（机械电子工程专业论文）平面二次包络环面蜗杆数控磨床的开发及磨削研究.pdf

西华大学硕士学位论文 平面二次包络环面蜗杆数控磨床的开发及磨削 研究 机械电子工程 研究生：龙宇指导教师：黎亚元 平n - - 次包络环面蜗杆是我国学者自主成功开发的一种蜗杆，与普通的蜗 杆相比具有双线接触以及接触线和综合曲率半径大等优点，使它获得了广泛的 应用。因此对其加工设备的开发、研究成为了非常重要的工作。对于设备的开 发，本文进行了充分的理论论证，首先对平面二次包络环面蜗杆的理论加工工 艺的历史、现状和发展进行了概述。我们在前期开发了一台两联动的平n - - 次 包络环面蜗杆数控磨床，并对前期工作进行了总结和分析，讨论了其不足之处， 在此基础e 提出了一种四轴联动的全新加工工艺方案。论文从理论上对这种新 工艺进行了论证和分析，证明了采用虚拟电1 ) 方法四轴联动时，砂轮工作面完 成蜗杆啮合面的磨削在本质上与平面二次包络环面蜗杆磨削理论的致性，及 新工艺的优越性以及开发新设备的可行性。 在理论分析的基础上，本文讨论了四联动数控磨床的设计问题，包括机 床的总体设计、关键部件的设计，以及电控部分设计，磨床的切削实验，还重 点讨论了数控机床的插补算法和实际插补轨迹误差对产形面的影响。并在产形 面形成理论的基础上，讨论了产形面参数对磨削精度的影响。论文介绍了机床 的调整方案、加工实验方法等。目前已经成功开发出一台四联动平面二次包络 蜗杆的数控磨床，进行了一系列实际加工，该机床己成j r r j ；应用在实际生产中。 关键词：平面二次包络环面蜗杆数控磨床四轴联动产形面 西华大学硕士学位论文 d e v e l o p e da n dc u t t i n gs t u d yo fn cg r i n d i n g m a c h i n eo np l a n e - q u a d r a t i c - e n v e l o p ea n n u l a r ”白r l n p o s t g r a d u a t e ：l o n g y us u p e r v i s o r ：l i y a - y u a n t h e p l a n e - q u a d r a t i c - e n v e l o p e a n n u l a r w o r m i s i n d e p e n d e n t l y d e v e l o p e d b y 0 1 1 1 c o u n f f ys c h o l a r s s i n c e i t h a s f l a e a d v 锄t a g e s o f d o u b l e l i n e c o n t a c t , l a r g e r c o m p o s i t ec u r er a d i u s , c o m p a r e dw i t ht h en o r m a lw o r m , i th a sw i d ea p p l i c a t i o n s i n 面血l s 扛y i t i s v e r y 咖t o d e v e l o p a n d s t u d y i t s m a n u f a c t u r i n g e q u i p m e n t t h i s t h e s i s c a i r i 昭o n 恻c a ls m a y a e e p l y f i r s t l y , i t p r e s e n t s t h e e v o l u t i o n , h i s t o r ya n ds t a t u so f t h et l 尬o r yo f 血ep l a n e - q u a d m f i c - e n v e l o p e w o r m s e c o n d l y i t a n a l y z e s t h e t w o - a x i s - i n t e r p o l a t i o n n c g r i n d i n g m a c h i n e d e s i g n e d a n d d e v e l o p e d b y o u r r e s e a x c h t e a m a n d m a k e s a 鲫咖咖团 y f o r i t e s p e c i a l l y s o m e i s s u e s n e e d e d t o i i i 聊o v e 越p o i n t e d o u t f r o m t h e t t x x 斌i c a la n a l y m g t h e n , t h e p a p e r p u t s f o r w a r d a n e w s t r a t e g y m a c h i n i n g # m e - q u a d r a t i c - e n v e l o p e a n n u l a r w o r m b y m 绷s o f f o u r - a x i s - h t