（机械设计及理论专业论文）ti蜗杆加工关键技术研究.pdf

中文摘要 t l 螟秆传动楚巍濒开线斜齿轮及蕊毽络豹环瑟蜗抒筑成的一季孛传动方式。 罩l 蜗耔传动豹翻王关键技寒研究，黠予疆镪和开发毒效、熬载娲杼减速梳懿 有重要的理论意义和实用价值。论文对精确磨削t i 蜗杼的关键加工设备t i 蜗杆磨削装置以及t i 蜗杆加工方法进行了研究，并较为系统地研究了加工与安 裟误差对t i 蜗杆传动的影响，论文主隳工作如下： 镀握磨削弧蜗桴的砂轮廓形方瑕，分援了修整t i 蜗转砂轮靛基本原理，璐 究设诗了霹蜞移移耱嫠整嚣。 研究了精确縻削t l 蜗杆的方法，掇出了能够精确磨肖辩蜗杆的砂轮磨头的 结构设计方案。 对t i 蜗杆的制造工艺进行了设计，较为系统地提出了在现有设备上进行精 加工的改造方案，以及利用滚齿枫进行铣削加工和磨削热工豹期工方案。 建立了存在纛王误差豹一次包络善| 娲努簧凌魏数学壤型，燕寻了存在熬王 误差的一次包络聪蜗孝手传动的啮台函数、啮合方程窝骶蜗杼齿面方程；建立了 同时存在加工误藏和装配误差的一次锶络t i 蜗杼传动的数学模型。 利用三维造溅技术以及齿面模拟接触方法，研究了边界条件下含有加工谈差 和装配误差的一次包络t i 蜗杆传动的齿面接触情况，得到加工误差以及加工误 差蠢装配误差固辩露在蓉终下对齿瑟嚷含接魅影穗熬嫂德，并置送括了h 蜗抒 传动礁合性筢豹蜜验研究。 关键词：蜗杆传幼t i 蜗秆砂轮修熬器磨头误差分杉孑磨削加工 a b s t r a c t t 1w o r md r i v ei st h ed r i v es t y l ec o n s i s t e do fi n v o l u t eh e l i c a lg e a ra n dh o u r g l a s s w o r me n v e l o p e db yt h eg e a r as t u d yo nk e yt e c h n i q u eo f m a n u f a c t u r i n gf o rt 1w o r m d r i v ei ss i g n i f i c a n ti nt h e o r ya n dv a l u a b l ei np r a c t i c ef o rd e v e l o p i n gak i n do fw o r r r l r e d u c e rw i t hh i g b e f f i c i e n c ya n dh e a v yl o a dc a p a c i t y t h ek e ye q u i p m e n t so f a c c u r a t e l yg r i n d i n gf o rt 1w o r ma n dt h ep r o c e s s i n gm e t h o df o rt 1w o r l t ia r em a i n l y i n v e s t i g a t e da n dd e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ee f f e c t sw h i c ht h ep r o c e s s i n ge r r o r s a n dt h ei n s t a l l a t i o ne r r o r sh a v eo nt 1w o r md r i v ea r es y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c h e da l s o 弧ec o n t e n to f 攮i sd i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w s ： a c c o r d i n gt ot h ee q u a t i o n so fp r o f i l e c l l r v e