g h p r e c i s i o ng r i n d i n go fi n v o l u t ec a ro fg r i n d e ry 7 125t(esearclao nt m n d l n go ti n v o l u t ea mo tu r i n d e ry11 - a bs t r a c t b e i n gb a s i ct r a n s m i s s i o np a r t s ，h i g h - p r e c i s i o nm a s t e rg e a r sa r ew i d e l yu s e di nn a t i o n a l d e f e n s ea n de q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gf i e l d s ，a n dt h e i rm a n u f a c t u r i n ga c c u r a c yi sa l l i m p o r t a n ts i g nt oe v a l u a t eg e a rm a n u f a c t u r i n gl e v e lo fac o u n t r y a sa l li m p o r t a n ti n d i c a t o ro f g e a rm a n u f a c t u r i n g , 1 h et o o t hp r o f i l ed e v i a t i o nd i r e c t l yi m p a c t so ng e a rd r i v en o i s e ，v i b r a t i o n a n dc a r r y i n gc a p a c i t y s or e d u c i n gt h ee r r o rc a r li m p r o v el o t so ft h ee x i s t i n gp r o b l e m sf o r g e a rt r a n s m i s s i o n n o w a d a y sg r i n d i n gp r o c e s sc a l li m p r o v eg e a r sp r o f i l ea c c u r a c ya tt h e g r e a t e s te x t e n t g e a rg r i n d e rw i t hi n v o l u t ec a m - l i n k s t o p p e ri su s u a l l yu s e df o rg r i n d i n g h i g h p r e c i s i o nm a s t e rg e a r sf o r i t sh i g h e rr i g i d i t y & t r a n s m i s s i o nc h a i na n d s i m p l es t r u c t u r e t h ei n v o l u t ec a ma sa l la c c e s s o r yo fy 712 5i su s e df o rg e n e r a t i n gt o o t hf o r mo fa n i n v o l u t eg e a r ，a n di t sp r o f i l ee r r o ri so n eo ft h ef a c t o r sw h i c hd e c i d et h et o o t hf o r mp r e c i s i o n o fg e a r t h e r e f o r e ，i m p r o v i n gt h ep r o f i l ea c c u r a c yo fi n v o l u t ec a mc a ne f f e c t i v e l yi n c r e a s et h e p r e c i s i o no fg e a r ag r i n d i n gd e v i c ew i 也d o u b l e - d i s cm a k e su s eo ft w ob a s ed i s c sp r e c i s i o n m a c h i n e r yt og e n e r a t et h e o r e t i c a li n v o l u t ew h i c hi sc o m p a r e dt ot h ea c t u a li n v o l u t ep r o f i l eo f c a mt oo b t a i np r o f i l ed e v i a t i