c r p o l a t i o n m e t h o d b a s e d o n t h e p r i m m y r e s e m c h o f t w o - a x i s - i n t e r p o l a t i o n n c 掣j n 面唱m a c h i n e t h i s p a p e r a l s o p r o v e s t h a t n e w g r i n d i n gl h e o l yi sc o n s i s 伽w i t hb a s i cg r i n d i n gp r i n c i p l eo f p l a n e - q u a d 血o - e n v e l o p e m m u l a r w o r m , b u t n e w a p p r o a c h h a s i 佗o u t s t a n d i n g s u p e r i o r i t y b a s e d o n t h e v i r t u a lc e n t e r f o u r - a x i s - i n t e r p o l a t i o n , a n d t h e p a p e r a l s o d i s c u s s e sd e e p l yt h ef e a s m f l i t yt od e v e l o pt h er m n u f a c m r i n gf a c i h t i e s f r o mt h et h e o r e t i c a la n a l y s i st h ed e s i g no ft h ef o u r - a x i s - i n t e r p o l a t i o n m a c h i n ea n dl 【e yp a r t sa n de l e c u n i cc o n t r o lh a v eb e e nd i 璐s e dp a r d c u l a r l yt h e i n f l u e n c eo ng e n e r a t i v ef a c eb yi n t e r p o l a t i o na l g o f i f l u na n da c t u a li n t e r p o l a t i o n w a c ta t o rb a s e do nt h ef 1 1 e o d , o fg e n e r a t i v ef a c ef o r m t h ep a p e re x p l o r e st h e i n f l u e n c eo nt h eg r m d i n gp l 耐s i o nb yg e n e r a t i v ef a c ep a r a m e t e r s f i n a l l y , t h e 西华大学硕士学位论文 p a p e ri n m x t u c e st h ea d j u a m e n tp r o c e s sa n dw o r k i n gt e c t m o l o g yf o r t h em a c h i n e t o o la tp r e s e n t , af o u r - a x i s - i n t e i p o l a l i o nn cm a c h i n et o o lh a sb e e nd e v e l o p e d s u c c e s s f u l l ys a d s f a c t o r yi n d u s t r i a la p p l i c a t i o nh a sb e e no b t a i n s k e y w o r d s ：p l a n e - q u a d r a t i c - e n v e l o p ea n n u l a r w o r m , n c 粤缸曲瞎m a c h i n e ， f o m - a x i s - 娜l a f i o n , g e n e r a t i v ef a c e i n 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中i - i i ：i i 以标注和致谢的地方外，该论文中引 用了一些已经发表或撰写过的研究成果，同时所从事的研究也是在实验室前人 的基础上进行的，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文的成果是本人在西华大学读书期间在导师黎亚元教授的指导 t i y , 的，论文成果归西华大学所有，特此声明。 作者签名： 导师签 渐堆6 冉 日 名月艿日 西华大学硕士学位论文 1 绪论 蜗轮蜗杆传动是机械传动的基础件，是用来传递空间交错轴的运动和动力 的运动机构，属于齿轮传动的范畴，其传动平稳，振动、冲击、噪声均很小， 传动速比大，用途广泛，是机械传动的一种主要形式，它具有传动比范围宽( 通 常级传动比即可达5 1 0 0 ) 、结构紧凑、体积小、运动平稳、噪声低等优点。 