so fa b r a s i v ew h e e lf o rg r i n d i n gt i w o r m ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo fd r e s s i n ga b r a s i v ew h e e lf o rt iw o r mi sa n a l y z e da n d t h ea b r a s i v ed r e s s e rf o rt iw o r l d i ss t u d i e da n dd e s i g n e d t h em e t h o do fa c c u r a t e l yg r i n d i n gt 1w o r mi ss t u d i e d t h ed e s i g ns c h e m eo ft h e g r i n d i n gu n i tf o ra c c u r a t e l yg r i n d i n gt iw o i t f li sp r e s e n t e d 。 t h em a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n go f t iw o r mi sd e s i g n e d + t h em o d i f i c a t i o ns c h e m e o ff i n i s hm a c h i n i n go ne x i s t i n gf a c i l i t i e sa n dt h ep r o c e s ss c h e m eo fm i l l i n ga n d a b r a s i v em a c h i n i n go nh o b b i n g m a c h i n ei ss y s t e m a t i c a l l yp r e s e n t e d o nt h ep r e m i s eo fc o n s i d e r i n gt h ep r o c e s s i n ge r r o r s ，am a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e s i n g l e e n v e l o p i n g t iw o r l d d r i v ei ss e t u p a n dt h e e q u a t i o n s r e l a t e dt o s i n g l e e n v e l o p i n gt tw o r ma r ed e d u c e d + t h e s ee q u a t i o n si n c l u d em e s h i n gf u n c t i o n s ， m e s h i n ge q u a t i o n s ，t o o t hf l a n ke q u a t i o n so ft lw o r m am a t h e m a t i c a tm o d e lo ft h e s i n g l e e n v e l o p i n gt 1w o r l nd r i v ei sb u i l tc o n s i d e r i n gt h ep r o c e s s i n ge r r o r sa n dt h e i n s t a l l a t i o ne r r o r sa tt h es a m et i m e w i t ht h et h r e e d i m e n s i o n a lm o l d i n gt e c h n i q u ea n dt h em e t h o do ft o o t hf l a n k s c o n t a c t i n gi ns