o n f o rl e s se r r o rs o u r c e sa n de r r o r sh o m o g e n i z a t i o nb e t w e e ni t s d o u b l eb a s ed i s c s ，t h ed e v i c eh a st h ep o t e n t i a lo fa c c o m p l i s h i n gah i g hp r e c i s eg r i n d i n go f i n v o l u t ec a m s f i r s t l y ，p r e c i s eg e n e r a t i n gm a c h i n e r yo ft h ed e v i c ew a ss t u d i e di nt h i sp a p e r ai n v o l u t e c a mc o m p o n e n tw a sd e s i g n e d ，a n di tc o n s i s t e do ft h ei n v o l u t ec a ms e c t i o n , t h em a n d r e la n d t w ob a s ed i s c s m a n u f a c t u r i n gc o m p e n s a t i o nm e t h o dw a su s e dt oa l i g nt h ec o m p o n e n t ，a n d g e n e r a t i n gi n v o l u t ee r r o rc a u s e db yc o m p o n e n t se c c e n t r i c i t yw a sr e d u c e dt ot h em i n i m u m s u b s e q u e n t l y ，m e a s u r e m e n t a n da d j u s t m e n tm e t h o d so fk e y c o m p o n e n t s w e r e s y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c h e d , w h i c hm a i n l yi n c l u d e dg r i n d i n gw h e e ls p i n d l ea x i s ，c o u p l i n g e c c e n t r i c i t y ，g a n t r yf r a m e ，d r i v i n gp l a t e ，w h e e ld r e s s e ra n ds t a t i cb a l a n c eo fc a mc o m p o n e n t v i b r a t i o ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw a sb u i l tb ym e a n so fd y n a m i cs i g n a la n a l y z e ra n d s e n s o rt ot e s ta n dd i a g n o s t i c a t et h ed e v i c e b yc o l l e c t i n ga n da n a l y z i n gt h ev i b r a t i o ns i g n a l ， v i b r a t i o ns o u r c ew a se s t a b l i s h e d f i n a l l yr e d u c i n gv i b r a t i o nm e a s u r e sw e r ef o u n d t h em a i ns o u r c e so fg r i n d i n gp r o f i l ee r r o r sw e r ea n a l y z e d ，i n c l u d i n gc o m p r e h e n s i v e d e v i a t i o no fb a s ed i s c s , e c c e n t r i c i t yo fc o m p o n e n ta n dt h ep o s i t i o nd e v i a t i o no fg r i n d i n g t a n g e n tl i n e a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s ，e r r o rm a t h e m a t i c a