此外，在运动传动中，它具有对传动系统匕游误差缩敛作用，因而除被广泛应 用于作动力传动外，直是机床及精密仪器精密圆分度机构的首选部件，所以 国内外许多机械制造厂和使用单位都非常重视对其的研究应用和发展。蜗轮蜗 杆传动副种类较多，蜗杆传动主要有圆柱蜗杆、圆环面蜗杆和圆锥蜗杆传动三 大类，而以前两大类应用最广泛。其中以渐开线圆柱蜗杆( 英、美等国) 、尼曼 蜗杆( 法、日、中、俄等国) 、直廓环面蜗杆( 美、俄等国) 、平面二次包络环面 蜗杆( 中国) 、锥面包络环面蜗杆( 日、中瞒动最具代表性。由于蜗杆传动属交 错轴传动，蜗轮与蜗杆工作齿面问存在较大的相对滑动速度，蜗杆传动的主要 失效形式是严重磨损和齿面胶合，如何阿氐齿面间的摩擦、改善齿面间的润滑 性能、提高其承载能力、传动效率和精度寿命等问题，_ 直为国内外有关科技 界所关注和研究。形形色色的蜗杆传动层出不穷。长期的研究和生产实践证明： ( 1 黼材质等同的条件下，优质的蜗杆传动除了应有良好的啮合特性外，其 蜗杆齿面都必须具有高的光洁度、硬度和精度。因此传动性能和工艺性优良的 蜗杆，其齿面应该能够硬化处理并可以进行合理磨削；( 2 ) 圆环面蜗杆传动与圆 柱蜗杆传动比较，其重合度约为后者的3 4 倍，并且普遍具有好的啮合特性， 具有更高的承载能力。在本课题中我们主要是研究对环面蜗杆的加工设备，下 面对环面蜗杆副的形成、分类和特点做一简要说明。 1 i1 环面蜗杆副的形成、分类和特点 环面蜗杆包围蜗轮或圆柱齿轮形成蜗杆副。蜗杆的分度曲面为圆环内表面 的部分。蜗杆和蜗轮互相包围时，又称为双包围蜗杆副。 1 1 1 环面蜗杆的形成 蜗杆螺旋面由便于制作的直线刀刃车刀、平面砂轮、角度铣刀和锥面砂轮 西华大学硕士学位论文 加工成。图1 1 表示了由直线刀刃车刀加工成的环面蜗杆。刀具装在回转刀座( 简 称刀座) 上，刀座回转轴线与蜗杆轴线交错，仍和d l 为其公垂线分别在刀座和 蜗杆轴线上的垂足。蜗杆不修形时，刀座辄i ) d d 与蜗杆轴线的距离等于被加工 蜗秆副的中心距口；刀座与蜗杆的轴交角= 9 0 。：蜗杆与刀座的速比如等于 蜗杆副的传动比f 。在刀座轴0 吼与蜗杆轴线所在的蜗轮中间平面上，由半径 为 的涡流主基圆( 或称蜗杆成形圆) 和蜗杆齿廓确定刀具位置：车刀的直线 刀刃或铣刀和砂轮的直母线应与蜗轮主基圆相切，并与蜗杆齿廓重合或相切。 蜗杆回转时，刀座按速比“转动，直线刀刃在蜗杆上的轨迹曲面、平面或锥面 的包络面为环面蜗杆的螺旋面。 飚1 1 妇缸璃o f 衄n 衄舢咎嘶。d b y l 缸田a 蚰g e d 蓼 图1 - i 直线刀刃形成的环面蜗杆螺旋面 1 2 环面蜗杆分类 ( 1 ) 直廓环面蜗杆图1 - 2 所示为由直线刀刃车刀加工成的环面蜗杆，其轴 向截面齿廓为直线，称之为直廓环面蜗杆。曾被称为球面蜗杆或【园弧面蜗杆， 国外又称为脚瑚v 叫蜗杆。蜗杆螺旋面为刀刃直线的轨迹曲面，是不可展直纹面。 可以用渐开线代替直线，用渐开线插齿刀加工环面蜗杆螺旋面；加工出的 西华大学硕士学位论文 环面蜗杆则与直齿或斜齿渐开线圆柱齿轮相配。虽然这种蜗杆副制作简便，但 由于渐开线插齿刀外径受限制，只能用于小中心距的传动，未能推广使用。 飑1 - 2 h 啦w o m l 图1 - 2 直廓环面蜗杆 ( 2 ) 平面包络环面蜗杆图1 - 3 所示为平面砂轮精磨环面蜗杆侧螺旋 面。在蜗轮中间平面上，砂轮平面与蜗轮主基圆和蜗杆齿廓相切；砂轮平面与 刀座轴线的夹角夕为产形面倾角，可以根据需要在一定范围内取值。由砂轮平 面展成蜗杆齿槽侧螺旋面为可展直纹面。 ( 3 ) 锥面包络环面蜗杆图1 - 4 所示为用单锥面产形面，用锥面砂轮精磨蜗 杆侧螺旋面。在蜗轮中间平面上，砂轮锥面直母线与蜗轮主基圆和蜗杆齿廓 相切；将砂轮平面绕该直母线转过产形面倾角( 图中未标出) 确定其位置。夕 角可根据需要在一定范围内取值。砂轮锥面展成蜗杆齿槽侧的螺旋面。 虬 、， 西华大学硕士学位论文 i f i g1 = 3p l 柚e w l o p e 加m l 函w 图l - 3 平面包络环面蜗杆 f i g1 4 0 舶b a e i o p c 和叫l 缸w o f m 图l - 4 锥面包络环面蜗杆 ( 4 ) 双锥面包络环面蜗杆图1 - 5 所示为对称于砂轮中间平面的两锥面精磨 螺杆齿槽两侧螺旋面。砂轮中间平面与其轴线交点o o 在蜗轮中间平面上，砂轮 轴线与蜗轮中间平面重合时，砂轮两锥面母线与主基圆相切。根据需要在一定 范围内将砂轮绕刀座与砂轮轴线的公垂线d o d j 转砂轮轴线倾角( 图中未标 西华大学硕士学位论文 出) 。砂轮的双锥面展成蜗杆齿槽两侧螺旋面。 r i g1 - 5 d o u b l e c o n 孟融v e l c 妒艇唧血缸w o 彻 图1 - 5 双锥面包络环面蜗杆 1 2 1 环面蜗杆副的分类 ( 1 ) 直廓环面蜗杆副( 1 a 螺杆副)以直廓环面蜗杆的螺旋面为滚刀或 剃齿刀产形面；按螺杆副的中心距a 、蜗杆和蜗轮的轴向位置及交角y = 9 0 0 ， 安装滚刀或剃齿刀和涡轮坯；按蜗杆副的传动比f 作相对运动展成配对的蜗轮， 得到直廓环面蜗杆副。 ( 2 ) 平面一次包络环面蜗杆副图1 - 6 所示，以平面环面包络蜗杆与平面 齿轮( 1 - 6 a ) 或斜平面齿轮( 图l - 6 b ) k 隗的蜗杆副称为平面一次包络环面蜗杆副， 又称平面蜗杆副，简称为p 蜗轮副。齿轮的齿面为平面或斜平面，其端面齿廓 为直线。一次包络指的是用展成法加工蜗杆，而平面齿轮不用展成法加工。 渐开线包络环面蜗杆与渐开线圆柱齿轮相配，称为渐开线一次包络环面蜗 杆副。这种传动可以不用制作蜗轮滚刀，渐开线齿轮可以达到很高的精度，但 渐开线包络环面蜗杆难于制作，目前在生产中还未推广应用。 西华大学硕士学位论文 f i g1 6 a p l m t e n v e l o p e w o r m g e m s e t ：曲a i 班p 1 e 萨牡 图l 白平面一次包络环面蜗杆副：直平面齿轮的蜗杆副 厂n 茸一 f i g l 如w 赫p e w o 蚰萨蹦i a e l 妇d p l a n e g e a r 图1 o o 平面一次包络环面蜗杆副：斜平面齿轮的蜗杆副 ( 3 ) 二次包络环面蜗杆副以一次包络得到的平面、锥面和双锥面包络环 面蜗杆螺旋面为滚刀产形面，按螺杆副中心距a 、蜗杆和蜗轮轴向位置及轴交 角= 9 0 。安装滚刀和轮坯，刀具和轮坯按蜗杆副传动比f ：作相对运动展成相 配蜗轮，得到二次包络环面蜗杆副。平面二次包络环面蜗杆鬲简称t p 蜗杆副。 锥面( 单锥面) 二次包络环面蜗杆副简称t k 蜗杆副。 西华大学硕士学位论文 1 3 环面蜗杆传动的特点 ( 1 ) 环面蜗杆传动的优点 与圆柱蜗杆传动比较，环面蜗杆传动有以下优点： 1 ) 同时接触齿数较多，蜗杆啮入端双线接触，蜗杆包围蜗轮，合理选择修 形参数可以有效地利用蜗杆全长，多齿同时接触，而且蜗杆啮入端双线接触， 使分摊到每接触点的载荷较小。 2 ) 齿面瞬时接触线形状有利于齿面间的弹性流体动力润滑。交错轴蜗杆传 动，齿面接触点处的相对润滑速度很大，齿面易磨损和胶合，相互接触齿面间 是否产生承载油膜和油膜的厚度是评价啮合质量的关键。根据弹性流体动力润 滑理论可以近似的算出油膜厚度，但更简单而又直接的办法是通过相对滑动速 度与瞬时接触线的夹角滑动角，来评价齿面的润滑条件。环面蜗杆传动滑动 角接近9 0 。，润滑条件好。 3 ) 瞬时接触线法向的诱导法曲率小。二次包络的蜗轮齿面接触区，般由 滚刀产形螺旋面一次接触产生的蜗轮齿面原接触区：。和产形螺旋面二次接 触产生的新接触区：。组成。蜗杆副新接触区：。的瞬时接触线法向诱导法 曲率很小，齿西j j 妾危女应力d 、。 由于e 述优点，环面蜗杆传动的承载能力大，传动效率高。图1 7 为传动比 i l ，= 4 0 ，蜗杆转速啊= 1 0 0 0 r m i n 时，直廓环面蜗杆传动与圆柱蜗杆和圆弧齿 圆柱蜗杆传动殍l 残能力的对比。图1 - 7 中，l 为蜗轮转矩( n o m ) ，a 为中心 距( 衄) 。 在国外，环面蜗杆传动广泛用于矿冶、石化、起重运输、：船舶、劳力和轻 工机械的传动装置，经济效益十分显著。 3 0 2 0 l o ：t ：2 。1 0 3 ( 埘m m z 4 ) 3 8 01 0 0 2 0 0 3 0 0 1 ，直廓环面蜗杆 2 圆柱蜗杆 3 圆弧齿圆柱蜗 f 姗 f 培1 - 7 c 0 唧矗哦眦o f 妇啕伍s s i o n 柚d b e 咖b 曲丑毋o f 吐h 吼群 图1 - 7 三种蜗杆传动承载能力比较 ( 2 ) 环面蜗杆传动的缺点及采取措施 1 ) 环面蜗杆对误差和变形十分敏感。多齿双线接触可降低齿面各接触点的 负荷，但多余约束使齿面对误差十分敏感，由失配啮合分析可以发现，微小的 误差都会导致齿面边缘接触。为解决此问题，在生产中采取的措施是：成对跑 合蜗杆副，提高其接触质量；配对装配，并用调整垫片保证蜗杆租蜗轮的轴向 位置；增加蜗杆轴系的刚度，防止轴承松动引起蜗杆轴向位移。 2 ) 环面蜗杆及蜗轮滚刀或剃齿刀难制作。环面蜗杆修形和加工蜗轮刀具的 制作都十分复杂。近年来，对环面蜗杆传动的修行进行了较深入的研究，修形 参数的选择逐渐趋于合理；计算机数控机床的使用，简化了环面蜗杆和蜗轮滚 刀的制作。 将环匝- 蜗杆传动标准化、系列化和专业化! e 产，可提高产品质量和生产率， 降低成本。环面蜗杆传动专业化生产厂家，我国有首都钢铁公司机械厂和天津 华盛昌齿轮有限公司等；美国有7 h 加以集团的a 9 1 匹公司；日本有住友重机械 西华大学硕士学位论文 工业株式会社。 1 4 环面蜗杆传动的发展 1 a 1 直廓环面蜗杆传动的发辰 图l - 8 所示为1 8 9 7 年文献中介绍的h i n d l 钞蜗杆加工法：先按中心距 口= + 如( 蜗杆喉部分度圆半径；，2 蜗轮分度圆半径) 确定刀座轴心仍 的位置；以蜗轮分度圆为基准安装车刀，使其处于图1 8 中双点线位置；使蜗杆 与刀座的速比与螺杆副的传动比相同，进行蜗杆螺旋面的第一次加工。然后， 将刀座回转轴心仍与螺杆轴线的距离增加为= 口+ 口；车刀在刀座径向位 置也相应增加4 ，使其处于图1 8 中实线位置；蜗杆与刀座的速比不变，对蜗 杆螺旋面进行终加工。