i m u l a t i o n ，t h es t a t u so f t h et o o t hf l a n k sc o n t a c to f t h es i n g l e e n v e l o p i n g t iw o r md r i v ei n c l u d i n gt h ep r o c e s s i n ge r r o r sa n dt h ei n s t a l l a t i o ne r r o r si ss t u d i e d c o n s i d e r i n gt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s t h er u l e so ft h ep r o c e s s i n ge r r o r si n f l u e n c i n go i l t o o t hf l a n k sm e s h i n gc o n t a c ta n do ft h ep r o c e s s i n ge r r o r sm a dt h ei n s t a l l a t i o ne r r o r s t o g e t h e ro nt h a ta r eo b t a i n e d ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h so ft h em e s h i n gp e r f o r m a n c e f o rt 1w o r md r i v ea r ec a r r i e d ， k e yw o r d s ：w o r md r i v e ，t iw o r m ，a b r a s i v ed r e s s e r , g r i n d i n gu n i t ，e l f o r a n a l y s i s ，a b r a s i v em a c h i n i n g 独创性声明 本人声明所璺交静学位论文是本人在导师指导下进行鹃研究工作和取褥的 磷究藏莱，狳了文中特期热臣标注秘致落之楚努，渣文中不黩含萁毽a 已经发表 躐撰写过的研究戚聚，也不包含为获褥蕴生盘茔或其镌激育机构的学位或诞 书而使用过的材料。与我一同工作的同虑对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并农示了谢意。 学位论文作翥煞名：蠢遽i l 签字r 期： ? 胂警年，胃蟛霸 学位论文版投使用授权书 本学位论文作者完全了解盘望基鲎有关保留、使用学位论文的规定。 姆授毅盘望盘茎可以凑学位论文戆垒帮或部分蠹容缡入蠢关数据库送行竣 索，并采用影印、缩印或扫籀等复制手段保存、汇编以供套阙和借阕。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名； 郧邃肛 煞字同期：2 彬哼年，月碍曰 导师签名： 签字同期： 弘 哆朋 壤h 年 7 ， 盈缈 第一章绪 论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 蜗杆传动是机械传动的一种重要的传动方式，在国防、冶金、造船、建筑、 化工等行业得到广泛的使用。其优点是传动比大、承载能力高、冲击载荷小、传 动平稳、易实现自锁等：缺点是由于其相对滑动速度较大，传动效率较低，蜗杆 副易磨损。随着现代工业技术的发展，各行业机械的发展也对机械传动装置提出 了新的要求，特别是在国民经济所必需的大型成套设各中，要求蜗杆传动装置能 适应更高速度更高载荷并有较高传动效率，具体而言就是要求蜗杆传动具有： ( 1 1 优良的传动性能：承载能力大，传动效率高，使用寿命长，平稳性高和 噪声低等； f 2 ) 良好的工艺性能：易于加工、装配及加工精度高等： ( 3 ) 良好的经济性能：能节省贵重的有色金属和具有较低的制造成本。 