lm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e d ，a n d e v a l u a t i o no fg r i n d i n ge r r o rw a sr e a l i z e dt h r o u g ht h em o d e l s ，w h i c hl a i dat h e o r e t i c a l f o u n d a t i o nf o r 也ea d j u s t m e n to fd e v i c e 一i i 大连理工大学硕士学位论文 f i n a l l y ，g r i n d i n ge x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u to nt h ed o u b l e d i s ci n v o l u t eg r i n d i n g d e v i c e t h ee x p e r i m e n t a ld a t as h o w st h a tt h ed e v i c ei sa b l et oa c c o m p l i s hh i g h - p r e c i s i o n g r i n d i n go fi n v o l u t ec a m k e yw o r d s ：i n v o l u t ec a m ；d o u b l e d i s cd e v i c e ；p r e c i s i o ng r i n d i n g ；p r o f i l ee r r o r i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：y ! 1 2 1 逝匠绫凸笙座丝鳖焦鲍珏窒 作者签名：牲l 魄斗年生月生日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 齿轮是依靠齿的啮合传递扭矩的轮状机械零件。齿轮通过与其它齿状机械零件( 如 另一齿轮、齿条、蜗杆) 传动，可实现改变转速与扭矩、改变运动方向和改变运动形式 等功能。近年来，随着科学技术的发展，尽管采用电气及液压传动装置日益增加，但由 于传动可靠、效率高、平稳、功率范围大和易于安装等优点，齿轮机构仍是车辆、航空、 船舶、工程机械及国防工业等行业重要而广泛采用的传动元件，其设计与制造水平直接 影响到工业产品的质量。现代齿轮技术已达到：齿轮直径由1 毫米1 5 0 米；齿轮模数 0 0 0 4 - - - - 1 0 0 毫米；转速可达十万转分；最高的圆周速度达3 0 0 米秒；传递功率可达十 万千瓦。 齿轮在传动中的应用很早就出现了。远在公元前4 0 0 - - - 2 0 0 年的中国古代就开始使用 齿轮，在中国山西出土的青铜齿轮是迄今已发现的最古老齿轮，作为反映古代科学技术 成就的指南车就是以齿轮机构为核心的机械装置。古希腊哲学家亚里士多德在机械问 题中，阐述了用青铜或铸铁齿轮传递旋转运动的问题。最早出现的齿轮，采用硬木制 造，其齿形多是直线形，随后出现了齿形为圆弧的铜制和铸铁齿轮。1 7 世纪，齿轮采用 手工进行单件生产。1 7 世纪末，人们开始研究能正确传递运动的轮齿形状。1 8 世纪欧 洲工业革命以后，齿轮传动的应用目益广泛，先是发展摆线齿轮，而后是渐开线齿轮。 铸造工艺仍然是齿轮制造的主要方法。落后的、低效率的生产方式促使人们研究和制造 切齿机床和刀具。直至1 9 世纪末，展成切齿法的原理及利用此原理切齿的专用机床与 刀具的相继出现，使齿轮加工具有较完善的手段后，渐开线齿形才显示出巨大的优越性。 齿轮传动在我国的发展是从渐开线齿廓起步的。渐开线齿廓具有中心距敏感性小， 可进行各种变位和修形设计，易于进行精密加工、互换性好等一系列优点，因而在技术 上最成熟，应用最具备条件，因此使用也最普遍，并在机械传动设计中，占有主导地位。 从5 0 年代起，在一般与重要的设备传动系统中，都采用渐开线齿轮，限于当时的制造 水平，多数齿轮传动采用定轴式结构，普遍使用以调质热处理为主的软齿面齿轮。1 9 5 8 年，我国开始研究与应用单圆弧齿轮。1 9 7 0 年以后，我国由单圆弧齿轮发展为双圆弧齿 轮，即由单凸圆弧或单凹圆弧组成齿廓发展为由凸凹圆弧上下分段组成的单一齿廓形 式。7 0 年代末，随着国外机械产品的引进与齿轮制造水平的提高，齿面经渗碳淬火、 氮化或感应淬火处理的硬齿面渐开线齿轮开始为人们所重视。8 0 年代末，我国己初步具 备了硬齿面渐开线齿轮的制造能力，齿轮加工精度一般为6 7 级，高精度齿轮可达4 5 级。与此同时，硬齿面双圆弧齿轮技术也有新的发展，成功研制了齿面经氮化处理的硬 齿面双圆弧齿轮。我国在七八十年代曾制造出中小模数的标准齿轮，其精度已经达到 y 7 1 2 5 渐开线凸轮廓形精化的研究 d i n 标准2 级及2 级以上水平，可以说我国的超精密齿轮制造水平已经达到了世界先进 水平。