与第一次加工相比，由蜗杆喉部向两端，车刀切入逐渐 加深，蜗杆齿槽逐渐加宽，齿厚逐渐减薄。这种加工法是直廓环面蜗杆修形的 雏形，但相配蜗轮用飞刀加工，与现今同时对蜗杆和滚刀修形有本质的不同。 由于未弄清楚环面蜗杆副的啮合特性，工艺水平又不高，与圆柱蜗杆传动相比， 无论在承载能力方面或传动效率方面，h i n d l 秒蜗杆传动尚未显示出明显的优 势，在2 0 世纪之前未得到推广应用。 1 9 0 9 年美国弗吉尼亚州的s i c o n e 研制成直廓环面蜗杆传动，命名为 ”c o n ed r i v e 。1 9 2 5 年取得相关专利后，成立c b 刀p 公司进行专业化生产，使 直廓环面蜗杆传动性能有很大改善，在生产中得到推广应用。1 9 3 1 年起 c o n e 公司成为m i c h i g a n 而d ，公司的个分公司。二战期间，”c b e d r i v e 用于飞机和潜艇的传动装置i 生产规模扩大。1 9 5 4 年起c o n e 公司成了 西一c e l l 一0 的子公司，1 9 8 1 年开始对蜗杆螺旋面加工等关键工序实现了计算 机数控加工。1 9 9 1 年c o n e 公司成了t e x t r o n 集团的一家分公司，2 0 世纪9 0 年代年产“c b pd r i v e 减速器达到2 5 0 0 0 套；中心距范围由5 - 2 8，最大可 达1 3 0 0 r a m ；蜗杆头数( 齿数) 可达1 2 。 西华大学硕士学位论文 怵删卜 ， l 搬心h d ，越 鞘 苫 譬， l i f i g1 - 8o 劬g n 川0 f h 叫l c y 咖 图i - 8 h i n d l e y 蜗杆加工方法 ”c o 甩pd r i v e 蜗杆- 螺旋面硬度为3 0 4 0 h r c 。大中型蜗杆和单件生产的 小型蜗杆用车刀加工螺丝旋面；大批量生产的小型蜗杆，用每齿只有一个侧刀 刃的盘状铣刀加工螺旋面。蜗杆螺旋面经过抛光处理，表面粗糙度为心0 i # n 。 蜗轮用铲背整体滚刀滚齿。蜗杆副经过跑合后配对装配使用。 前苏联于2 0 世纪4 0 年代末，对直廓环面蜗杆传动的啮齿理论，设计和制 造进行了系统研究，并在生产中推广应用。早期，前苏联学者们推崇原始型双 线接触的直廓环面蝇f 1 i 传动：2 0l 蜕5 0 - 6 0 年代进行了大量试验研究之后，提 出了提高齿面接触质量的措施：蜗杆倒坡：蜗杆和蜗轮滚刀修形。 倒坡在蜗杆两端两侧螺旋面上进行：靠近蜗杆喉部分度圆，保留约两个弧 齿距长的原始型蜗杆螺旋面；蜗杆从离开喉部分度圆约一弧齿距开始向两端， 齿厚逐渐减薄，两端齿厚最薄。对加工蜗轮的滚刀或剃齿刀的产形螺旋面不倒 坡。倒坡的目的在于减少制造和装配误差及变形产生的冲击，同时也为了改善 啮入端的润滑条件。 修形是略微改变原始型直廓环面蜗杆螺旋面，改善其啮合条件，对蜗杆螺 旋面和滚刀产形进行相同的修形。比较有代表性的是抛物线修形，根据环面蜗 杆螺旋面的实际情况确定修形规律。 直廓环面蜗杆副经跑合后，在不同的运行阶段测量蜗杆环面上螺旋线的磨 损情况表明，工作初期磨损不均匀，啮入端磨损最快。当蜗杆应力循环次数m 。 西华大学硕士学位论文 1 0 7 时，螺旋面磨损趋于均匀，以此时的螺旋面为修形后的蜗杆螺旋面。原始 型的蜗杆螺旋线于修形后的螺旋线的差值为修形值，沿蜗杆分度环面弧长度量， 修形曲线为抛物线。 修形不但缩短了直廓环面蜗杆传动的跑合时间，而且改善了啮合的质量。 从2 0 世纪5 0 年代中期开始，直廓环面蜗杆传动在我国得到了广泛的应用， 国产直廓环面蜗杆减速器的中心距为5 0 1 2 0 0 m m ；环面蜗杆头数为1 6 。我 国学者对直廓环面蜗杆的啮合理论、设计和制造做了全面的总结；介绍了各种 修形方法；给出齿面啮合分析的计算公式；对齿面接触线分布规律、齿面接触 线法向的诱导法曲率和滑动角进行了计算。根据计算结果可以对直廓环面蜗杆 传动的微观啮合质量做出评价。我国学者对直廓环面蜗杆传动的宏观啮合质量 呙轮齿面结构和接触区分布状况进行了研究：对直廓环面蜗杆修形进行分 类；对现有各种修形方法进行啮合分析，并对啮合质量作出评价，在此基础上 推荐首选的传动类型和修形参数选择范围。 1 4 2 关于环面甥杆螺旋面的磨削展成 ”c o n ed r i v e 从开始专业化生产至今已有近8 0 年的历史，至今仍采用软 齿面、车加工后的抛光的蜗杆螺旋面。这种设计和工艺方法能长久使用归结为 以下原因：齿面结构及瞬时接触线分布合理，承载能力大，效率高；直线齿廓 的环面蜗杆和滚刀便于加工和检验；软齿面蜗杆和锡青铜蜗轮跑合效果好。 硬齿面环面蜗杆能堤高承载能力但需要磨削展成其螺旋面。国内外不少研 究者希望磨削展成的环面蜗杆齿廓近似于直线。但实践表明，用磨齿的方法难 于保证蜗杆齿廓接近直线。指状砂轮得到的齿廓接近直线，但只能用于大型蜗 杆，且生产率低；采用盘行砂轮磨削直廓环面蜗杆，不但砂轮的修整十分复杂， 而且在加工过程中需要按一定规律改变砂轮轴线倾角，工艺十分复杂。直廓环 面蜗杆螺旋面的磨削问题至今未得到解决。 近年来c o n e 公司研制成高强度蜗杆副”p o w e rd r i v e ，是与c o n e d r i v e 生成母面不同的新型硬齿面环面蜗杆副，蜗杆齿磨削成形。