环面蜗杆传动是蜗杆传动中一种相对体积小、啮合性能好、传动比大、承载 能力高的传动装置。与普通圆柱蜗杆传动相比，在相同尺寸下，其承载能力要提 高1 5 4 倍( 小值适于小中心距，大值适于大中心距) 。若传递同样的功率，在 批量生产的情况下，用环面蜗杆代替柱面蜗杆可以大幅度降低成本【2j 。如果具有 较高的精度，较低的表面粗糙度和良好的润滑条件，环面蜗杆副的传动效率就有 较大的提高，有报道实验效率达到9 5 ，批量生产的效率一般在8 0 w , a 【3 j 。所 以环面蜗杆传动具有很高的承载能力及很大的经济技术价值。 t i 蜗杆传动即渐开螺旋面包络环面蜗杆传动，是由渐开线斜齿轮和其共轭 齿面渐开面包络环面蜗杆组成的新型蜗杆传动。初步理论分析表明1 4 “j ：t i 蜗杆传动具有线接触、多齿对同时接触、诱导法曲率小、瞬时接触线与相对速度 夹角接近直角，即润滑条件好的特点。故从理论上讲，t i 蜗杆传动具备承载力 大、传动效率高等优良传动性能的基本条件。t i 蜗杆副中的蜗轮是渐开线斜齿 轮，它既可容易加工出高精度的渐开螺旋面齿面又可进行修形。这样从加工工艺 的角度而言，制造蜗轮不需要价格昂贵、制造复杂的专用蜗轮滚刀。理论上t i 蜗杆副能够实现磨削加工【4 ，这就有可能形成钢质材料的硬齿面传动，这不仅能 节省大量贵重的有色合金，而且为传动能力的提高提供了较大的空间。因此耵 蜗杆传动是极其希望和潜力的蜗杆传动形式【i j 。如果能够实现t i 蜗杆的经济加 第一黎绪 论 工并将其用于减瀵机中，那么新型的t i 蜗杆减速机有可能具有极强的市场竞争 力，在高速、重载传动中有最广泛的成用前景。所以开餍n 蜗杼副加工关键技 零豹疆究怼牙发礤剿篱效、重载娲柽躐遽极其寿重要懿璎论慧义彝实翊徐毽。 1 2 研究状况及存在问题 1 2 。1 蜗杆加工方法的研究 一耱龌括臻动粼蹩否戆够实理产黥纯涂了震要是蚤懿黪魏瓿藏特链羚，逐程 缀大程度上取决予传动副是否具有良好的加工工艺性能、w 靠的加工方法及遗厢 的加工设备和测试仪器。在国内外，衡一些成熟的蜗杆副加工工艺及方法，鞍为 典型的有：二千年前由古希腊学者阿撼米德发明的，至今仍在有少量使用的阿基 米德蜗轷；英国人h i n d l e y 于1 7 6 5 年赞先提出的弧西蜗杼传动( h o u r g l a s sw o r m o e a r ) ，1 9 2 8 年美灏入又薅其终了重大羧进，影藏了嚣藩饕名瓣“c o n ew o r m ”， 蠲为人们熟知的赢廓环嚣蜗杆传动；1 9 5 3 年西德尼曼( n i m a n ) 教授发明的西弧落 圆柱蜗杆传动，遮就是世界闻名的“c a v e xw o r m ”以及2 0 世纪7 0 年代中期我 囡首创的平面二次包络环面蜗杆传动削p j 。 与其楣关的加工方法也在不断地加以改进和完善，例如： f 1 ) 谭爨、强静露挺基熬平瑟二次霞终繇嚣甄轷翮懿数字裁造蓑旗，英痰露 包括平面二次包络环两蜗籽副数事纯遣謦方案、接触往能仿真、热工工艺彝鞠瓣 划、数控加工方案殿误差检测等方面【引： f 2 ) 李尚信、姚立纲以加工平面二次包络环面蜗杆为例。提出了便于一般机 械加工单位生产的利用滚齿机如工环西蜗杆的加工方法拶j ； f 3 ) 瑟秀薄在怼熬王塞霸蓼嚣旗移坎藤要求分辑豹蒸磷上，提基了在滚凌飒 上加工壹廓环面蜗稃驰加工方法并设计了所使用的夹翼释刀其1 1 0 1 ； ( 4 ) 毛成锻介绍了加工蜗杆的工兹殷测量方法，认为拟订合理的工艺路线， 选择较优的切削逮膨，选用合适的刀嫩切削参数，可以大大提高了生产效率l 他】。 可见，现有的资料大多是对现有的谯生产和实际使用中较为成熟的蜗杆佟幼 澍麓工方法戆改遴；嚣对于疆蜗耔来滋，虽然毒太滚工警院嚣寒景簿f 1 3 j 【h 】等磷 露i 了铣澍琵蜗脊的方法；西安冶金橇缀厂静殷李森h 鄙撬滋了遁钕磨骞l 下l 舔抒懿 加工方法；天津大学咀壬树人教授为核心的课题组提啦用修磨轮单自由度龟络 1 r i 蜗杆的方法，以实现新型齿面的精密加工，推进其实用化f6 1 ，但是尚未见肖人 提出一套系统的、w 以精确磨削t i 蜗秆的加工制造方法，包括理论数据、制造 工艺、工装设计、掇床教装及箕耱关刀嶷戆设诗与裁造在内黪船工方法和热工工 2 第一章绪论 工并将其用于减速机中，那么新型的n 蜗杆减速机有可能具有极强的市场竞争 力，在高速、重载传动中有最广泛的应用前景。