但就整个齿轮行业来说，与世界先进水平仍有很大差距，特别是与国外采用的高 精度、高硬度和高效率的齿轮制造技术与在线检测技术相比，国内的齿轮制造水平整体 质量差、可靠性低、寿命短。同时，由于材料性能、质量控制与检测水平的差距，齿轮 制造精度普遍比国外同类产品低1 2 级。 齿轮产品的质量和性能，除依赖于合理且先进的设计方法外，主要决定于齿轮制造 水平的高低。对于不同类型的齿轮，齿廓形状、齿面硬度、结构形式、精度等级与生产 条件，可选择不同的工艺方案。一般来说，齿轮制造工艺过程包括材料制备、齿坯加工、 切齿、齿面热处理和齿面精加工等五个阶段。齿形加工是齿轮加工的核心和关键，目前 齿轮制造主要用切削加工，也可以用铸造或碾压( 热轧、冷轧) 。切削加工方法主要有 铣齿、插齿、滚齿、剃齿、珩齿、磨齿、研齿等，其中磨齿和研齿的加工精密最高，为 超精密齿轮加工所广泛采用。根据尺寸、材料和性能等不同的要求，采用不同的工艺方 案。 近年来由于机器制造的迅速发展，对于机器制造中高速运转的齿轮，以及精密传动 的齿轮等提出了更高的要求，要求齿轮在啮合传动时平稳、效率高、传动比正确、耐磨 损、传动功率大、振动小和噪音低等，即对齿轮的加工精度问题提出了挑战。而这对于 用一般齿轮加工方法( 如滚齿、插齿、铣齿等) 加工出来的齿轮精度往往是不能满足要 求的。因此，为了解决这些矛盾，提出了齿轮在滚齿或插齿后的进一步精加工方法问题。 对于精加工该采取何种方法成了精密齿轮制造业中人们一直关注的问题，磨齿就在此种 形势下应运而生。 1 1齿轮的磨齿加工技术与发展趋势 1 1 1 磨齿加工技术的发展与工艺特点 磨齿加工曾被认为是一种用于航空或其它高技术领域的昂贵齿轮加工手段。作为齿 轮的精加工手段，采用磨齿工艺已经有几十年历史，其主要用于加工精密分度齿轮，修 配用高精度齿轮和剃齿刀，插齿刀精加工等场合，但由于不是成本太高就是效率太低， 使它们从来未能进入大量生产的领域。直到蜗杆砂轮磨齿机的问世，才使得磨齿工艺作 为一种较高效率的齿轮精加工工艺在批量生产中得到广泛应用。但现在，观念已经改变， 磨齿机的效率提高，砂轮性能也更好，高额成本得以大幅下降。由此，磨齿加工已开始 大规模应用于齿轮加工中，如汽车、摩托车齿轮的制造，而且已达到普遍应用的程度。 事实上，所有一级汽车齿轮供应商为保持竞争力，已普遍拥有磨齿机。汽车工业在未来 2 5 年内将逐渐成为硬齿面加工最大的增长市场。由于磨齿加工能去掉热处理畸变，因 大连理工大学硕士学位论文 此许多齿轮箱均使用磨削齿轮，以更好地控制传动空程和噪音。磨齿加工在整个齿轮行 业中已基本成熟且其应用也在快速增长。 磨齿工艺最早用于磨削插齿刀，首先出现的是大平面砂轮磨齿机。2 0 世纪初，随着 汽车工业的发展，齿轮制造工艺也迅速发展，德国和美国先后研制出锥形砂轮磨齿机和 成形砂轮磨齿机。而对齿轮精加工技术最具有促进意义的是1 9 1 4 年瑞士马格公司发明了 碟形双砂轮磨齿机，它首次使用了砂轮磨损自动补偿技术，从而使制造精密齿轮成为可 能，显著提高了齿轮磨削精度，但这种磨齿机效率很低。直n 2 0 世纪3 0 年代后期，瑞士 研制出蜗杆砂轮磨齿机，磨齿工艺才成为一种较高效率的齿轮精加工工艺。7 0 年代末、 8 0 年代初期，德国赫夫勒公司和卡普公司相继开发了数控锥面砂轮磨齿机和数控成形砂 轮磨齿机，从而开创了数控磨齿机的先河。近年来，由于c n c 修整技术的成熟和c b n 砂轮 的应用使得成形磨齿法克服了固有的弱点而获得了新生，在砂轮修整方法、磨齿方法、 磨削工艺等方面有了很大的发展【l 吲。 除磨齿工艺外，其它齿轮精加工方法还有剃齿法、研齿法、珩齿法、滚压法等 4 】。 与其它的精加工方法相比，磨齿工艺主要有以下几方面的优点： 加工精度高和精度稳定性好。磨齿采用砂轮进行切削，砂轮形状简单( 蜗杆砂 轮除外) ，便于修整，易于保证其精度，切削速度稳定，可以最大的提高齿形精度。 与剃齿精加工相比，磨齿工艺可用于加工淬硬齿轮，特别是对于齿形精度要求 很高的标准齿轮、精密分度齿轮、修配用高精度齿轮和各种齿轮刀具等的精加工。 与研齿、珩齿精加工相比，磨齿工艺可以有效地纠正齿轮的各项偏差，即磨齿 工艺与磨齿前的齿轮精度无关。研齿本身不能提高齿形精度，而只能巩固已有的齿形精 度；珩齿的主要效果仍是提高齿形光洁度，校正齿向误差和改善齿面的接触情况，它的 加工精度主要取决于珩齿前的齿轮加工精度，且与齿轮的热处理变形有关。 由于磨齿采用的切削刀具是砂轮，所以其刀具制造简单。 1 1 2 磨齿机及其最新发展动态 目前根据齿形形成原理的不同，磨齿机主要分为成形磨齿机和展成磨齿机两大类。 而展成磨齿机又可以根据砂轮形状的不同分为：锥形砂轮磨齿机、蝶形砂轮磨齿机、大 平面砂轮磨齿机( 渐开线凸轮磨齿机) 和蜗杆形砂轮磨齿机。 ( 1 ) 成形磨齿机及磨齿现状 成形磨齿原理见图1 1 ，其砂轮是通过金刚石笔或金刚石滚轮依照标准模板修整成与 齿轮的齿槽形状完全一样，最终依靠成形砂轮来磨削齿形的。成形法的磨削过程是线接 触，这是成形磨齿法显著的特点。成形法磨齿过程中，砂轮与齿槽两侧的齿面能够同时 y 7 1 2 5 渐开线凸轮廓形精化的研究 全齿高的啮合，故砂轮磨损慢，磨削效率高0 1 。所有成形磨齿机都采用单齿分度，磨削 轴向走刀来实现全齿宽的磨削。机床的主要运动有砂轮的转动和工件的轴向进给以及分 度运动。 _ ：；l i # g 月端 圈ii 成形磨齿 f i g 1 l f o r m 鲥n d i n g o f g e a r s 国1 2 展成磨齿 f i g 12 g e n e r a t i n g 印n d i n g o f g e a r s 限制高精度成形磨削有两个关键问题m 】：一是成形砂轮质量，主要是砂轮必须同时具 有良好的形廓保持性和自砺性，而这两者往往是有矛盾的。二是砂轮的修整技术，即经 济、高效的获得所要求的砂轮形廓和锐度。近几年来，随着砂轮修整技术及精度的提高， 成形砂轮磨齿机也可以磨制精度比较高的标准齿轮。如德国k 印p 小i l e s 公司研制的 v u s 5 5 p 数控成型砂轮磨齿机、意大利s a m p u t e r t s l l i 公司生产的s 3 7 5 g 数控成型磨床、英 m h o l r o y d 公司研制的g t g 2 齿轮磨削中心 7 - 1 0 等都属于成形法磨齿机，最高磨齿精度都可 达d i n 2 1 1 1 级以上。c n c 成形砂轮磨齿机都配有先进的数控砂轮修整器，咀实现砂轮的在 线拓扑修形，补偿偏差，确保精密磨齿。 ( 2 ) 展成磨齿机及磨齿现状 展成磨齿原理见图1 2 ，是以模拟齿条与齿轮的啮合过程为基础的，一般都是由一个 或两个砂轮修整的直线形轮廓表面构成假想的齿条。砂轮只有绕自身的轴线的回转运 动，不作移动，而是由被磨齿轮在该假想齿条上作无滑动的纯滚动。齿轮齿形是通过工 件和砂轮经过分齿交换齿轮和展成交换齿轮，互为包络而形成的。 展成磨齿机所用的砂轮是通过金刚石笔或金刚滚轮把砂轮修成一面或双面的齿条， 机床主要运动有展成运动、砂轮旋转、分度运动和轴向进给。由于磨齿是依靠展成来获 得齿轮齿形的，所以齿形精度主要依赖于机床展成运动的精度。展成磨齿机，其展成运 0啪雠。、0 m茎辩 0蝴黜疆v阳黟麓 大连理工大学硕士学位论文 动的实现又分两类：一类是采用钢带和滚圆盘以形成展成运动，例如国产的y 7 4 3 2 磨齿 机、g l e a s o n p f a u l e r h u r t h 集团研制的s r s 4 0 5 数控大平面砂轮剃齿刀磨齿机及锥面砂轮 磨齿机等；一类是采用渐开线凸轮一档块以形成展成运动。例如国产的y 7 4 3 1 和y 7 1 2 5 型磨齿机、美 ! 拘n a f i o n a l1 抽l 型磨齿机、前苏联的5 8 9 2 a 和5 a 8 9 3 c 磨齿机等1 1 2 - 1 3 1 。渐 开线凸轮一档块式由于具有较高的传动链刚度因而磨齿精度较高，为超精密齿轮加工所 广泛采用。 图1 3r e i s h a u e r 公司生产的超持金刚滚轮 f i g i ju l h a p r e c i s i o nd i a m o n d a r 黜i a g w h 比l s 图14y 7 1 2 5 磨齿机 f i g 14 y 7 1 2 5g e a r 咖d h g a m o h i n e 蜗杆砂轮磨齿机也是一种采用展成磨齿法且磨齿效率较高的磨齿机。目前，生产磨 齿精度最高的蜗杆砂轮磨齿机的是瑞士r e i s h a u e r 公司，其开发的r z 3 0 0 e 及r z 3 0 1 s 磨齿 加工精度可达d 1 n 1 - - 2 级，稳定到d i n 3 级。r e i s h a u e r 公司新近研制的r z l 0 0 0 是目前国际 上以连续位移磨削方式，采用蜗杆砂轮来精密磨削齿轮系列产品中的加工工件直径最大 的齿轮磨床。它配置有自适应主轴控制系统，采用了独特的工件伺服传动装置，具有多 种形式的砂轮修整方法，极大地提高了磨削精度和生产效率，用它磨削一个模数为4 m m ， 齿数2 7 齿宽5 0t o n i 的直齿轮，磨削时间仅为08 2 m i n ，齿形精度达d d 崆级【l “。 艮i s h a 岍公司生产的镀金剧石修整砂轮的金刚滚轮精度可达d i n i 2 级【】“，如图13 所示。 y 7 1 2 5 型磨齿机，如图1 4 所示，是一种生产年代较久的国产太平面砂轮磨床，目前 在国内大约有1 0 0 0 多台。它采用渐开线凸轮一档块式结构展成磨齿，结构简单、传动链 刚度高具有较高的磨齿精度。主要用来磨削度量用的标准齿轮、插齿刀以及剃齿刀。 