图1 - 9 为 a = l o o m m , ，= 4 0 1 的”p o w e rd r i v e ”和”c o n ed r i v e 许用输入功率的对 比。蜗杆转速n l 6 时，易引起环面蜗杆边齿顶变尖和根 切，在此情况下需要选用锥面为产形面。首都钢铁公司机械厂于1 9 8 5 年开始生 产锥面( 单锥面) 二次包络环面蜗杆副，蜗杆头数可达毛- - 9 。 1 5 研究的目的、意义、课题来源及主要研究内容 综上所述，平面二次包络环面蜗杆在工业中发挥着越来越重要的功能，而 加工蜗杆的设备起着重大的作用。西华大学数控研究所受重庆大学机械传动国 家重点实验室的委托，对加工蜗杆的设备进行研发。本课题中我们主要是研究 对平面二次包络环面蜗杆的加工中的一些问题。在前期成功开发了一台二轴联 动的数控磨床，在此基础上，我们提出了一种由四轴联动基于虚拟中心的新的 加工工艺来对平面二次包络蜗杆进行加工。围绕这个任务，本论文主要完成以 下几个方面的工作： 西华大学硕士学位论文 在文献分析的基础匕，分析了前期二轴联动数控磨床开发中的些问题。 论证四轴联动数控磨床加工平面二次包络蜗杆的可行性。 提出四轴联动数控磨床的总体方案。 分析关键部件设计中的些问题。 研究了蜗杆传动中相对速度和砂轮产形面的描述，分析其参数对蜗杆精 度影响。 分析数控插补对加工精度的影响。 机床加工调整分析及实际加工结果。 l 2 3 4 5 6 7 西华大学硕士学位论文 2n c 2 0 5 0 - a 二轴二联动数控磨床的开发 平面二次包络环面蜗杆的理论及实践已经经受了较长时间的实践考验，由 于平面二次包络蜗杆与普通的蜗杆相比具有双线接触和多齿接触、接触线、综 合曲率半径大等传动优点，成功的用于冶金、矿山、船舶、起重运输等机械中， 并且取得了显著的经济效益，在国民经济和国防建设中发挥了越来越重要的作 用。基于此，1 9 9 9 年春，重庆大学机械传动国家重点实验室作为“2 l l ”一期 工程项目，利用已有闲置的一台螺纹磨床y 7 2 5 0 w ，与西华大学数控技术研究 所合作，于2 0 0 2 年春开发了一台二轴联动平面包络环面蜗杆数控磨床。通过对 前期工作进行深入分析和研究，明确了进一步改进的方向，在此基础上提出了 一种基于虚拟中心距的四轴四联动蜗杆数控磨床的设计方案开发了一台二轴二 联动数控磨床- - n c 2 0 5 0 - a 数控磨床，而此磨床的成功研发为后续成功开发四轴 四联动数控磨床奠定了重要基础，所以下面先对二轴二联动n c 2 0 5 0 - a 数控磨 床方案进行介绍。 2 1 传统的平面二次包络环面蜗杆加工 2 1 1 平面包络环甜躺磨自4 原理 平面包络法磨削，实际上就是用平面砂轮分别磨出蜗杆齿的两个侧面。 i 一 纠 烈5 一 c 厶3 2 h 图中各橱号含义：i ：蜗杆2 主朔3 ；砂轮架4 ：砂轮工作面5 ：叵聃工作台 f i g2 - 1c u t t i n gt h e o r yo fw o l n l 图2 - 1 蜗杆加工原理 西华大学硕士学位论文 图2 - 1 表示了蜗杆的磨削原理：磨削蜗杆齿面的砂轮平面是形成蜗杆齿面 的母平面。砂轮平面不仅要与蜗轮蜗杆的主基圆( 图2 - 1 中的2 ) 相切，而且还 要求倾斜个卢角，卢角为蜗杆的螺旋角，所以砂轮的端面应是个精确平面， 这个平面代表相配的个齿面，加工前应根据蜗杆蜗轮副的啮合要求调整砂轮 加工面与基圆2 相切；再根据蜗杆螺旋角拶，使砂轮偏转个芦角，它仍与基 圆2 相切，还要调整回转工作台，保i 正工作台回转中心位于蜗杆喉径圆弧中心 线上，同时保证回转工作台的中心与工件中心的距离a 等于蜗杆蜗轮啮合副的中 心距。在保证了这些要求之后，为使砂轮处于工件的一个合理的位置，还要考 虑砂轮头的上下调整，砂轮头的前后调整，在加工中，回转工作台作回转运动 使砂轮以仉为圆心作回转，砂轮工作面形成个基圆锥( 见图2 - 2 ) ，与此同时， 么豸4 弋 r在 f i 9 2 2 q 施n g 蠡阱0 f 鲥n 血g 讲嘲萨嘲f 锄。d b y 妇h c k 印口 图2 - 2 砂轮加工面形成基圆锥 工件轴与回转运动一起实现二轴联动完成啮合成形加工。为了区别于后面提出 的新方法，我们把这样种加工方法称之为传统加工方法。 2 1 2 y 7 5 2 0 w 改装方案 根据加工原理，选用了y 7 5 2 0 w 机床进行改造，开发了一种二轴二联动的 数控磨床。y 7 5 2 0 w 是种高精度螺纹磨床，可磨削加工最大直径为妒2 0 0 m m 、 最大长度为5 0 0 r a m 的螺纹及圆柱蜗杆等工件、用这种磨床改装成蜗杆磨床具有 较强的改造基础。磨床改造的基本设想由图2 - 3 表示，有较复杂的传动，图中： 西华大学硕士学位论文 ( 1 ) x ：工件纵向运动，加工前手动调整被磨削蜗杆的轴向位置及定位； ( 2 ) y ：横向工作台横向运动，实现砂轮径向运动，加工前手动调试，数显； ( 3 ) z ：砂轮垂直方向垂直运动，加工前手动调试： “) u ：砂轮主轴头绕砂轮架转盘中心在垂直面内的回转运动，手动，数显； ( 5 ) v ：砂轮头纵向运动，调整砂轮加工面与基圆相切，手动，数显； ( 6 ) w ：砂轮架横向运动，手动； 。 