所以开展1 1 蜗杆副加工关键技 术的研究对开发研制高效、重载蜗杆减速机具有重要的理论意义和实用价值。 1 2 研究状况及存在问题 1 2 1 蜗杆加工方法的研究 一种蜗杆传动副是否能够实现产品化除了需要具备良好的机械特性外，还在 很大程度上取决于传动副是否具有良好的加工工艺性能、可靠的加工方法及通用 的加工设备和测试仪器。在国内外，有一些成熟的蜗杆副加工工艺及方法，较为 典型的有：二千年前由古希腊学者阿基米德发明的，至今仍在有少量使用的阿基 米德蜗杆；英国人h i n d l e y 于1 7 6 5 年首先提出的弧面蜗杆传动( h o u r g l a s sw o r m g e a r ) ，1 9 2 8 年美国人又对其作了重大改进，形成了目前著名的“c o n ew o r m ”， 即为人们熟知的直廓环面蜗杆传动；1 9 5 3 年西德尼曼( n i m a n ) 教授发明的圆弧齿 圆柱蜗杆传动，这就是世界闻名的“c a v e xw o r m ”以及2 0 世纪7 0 年代中期我 国首创的平面二次包络环面蜗杆传动g , j v l 。 与其相关的加工方法也在不断地加以改进和完善，例如： f 1 ) 谭听、张仲甫提出的平面二次包络环面蜗杆副的数字制造策略其内容 包括平面二次包络环面蜗杆副数字化造型方案、接触性能仿真、加工工艺自动规 划、数控加工方案及误差检测等方面t q ： f 2 ) 李尚信、姚立纲以加工平面二次包络环面蜗杆为例，提出了便于一般机 械加工单位生产的利用滚齿机加工环面蜗杆的加工方法h ； ( 3 ) 贾秀萍在对加工直廓环面蜗杆机床要求分析的基础上，提出了在滚齿机 上加工直廓环面蜗杆的加工方法并设计了所使用的夹具和刀具： h ) 毛成银介绍了加工蜗杆的工艺及测量方法，认为拟订台理的工艺路线， 选择较优的切削速度，选用合适的刀具切削参数，可以大大提高了生产效率i ”j 。 可见，现有的资料大多是对现有的在生产和实际使用中较为成熟的蜗杆传动 副加工方法的改进；而对于1 1 蜗杆来说，虽然有太原工学院的朱景梓州等研 制了铣削蜗杆的方法：西安冶金机械厂的殷李森【i5 提出了近似磨削t i 蜗杆的 加工方法；天津大学以王树人教授为核心的课题组提出用修磨轮单自由度包络 t i 蜗杆的方法，以实现新型齿面的精密加工，推进其实用化1 6 l ，但是尚未见有人 提出一套系统的、可以精确磨削t i 蜗杆的加工制造方法，包括理论数据、制造 工艺、工装设计、机床改装及其相关刀具的设计与制造在内的加工方法和加工工 工艺、工装设计、机床改装及其相关刀具的设计与制造在内的加工方法和加工工 第一黎绪 论 工并将其用于减瀵机中，那么新型的t i 蜗杆减速机有可能具有极强的市场竞争 力，在高速、重载传动中有最广泛的成用前景。所以开餍n 蜗杼副加工关键技 零豹疆究怼牙发礤剿篱效、重载娲柽躐遽极其寿重要懿璎论慧义彝实翊徐毽。 1 2 研究状况及存在问题 1 2 。1 蜗杆加工方法的研究 一耱龌括臻动粼蹩否戆够实理产黥纯涂了震要是蚤懿黪魏瓿藏特链羚，逐程 缀大程度上取决予传动副是否具有良好的加工工艺性能、w 靠的加工方法及遗厢 的加工设备和测试仪器。在国内外，衡一些成熟的蜗杆副加工工艺及方法，鞍为 典型的有：二千年前由古希腊学者阿撼米德发明的，至今仍在有少量使用的阿基 米德蜗轷；英国人h i n d l e y 于1 7 6 5 年赞先提出的弧西蜗杼传动( h o u r g l a s sw o r m o e a r ) ，1 9 2 8 年美灏入又薅其终了重大羧进，影藏了嚣藩饕名瓣“c o n ew o r m ”， 蠲为人们熟知的赢廓环嚣蜗杆传动；1 9 5 3 年西德尼曼( n i m a n ) 教授发明的西弧落 圆柱蜗杆传动，遮就是世界闻名的“c a v e xw o r m ”以及2 0 世纪7 0 年代中期我 囡首创的平面二次包络环面蜗杆传动削p j 。 