分析清楚y 7 1 2 5 磨齿的误差传递规律，对机床的关键部件，如主轴系及磨齿心轴、渐开 线凸轮、分度系统、砂轮修整器等进行改装精化后可磨制齿轮标准【1 1 中的2 级及其以上 超精密渐开线齿轮。 。一羡一 y 7 12 5 渐开线凸轮廓形精化的研究 1 2 渐开线齿廓偏差 作为齿轮加工质量的一个重要指标，齿廓偏差的大小直接影响齿轮承载能力大小， 噪声大小及传动质量的高低，因此减小齿廓偏差可以从诸多方面改善现有齿轮传动存在 的问题。在评定齿轮精度等级的偏差检测项目中，渐开线齿廓偏差是必检参数之一。 1 2 1 齿廓偏差定义 齿廓偏差是评定齿轮几何精度的基本项目之一，它是指实际齿廓偏离设计齿廓的量 值，在端面内且垂直于渐开线齿廓的方向计算值。2 0 0 2 年颁布的g b t1 0 0 9 5 1 - 2 0 0 1 渐开线圆柱齿轮精度第1 部分：轮齿同侧齿面偏差的定义和允许值及g b z 1 8 6 2 0 1 2 0 0 2 圆柱齿轮检验实施规范第1 部分：轮齿同侧齿面的检验等标准对齿廓总偏差、 齿廓形状偏差、齿廓倾斜偏差进行了定义【1 8 】，如图1 5 所示。 图1 5 齿廓偏差展开图 f i g 1 5 t h ec u r v eo ft o o t hp r o f i l ed e v i l a t i o n 齿廓总偏差( f a ) ：在计算值范围l a 内，包容实际齿廓迹线的两条设计齿廓迹线间 的距离。 齿廓形状偏差( f ，j ：在计算值范围内，包容实际齿廓迹线的两条与平均齿廓迹线完 全相同的曲线间的距离，且两条曲线与平均齿廓迹线的距离为常数。 齿廓倾斜偏差( f h 伍) ：在计算值范围内的两端与平均齿廓迹线相交的两条设计齿廓迹 线间的距离。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 1 2 2 齿廓偏差产生的原因分析 齿轮的加工方法很多，齿廓偏差产生的因素也错综复杂，但般来讲主要是由刀具 的齿形误差、安装误差以及机床传动链误差等因素造成的【1 9 1 。在这里，主要分析渐开线 齿廓偏差产生的原因。 渐开线齿轮的齿廓偏差一般要用专门的齿形检查仪来测量，得到齿轮的齿廓偏差曲 线。曲线的横坐标表示渐开线的展开长度l 或展开角度( p ，纵坐标表示各个测量点的齿 形误差值，即渐开线展开长度的误差l i 。根据齿廓偏差的评定标准，确定偏差曲线的 评定区间，在此范围内计算得出齿廓偏差大小。若被检查的齿形与理论渐开线没有偏差， 则在记录图上画出平行于横坐标的直线。 根据渐开线的形成原理知，渐开线的展开长度l 为： = ，( p = 竽，( p ( 1 1 ) 其中，r b 为渐开线理论基圆半径；( p 为渐开线的展开角度；q 为压力角。 对上式进行全微分并取增量形式，得 址= 纰9 + r b 却 ( 1 2 ) 或 a l = 一幽s i n 包a 仅+ m z - c o s q a 9 ( 1 3 ) 22 由式( 1 2 ) 和( 1 3 ) 分析可知，齿廓偏差有两部分组成。第一部分是由渐开线基 圆半径的变化r b 或是压力角的变化旺引起的渐开线齿廓倾斜偏差( f h j ，以齿廓偏差 曲线上的中线在评定区间内相对于横坐标的最大倾斜值来度量。其主要的工艺原因是刀 具的齿形角有误差【2 0 1 。这是因为：在加工过程中，齿形角误差c 【可以被认为是定值， 则有l 与( p 为线性关系。如果没有其它的误差因素，由齿形角误差造成的齿廓偏差曲 线应为一条与横坐标有一定倾斜角度的直线。第二部分是由渐开线展开角度的变化( p 引起的渐开线齿廓形状偏差( ) ，以齿廓偏差曲线上沿中线方向所作的两条能包容齿廓 偏差曲线的平行直线在纵坐标方向上的距离来度量。其主要的工艺原因是机床的传动链 误差。由于机床的传动链比较长，而其中不少因素具有随机性，所以加工出齿轮的齿廓 偏差曲线为一条偏离直线的波浪形曲线。 1 2 3 齿廓偏差的检测 根据设计齿廓的形成方式，渐开线齿廓偏差测量方法有三种2 1 之4 】：一是标准轨迹法， 又称展成法，根据渐开线的展成原理，将被测齿廓与仪器复现的理论渐开线轨迹进行比 较，从而测出齿廓误差；二是坐标法，将被测齿廓上的若干点的实际坐标与理论坐标进 y 7 1 2 5 渐开线凸轮廓形棒化的研究 行比较，从而计算得出齿廓误差；三是标准曲线法，即实际齿廓经投影仪放大后的影像 与理论齿廓的放大图进行比较，从而测出齿廓误差。 在上述三种检测方法中，标准曲线法主要用于小模数齿轮的检测，而且测量精度较 低，在实际渐开线齿廓测量中，主要采用标准轨迹法与坐标法。其中标准轨迹法又可分 为：机械展成法和电子展成法。