r ：砂轮回转运动，c n c 伺服控制； ( 8 ) s ：主轴回转运动，c n c 伺服控制。 研制改造方案设计达到如下技术指标： 最大中心距 最小中心距 蜗杆工作部分长度 主基圆直径满足 蜗杆头数 机床主轴转速 回转工作台脉冲当量 主轴交流伺服电机 功率 额定转速 零速转距 回转工作台伺服电机 功率 额定转速 零速转距 砂轮电机 功率 额定转速 3 0 0 r a m 1 0 0 m t n 1 5 0 r a m 左右 2 0 0 r a m 左右 1 6 1 - l o r p m 3 ” 2 i 矿 2 0 0 0 r p m 2 0 一朋 2 七形 2 0 0 0 r p m 2 0 一 ， 4 5 露矽 1 4 5 0 r p r o 西华大学硕士学位论文 f i 9 2 - 3s m m m o f n c 2 0 5 0 - a g r m d i n g m a c h i n e 图2 - 3n c 2 0 5 m a 数控磨床结构图 砂轮架回转运动和主轴回转运动s 采用通过c n c 控制的电子传动参与实 现二轴联动的分度完成平面二次包络环面的啮合运动，机床主轴的机械传动部 分利用原机床主轴箱，只改变电机和电机安装部分；砂轮回转部分为新设计件。 2 2 传统的平面二次包络磨削分析 我们前期开发的这种二轴二联动数控机床可以归为一种传统的平面二次包 络磨削法，这种传统的平面二次包络( 下简称平面二包) 磨削方法是基于图2 - 1 西华大学硕士学位论文 的加工原理实现的，通常是采用蜗轮蜗杆为传动副的回转工作台( 图2 - 1 中的6 ) 带动砂轮架( 图2 1 中的3 ) 作绕圆心o 的回转运动。机床还有多层工作台，可 移动回转工作台调整中心距a ，调整磨削面与基圆相切以及调整砂轮架的横向、 纵向和砂轮架垂直方向的垂直运动。 这种以蜗杆蜗轮为传动副的回转工作台的结构方式的机床有一些主要的问 题： 在加工电【娅较大的蜗杆时，机床的回转工作台必须相对于工件向后移动较 大距离，加工较小电i ) 距蜗杆时，机床的回转工作台中心必须相对于工件向 前移动较大距离，在这种情况下回转工作台来回运动范围很大，特别是加工 小中心距工件时，回转工作台必须与工件靠的很近，由于砂轮及砂轮头较大， 在这种情况下，为获得正确的加工位置，砂轮头必须后退较大的距离，这就 造成机床结构庞大。 根据图2 - 3 可以看出机床有很多运动层面，使机床结构很复杂，刚性差，加 工精度难以保证，操作很不方便，以及些相应结构问题和刚度问题，使得 机床的总体结构不合理，考虑到这种情况，我们提出个新方案，即四轴联 动数控磨削机床，在下面章节进行介绍。 西华大学硕士学位论文 3g w n c 4 - a 四轴四联动数控蜗杆磨床设计 环面蜗杆与圆柱蜗杆传动相比具有传动接触齿数多，齿面瞬时接触线形状 有利于齿面间的弹性流体动力润滑等优点。因此，平面二次包络环面蜗杆传动 在我国研究成功至今三十几年来，在工业中发挥着越来越重要的作用，研究解 决它的加工机床设备对推动该类传动的更广泛应用，具有重要意义。目前国p 驴时 蜗硪懒嘶匝爹豺瓠韶掇术改逢融晦i i l 匕大荔馘藓槲嚣钒翁耘螺宠蓼降没 备鼹刊舅啉改造添自旷些睫鞘噼阡牛来费弼蛳辩韵睡鞘叻口lf 再h 寸，也哿啦l 缃 研究删细日厘哨i i i 殳备的开发怍了_ 鲂s 求德国r j i n g e l n b e r g 曾为天津华盛昌齿轮有 限公司生产了三台以螺纹磨床为基础的h n c 3 5 t p 平面包络环面蜗杆数控磨床， 但价格过于昂贵( 总价5 6 0 万马克) 而且关键技术信息一直保密。我瑶i 勾锚科故了 些瞬舡作，础嘌二章扦筛蝴n c 2 0 5 0 - a 数控磨床，虽然此磨床成功开发后 使用效果良好，但是我们感到存在某些问题，从加工原理、机床的结构方案都 觉得有必要进步改善。在前期的n c 2 0 5 0 - a 数控磨床成功开发的基础上，我 们提出了一种的新的加工平面二次包络环面蜗杆的方案一四轴四联动数控磨床 的开发。 3 1 四联动数控蜗杆磨床的设计方案 如前面第二章中所述按传统方法加工，当加工中心距较大的蜗杆时，机床 的回转工作台的中心移动距离也较大；加t b 中心距蜗杆时，机床的回转工作 台中移动距离又很小，所以导致机床结构很大，特别时加工小中心距蜗杆，机 床结构很难实现，因此四轴四联动平面二次包络蜗杆数控磨床的设计是为解决 此问题而提出的。这种磨床可克服以上的缺点，使加工的蜗杆的中心距不受限 制，而且加工工艺范围扩大，省去了一些传动轴，调整方便，自动化和精度也 进步提高，机床结构得到很大的简化，也更为紧凑。 3 1 1 方案论证 3 1 1 1 环面蜗杆加工中嘟巨虚拟化原理 为表述简单又不失普遍性起见，在此以直廓环面蜗杆的加工原理为例。 见图3 1 ，设形成该右旋环面蜗杆左俱4 齿面的母线段为i ，它与：西重合，并时 刻与基圆相切。在仍= 0 的起始位置，它与：西，l 酉构成d o 归为刚体三 角形，位于蜗杆的主截面中。根据该蜗杆齿面的形成原理，加工蜗杆的假想工 具齿轮轴心为伤，分度圆半径震。