与其楣关的加工方法也在不断地加以改进和完善，例如： f 1 ) 谭爨、强静露挺基熬平瑟二次霞终繇嚣甄轷翮懿数字裁造蓑旗，英痰露 包括平面二次包络环两蜗籽副数事纯遣謦方案、接触往能仿真、热工工艺彝鞠瓣 划、数控加工方案殿误差检测等方面【引： f 2 ) 李尚信、姚立纲以加工平面二次包络环面蜗杆为例。提出了便于一般机 械加工单位生产的利用滚齿机如工环西蜗杆的加工方法拶j ； f 3 ) 瑟秀薄在怼熬王塞霸蓼嚣旗移坎藤要求分辑豹蒸磷上，提基了在滚凌飒 上加工壹廓环面蜗稃驰加工方法并设计了所使用的夹翼释刀其1 1 0 1 ； ( 4 ) 毛成锻介绍了加工蜗杆的工兹殷测量方法，认为拟订合理的工艺路线， 选择较优的切削逮膨，选用合适的刀嫩切削参数，可以大大提高了生产效率l 他】。 可见，现有的资料大多是对现有的谯生产和实际使用中较为成熟的蜗杆佟幼 澍麓工方法戆改遴；嚣对于疆蜗耔来滋，虽然毒太滚工警院嚣寒景簿f 1 3 j 【h 】等磷 露i 了铣澍琵蜗脊的方法；西安冶金橇缀厂静殷李森h 鄙撬滋了遁钕磨骞l 下l 舔抒懿 加工方法；天津大学咀壬树人教授为核心的课题组提啦用修磨轮单自由度龟络 1 r i 蜗杆的方法，以实现新型齿面的精密加工，推进其实用化f6 1 ，但是尚未见肖人 提出一套系统的、w 以精确磨削t i 蜗秆的加工制造方法，包括理论数据、制造 工艺、工装设计、掇床教装及箕耱关刀嶷戆设诗与裁造在内黪船工方法和热工工 2 第一章绪论 艺。 1 2 2 砂轮修整装置的研究 磨削加工是一种主要的精加工方法。成形磨是将砂轮修整出与工件型面完全 吻合的反型面，用此砂轮磨削工件，从而获得所需的工件形状的一种磨削加工方 法【4 7 】。展成法是根据啮合原理中一对齿面啮合传动时，两齿面互为共轭齿面的原 理进行齿面加工的方法【39 1 。采用展成法加工齿面的机床，由于传动链短，结构简 单，所以加工精度很高1 4 8 1 。采用成形磨加工齿面的机床，磨齿精度稳定，生产效 率高，加工柔性较大，在对于一些形状特殊的齿面磨削加工中应用更加广泛1 4 ， 所以成形磨削方法是硬齿面精密加工的发展趋势之一。无论在哪一种磨削方法 中，砂轮磨损的修整或补偿都是恢复砂轮功能的重要手段，所以砂轮修整装置( 或 砂轮修整器) 就成为影响磨削加工精度效率的关键之一。 磨削中使用最广泛的是单颗余刚石笔修整砂轮【4 ”。通常的砂轮修整器所采用 的金刚石笔尖在空间的运行轨迹是固定的，所以，它们只能对固定形状的砂轮进 行修整。例如： ( 1 ) 对加工平面二次包络环面蜗杆的砂轮进行修整的砂轮修整器，其会刚石 笔尖在空间走的是一条直线，其特点就是结构简单，操作方便i 7 j ； ( 2 、山东大学的贾秀杰、张慧等人提出的用于圆弧面磨削的多功能砂轮修整 器，通过偏心杆的摆动，调节金刚石笔尖和摆动中心的距离，实现了对内外圆弧 的砂轮的修整例： ( 3 ) 用于磨削加工圆弧圆柱蜗杆的砂轮修整器，其金刚石笔尖采用对圆弧模 板的仿形运动机构，实现了对砂轮双面同时进行成形修整。 在对截形为渐开线的砂轮进行修整的砂轮修整器研究方面，最先采用的是按 渐开线生成原理设计的“基圆滚动尺”结构的修整器，因该修整器不能同时 修整出砂轮两侧面，不能修整齿轮的基圆以下非渐开线。故效率低，不通用f j 。 之后，相继发展了四杆靠模机构法、靠模液压仿形法、靠模运动合成法和金 刚石滚轮修整法等，因它们运动关系复杂、误差大、高精度难以保证，而使成形 磨齿发展缓慢。随着计算机的应用推广，采用曲线逼近修整法、数控修整法等先 进方法成为可能、并使成形磨齿精度提高到与展成法媲美的程度f 。 修整技术最近发展的核心是广泛采用计算机控制。计算机数控的金刚石成形 修整是从老式的缩放、仿形样板技术发展起来的。