机械展成法代表测量仪器有哈尔滨量具刃具厂的3 2 0 2 g 、 德国m a r h 的8 8 9 、瑞士m a a g 的f p 6 0 和s p 6 0 以及大阪精机g c - 4 h 和g c - 6 h 等；电 子展成法代表测量仪器有哈尔滨量具刃具厂3 9 0 3 、g l e a s o n - m a h rg m x 2 7 5 、k l i n g e l n b e r g 公司p 系列菩。采用坐标法测量齿廓偏差的典型测量仪器有成都工具研究所c e n 4 5 0 、 z e i s s u p m c8 5 0 以及k l i n g e l n b e r g p e c 3 3 等。 13 渐开线凸轮及其加工方法 凸轮机构在机械领域已得到广泛应用，尤其是在各种自动机械上例如各种自动或 半自动机床、矿山机械、印刷机械和各种轻工机械等。应用的场合不同，所用的种类也 有所不同。凸轮按形状可以分成三太类：盘形凸轮、移动凸轮和圆柱凸轮。盘形凸轮 又称平板凸轮，是一个具有变化向径的盘形构件。当它绕固定轴转动时t 可推动推杆在 垂直于凸轮轴的平面内运动。移动凸轮可看作回转轴心在无穷远处的盘形凸轮。圆柱凸 轮是一个在圆柱面上开有曲线凹槽，或是在圆柱端面上作出曲线轮廓的构件。当它转动 时，其曲面不是在半径方向变化，而是在轴向方向变化，它的曲线凹槽或轮廓曲面可推 动推杆产生预期的运动。 图1 6 渐开线凸轮 f i g 1 6 t h e i n v o l u t ec a m 区二 本文提到的渐开线凸轮是盘形凸轮的一种，其型面曲线为渐开线，如图1 6 所示， 通常用t i o a 或t 1 2 a 材料制造，经淬火处理，凸轮面形硬度为h r c 6 0 6 4 。它是靠模式 齿轮磨床上形成齿轮渐开线齿形的标准靠模，是机床可更换的重要附件。 大连理工大学硕士学位论文 制造凸轮的关键是凸轮型面的加工，型面的加工有多种方式，按照切削运动学原理， 凸轮型面的切削加工方式大致可以分为三类【2 5 】： ( 1 ) 成形法一凸轮型面的母线是由刀具切削刃形成的。一般用于较小的凸轮型面 的加工制造。 ( 2 ) 包络法一凸轮型面的母线不是切削刃，而是由切削刃上- 4 , 段的连续位置包 络而成。这种方法包括凸轮型面的仿形加工法、数控机床加工法、“点描”加工法及手 动操纵铣削法等。 ( 3 ) 展成法一又称范成法，指已加工表面是刀具与工件啮合而展成的。刀具安装 在铰链多杆机构中的摇杆某点上，摇杆在运动的过程中，利用该点的运动轨迹来对凸轮 型面进行加工。 对于精度要求不高的渐开线凸轮，可以采用挂轮展成铣削法、斜面展成铣削法、机 械靠模装置仿形加工法以及数控铣床加工法等。文献【2 6 介绍了在车床上利用靠模仿形， 加工刹车凸轮渐开线外缘的原理、工艺装备和调整等。此类方法加工出的渐开线凸轮精 度取决于凸轮靠模的制造精度，以及工件与靠模的联接刚度。鉴于车床自身的加工特点， 它只能用于凸轮的粗加工或是半精加工。文献【2 7 介绍了在数控铣床上加工渐开线凸轮 型面的方法和步骤。这种方法对于二维曲线的加工具有通用性，工艺简单，制造工艺短， 但对于只具备直线插补和圆弧插补功能的数控机床，不能直接进行非圆弧曲线加工。为 保证加工渐开线凸轮的精度可靠，只能靠多段折线或圆弧去逼近渐开线凸轮的端面曲线 2 8 - 2 9 】。若是形成高精度的渐开线，则程序编制繁琐，生成效率低，且表面粗糙度也达不 到工艺要求。此外，对于批量加工渐开线凸轮型面，文献【3 0 】介绍了在拉床上用渐开线 凸轮拉刀进行凸轮的加工及渐开线外表面的拉刀制造工艺。它与一般仿形铣削加工渐开 线凸轮型面相比，产品的尺寸精度和表面粗糙度均有很大改善，且加工效率提高几倍。 但此种工艺的加工精度取决于拉刀外表面渐开线的精度，其对拉刀的制造精度和精度的 保持性有很高要求，且拉刀制造困难，容易磨损。 渐开线凸轮的精密加工一般采用磨削工艺。传统的工艺方法就是采用靠模仿形磨 削，虽然凸轮磨齿的类型很多，但都有类似的工件头架摇摆机构。摇架上装有支撑环， 它的顶端设置弹簧，让导轮和渐开线靠模凸轮紧靠在一起。头架主轴回转时，导轮与靠 模凸轮接触的同时还发生回转，将所要磨削的渐开线凸轮轮廓的摇摆运动传递给摇架， 于是工件回转中心与砂轮回转中心间的距离发生变化，因此磨削出所要求的渐开线凸轮 轮廓。此种靠模磨削加工方法，与车床的靠模仿形加工类似，除了渐开线凸轮靠模的曲 线误差、磨削时的仿形误差和砂轮直径大小的变化以及工件中心孔的制造精度外，摇摆 机构中靠模与导轮的接触状态和摇架的弹性变形也都会对被磨削的渐开线凸轮的型面 y 7 1 2 5 渐开线凸轮廓形精化的研究 精度有很大影响。此外，摇架频繁摆动引起的振动和砂轮主轴的振动易在磨削表面产生 波纹，且磨削效率不高【3 1 1 。近几年随着数控机床的不断发展，凸轮磨削从靠模仿形的普 通磨床加工发展为双靠模的c n c 高速磨床1 3 引，且采用了c b n 砂轮，消除了砂轮直径变 化引起的轮廓误差，同时被磨的凸轮不再在摇架上摆动旋转，而是固定在刚性好的顶尖 上，消除了工件系统的振动，具有较高的磨削表面质量。