蜗杆、假想工具齿轮的角速度及转角分别为 西华大学硕士学位论文 q ，识和劬，仍；并且罢= 罢= 鲁= ： 假设被加工蜗杆至时刻街所转过的角度为仍，则4 伽及j 否相应绕中 心0 2 转过死角，4 伽此时处于4 t 0 2 & 位置。这就是环面蜗杆加工机床设 计所依据的原理。 加工环面蜗杆的虚拟中心距原理 l 者靛列手离1 6 ；牛r 打王中狮 0 ：盘j 甜惦出0i 公韩中心j o d ；= 乓翻冀率心 自避中0 ) c 盎上吴当幼轴号暂晰鞋甚 奠簖本漉 b 上g1 径 t 甥 分矗翻蔓聱往 卫t _ 【j 治尘珥。经( 可是西谓尊l 工是台日车辜角遣萋 臼辑j 西卜一乃群莞显拟率也。：牌公辑勉旗 图3 - i 环面蜗轩舡中心距虚拟化原理 f i 9 3 - 1p r 砬砸i c o f 岫p 0 妇捌。瞰时d b 0 i 吐锄m l k 啪衄 通过研究我们认为，上述问题的实质是如何使线段，按传动比的要求从 ：历移动到：i 虿的问题。参见图3 - 1 ，我们在，哇c 咽中任取点0 ，为简明 西华大学硕士学位论文 起见，该点取自爿0 2 上，0 d 2 = r 。，作o c d ：b ，则们c m 4 0 归，相 应地存在4 n g a 彳。，d f 0 2 = d d 2 = 咒。上述表明，线段，随4 d 2 b 的转动等同于随同, x a o c 在所在平面中作平面运动。根据理论力学平面运动 的法则，4 d c 的平面运动可以分解为平面上的基点的平动和绕基点的转动。 因此，若取4 0 c 中的任意点d 为基点，则线段，的平动可以转化为基点d 通过沿x 、z 方向的移动实现作以m 为半径圆心为仍的圆弧运动和线段，随 所固连的平面( 即a , 4 0 c ) 绕0 的转动，且其角速度甜恰等于如。由此可见， 通常加工环面蜗杆时，刀具安装在假想工具齿轮的大工作台( a a n b ) 上， 直接绕工作台中心0 2 的回转运动，可以改为安装在个小工具台( 爿o c ) 上，让工具台边以鹞自转边沿x 、z 方向的移动实施以d ，为虚拟中心疵 为半径的圆弧运动。这样便可以大大减小工作台的直径和实际电1 ) 距。这就是 加工中心距的虚拟化原理。也是四轴联动磨床的设计的原理。 3 1 2 四轴四联动的理论分析 1 基本原理： f i 9 3 - 2 t h e c m j i l l u s 妇t i o n o f d e s i g n i n g 图3 2 设计原理图 西华大学硕士学位论文 四轴四联动磨床新方案的工作原理如图3 2 所示。x 向和z 向双层工作台上 安装了可绕自身旋转的磨削头，x 、z 轴联动实现圆插补，带动磨削头作轨迹 为圆的平移运动，与此同时如让磨削头按一定方向一定规律沿自身轴的回转中 心o ，作y 旋转运动，实现x 、z 、y 三轴联动即可保证砂轮的工作面始终与基 圆相切。它们与蜗杆的主回转运动a 合成即实现四轴联动，就可实现蜗杆与蜗 轮的啮合运动完成整个加工。其效果与用蜗杆蜗轮带动砂轮头回转一样。这里 应强调，在四轴联动过程中必须正确确定运动参数，包括插补中心的确定、插 补圆半径、插李t , e o 心对中、磨削头回转运动的速度、砂轮工作面与基圆的初始 相切位置、砂轮架回转中心的初始位置，以及螺旋角和砂轮垂直方向调整等。 只有当四联动的运动参数正确选定后，砂轮工作面才能实现与蜗杆工件之问的 正确啮合关系。 3 1 3 四联动运动分析 3 1 3 1 ) 【、z 插补中心0 的确定 以加工工件的位置为基准，插补圆的圆心由工件蜗杆蜗轮啮合副的中心距a 决定同时应在工件喉颈圆弧中心线上，它也是蜗轮的基圆圆心，这个插补圆心 可以通过数控编程实现，所以它的确定是非常灵活也是容易实现的。这样就不 必为了制造大中心距的蜗杆而制造大型的磨床，大大简化了磨床结构。调整也 更为方便。 3 1 3 2 插补半径的确定 如图3 - 3 所示，取蜗杆基圆圆心0 为插补中心，z x a o c 是简化后的磨削头 其中a 表示加工蜗杆的砂轮刀尖。0 为磨削头的回转中心，只有当插补半 空选 择以砂轮转台的回转中心o 到插补圆心0 的距离为半径，再进行相应的y 回转 进行角度补偿，才能保证砂轮工作面与基圆相切同时保证砂轮刀尖始终在切削 圆上。 西华大学硕士学位论文 f i 9 3 - 3 g m 曲g w h e e l m o v e n l m t 图3 - 3 运动示意图 3 1 2 3 回转运动r 的确定 如图3 - 3 所示，x 、z 的逆圆插补时，若是没有添加磨削头自身的回转运 动y ，砂轮刀尖移动的轨迹就是图中的虚线圆，与基圆不同d ；刀尖由位置l 逆圆弧插补到位置2 ，可以看出这时刀尖的位置4 罡包至0 彳，超出了圆的轨迹， 要使工作面与基圆相切，必须把磨削头绕中心d 转一角度进行补偿。经研究发 现，磨削头绕自身的回转中心d 回转的角度与圆插补轨迹的回转角度有一定的 几何关系，以下是对此几何关系的详细证明： 西华大学硕士学位论文 f i g 3 _ 4a l 四“m 叩即幽o f 鲥n d 缸g w 吲 图3 _ 4 角度补偿图 如图3 - 4 所示，取磨削头的一半a o a b 代替整个砂轮，a b 与基圆相切，