但c n c 凸轮磨齿的价格昂贵， 适用于大批量生成。 图1 7 单基圆盘式渐开线凸轮磨削装置 f i g 1 7 t h es i n g l e d i s cg r i n d i n gd e v i c eo fi n v o l u t ec a m s 齿轮磨齿生产厂家为机床配备附件，在制造渐开线凸轮时，多采用单基圆盘式渐开 线凸轮磨削装置，磨削原理图如图1 7 所示。这种装置符合渐开线的发生原理，结构简 单，又可以实现连续磨削加工，因而加工精度较高，生产效率也提高了。但每一个渐开 线凸轮都要有固定半径的基圆盘与之配合才能完成精密磨削加工，且对基圆盘的制造精 度有很高要求，因为基圆盘的制造半径误差、偏心误差等都将直接影响渐开线的展成精 度。 文献 3 3 介绍了渐开线样板的最终成型装置一双盘式渐开线磨削装置。此装置的磨 削原理除了符合渐开线发生原理之外，相对上述单基圆盘装置，它没有磨削工具和滑板 对导尺的阿贝误差；没有旋转主轴，也就没有回转轴系误差；采用双基圆盘结构，两基 圆盘的尺寸偏差与形位误差有误差均化效果，若合理配置两个基圆盘、芯轴与被磨凸轮 的偏心，能够最大限度地减小偏心对磨削精度的影响；导尺与导轨统一化，免除了导轨 直线性误差和两者平行度误差的影响。因此，双基圆盘式渐开线凸轮磨削装置，从磨削 原理上说是最佳的【3 4 】。长春光机所、哈尔滨量具刃具厂及德国的p t b 都选用了这一方 案来对渐开线进行精密加工。本课题采用的渐开线凸轮廓形磨削方法也是基于此方案。 大连理工大学硕士学位论文 1 4 本文的研究意义及内容 本文研究课题来源于：国家8 6 3 高技术研究发展计划资助项目“高精度标准齿轮及 齿轮刀具制造技术”( 2 0 0 8 a a 0 4 2 5 0 6 ) ；研究的内容是其中的一部分，主要负责y 7 1 2 5 磨齿机上渐开线凸轮的廓形精化工作。精化后的渐开线凸轮，用以替代磨床上一般精密 凸轮，使得磨制渐开线齿轮的齿形精度达到1 级精度。 标准齿轮的制造精度是一个国家精密齿轮制造水平的一个重要标志。按照制造精度 和作用来划分，标准齿轮可分为三种：工艺检查用，计量用和基准用。基准标准齿轮的 精度最高，它用于综合检查普通精度的标准齿轮，校验齿轮检查仪器以及作为标准蜗杆 的齿形基准。用于综合检查普通齿轮的标准齿轮，其精度要高于被检测齿轮2 3 级。对 于此类高精度标准齿轮采用一般的加工工艺制造，往往是不能满足精度要求的。目前， 磨齿工艺是实现高性能齿轮制造最常用的手段，其主要特点是可以全面纠正磨齿前的各 项误差，加工精度高，且精度稳定性和保持性好，可以最大限度地提高齿廓精度。展成 磨齿法作为磨齿的一类，可以根据展成运动的不同分为：钢带一滚圆盘式、渐开线凸轮 一档块式。y 7 1 2 5 型磨齿机属于凸轮一档块式，是一种大平面砂轮型磨齿机，目前在国 内应用比较多，主要用来磨削度量用标准齿轮、插齿刀以及剃齿刀。它结构简单、传动 链刚度高，能磨削出高精度的渐开线齿形。 本课题组为了磨制2 级精度及以上的超精密渐开线齿轮、a a 级插齿刀以及a a 级 剃齿刀，针对y 7 1 2 5 型磨齿机进行研究。弄清楚此磨齿机的误差传递规律，对其关键零 部件进行改装精化。改装与精化的工作主要有：主轴系及磨齿心轴的改装、渐开线凸轮 的廓形精化、分度系统的改装以及砂轮修整器金刚石笔的精密调整等。本文的研究内容 是改装精化工作中的渐开线凸轮廓形精化部分。 渐开线齿廓精度作为齿轮精度综合检测中的一个重要指标，其在y 7 1 2 5 上磨制的准 确度在很大程度上取决于渐开线凸轮。对于诸如y 7 1 2 5 此类靠模式齿轮磨床，机床本身 自带的渐开线凸轮的制造误差一般在3 岬左右，这对加工2 级精度及以上超精密齿轮 显得较大。若能精化磨床上渐开线凸轮的廓形，则可以有效地提高磨齿展成精度，并最 终提高磨床磨削齿轮的齿廓精度。近年来，国内外对于研究超精密渐开线凸轮的进展非 常缓慢，超精密渐开线凸轮的加工研制始终是个瓶颈，严重制约着2 级精度及以上超精 密齿轮的加工。 本文的研究内容简述如下： ( 1 ) 通过分析渐开线廓形的特征和展成原理，从渐开线凸轮工作的角度出发，研 制了双盘式渐开线凸轮磨削装置中渐开线精密展成机构一渐开线凸轮组件。凸轮组件的 设计，不仅用于凸轮的磨削加工，也用于测量。在充分分析组件中各零部件误差大小、 y 7 1 2 5 渐开线凸轮廓形精化的研究 方向及对展成精度影响的基础上，选用最佳误差补偿方法装配各元件，最大程度地减小 凸轮的综合径向安装误差，保证渐开线的展成准确度，并进行实验验证。 ( 2 ) 搭建双盘式渐开线凸轮磨削装置。对影响加工精度的砂轮主轴轴线、影响装 置振动的联轴节同轴度及其它装配部件的精度检测与调整方法进行研究并搭建了实验 平台；此外，在振动特征信号的提取及其识别分析的基础上，借助动态信号分析仪与加 速度传感器对砂轮主轴旋转状态进行