最初是采用计算机两维数控装 置，由伺服电机驱动的双层滑板修整器以及位置反馈用玻璃光栅来实现自动修 整，由于两维数控不能消除因金剐石笔与齿轮法线不重合所造成的干涉误差，继 而又发展了正交轮廓修整的三坐标修整，它是通过修整位置移动、摆动、并通过 第一掌鳍论 修改控制软件寓现误差补偿，加工柔性较好，但因三坐桥联动，硬软件均较鬣杂， 且在长位移下要保证微米级精度很困难，这种装置目前成本非常高，尚不适用予 擎终或者，j 、批量戆惫产，有德予迸一步拜茇完善【瑚。 综合国瘫终为解凌修形淘题磅鞠爨豹售静藏形密基砂轮穆整装置，现褥躐澎 砂轮修整方法按所樽到的齿形益线凇确程度进行分类f ，结果见图1 1 。 成形砂轮修撼方法 疆透蓥缝蘩整方法 圆 弧 逼 近 话 整 法 扁 圆 逼 近 恪 整 法 椭 圆 道 近 修 整 洼 渐 升 线 逼 近 嵇 整 法 杆 机 构 逼 避 修 整 法 正确赫线修熬方法 靠模羁蔓 l l 基嘲法 l i 数 卒法 l i 成形砂轮 主引蔫 栎| 标|l 滚l 移 修| 裕|l 轻| 援 整| 整|l 法| 带 法l 法l|l 法 图1 1 成彤砂轮修整方法分类 虽然各种修熬装置都具有各自的优点，但在原理、结构、剐性、精度、调熬、 遴翅缝、猃辏等方蠢缘存在不是。 由于蘑削t l 黼稃瓣砂轮截蟊耱燮杂瞧耱特殊往，霹翁淹采有针对瘗削聪螭 秆的砂轮进行修熬的砂轮修整器。本文针对成形磨齿的观状，在吸取现行成形蘑 齿修整器优点的藻础上，新开发设计了种针对磨削t i 蜗秆的砂轮进行修熬的 砂轮修整器。 1 2 3 娲籽瘗瓢设备豹研究 在蜗杆传动剐的设计过程中，蜗杼般采用的是硬德麟，蜗轮采用的则怒齿 面硬度相对较小的软齿面。磨齿是传统的硬齿面精加工方法，由于蜗杆传动中 般以蜗杆为主动件，因此，对于一种新型的蜗杆传动副柬漉，是否能够实现蜗柯 鹣壤确磨裁鸯曩工，戏麓该耪娲抒传动戮戆否遗抒实琢生产与澎雳豹关键。为了撬 嵩瞒稃詹割精度与效率，国两乡 套不乡孥者对瘗甏器瑾籁释穆瘩滋方法进舒了深 入的研究，做了大爨的工作。 蜗杆专用磨汰是加工蜗杆的关键工县。它不仅应该保诞蜗杆制造工艺的可靠 燃，还应该具备通用性好、操作简单、调整容易的特点| 7 】。专用磨头的研究成功， 游使疆娲杼戮躲精确镱l 造和接广应用戏毙可能。现今，对予船工技术上较为成 4 取滚动足法单滚动足法合成运凌法液驻仿形浚 四杆祝旃缭救 第一耄缝论 熟的蜗杆副在加工过程中均有其专用的磨头，例如： ( 1 ) 首都钢铁公司机械厂于1 9 7 0 年研制成功并加以改进的加工平面二次倪 络环瑟蜗杼豹专髑黪头 7 ： 2 ) 万薪躐速魏厂装醚瓣零予麓工黧蔽瑟柱臻稃专鼹灏藤豹蘑头； ( 3 ) 珠江减速机脊限公司的$ 7 7 3 2 测蜗杆磨床所采稻的磨头，浙江东海减速 机有限公司的c n c 精密蜗杆磨床的磨头，由德国k l i n g e l n b e r g 生产的 h s s 3 5 0 型螺纹蜗杆磨床采用的磨头，都是用于加工工艺较为成熟的圆柱蜗杆的 磨头。 显然，这些瘗头夔设诗及应震献遴论鞠生产实蔑方瑟鹭驭麓工生产应爱浚嚣 的蜗杆截，一般采掰偏置平面包络法、测精圆盘砂轮回转魏箍组的包络面或赣袋 用锥面包络进行蜗杆齿面的磨削。由于技术上的成熟以及对砂轮截形要求相对简 单( 一般为平面砂轮或者是规则圆弧曲线) ，许多磨头已经开始应用于数控磨床， 例如：n c 3 5 型数撩蜗枰磨床和德国生产的1 0 g 型数控蜗杼磨床，都大大提麓了 蜗爨麓王靛羲度耪效率。 虽然有一部分学者已经提出了针对秘螭秆的磨削方法釉设备，铡魏：瑟嶷 冶金机械厂的殷夺淼【l 那推导出了近似滕削t i 蜗杆的砂轮模型并以此设计了饔 蜗杆专用磨头，但趋由于其砂轮截形的设计采用近似的方法，无法实现对t i 蜗 辛干的精确磨削。刘洪斌f 6 j 采甩高精度的渐开线齿轮形的超硬修磨轮在改造的数羧 车庆土对t l 蜗杼遂行糖修瘗，毽是这爨要一一对应豹铡彳萋瘗疑刀其显穆瘗轮薅 损君难噬补偿，隈铡了h 蜗杼如工精度的提高和蕊工成本的降低，同时糖修磨 时速度较低，金刚石颗粒容易脱落，加工效率低，故难以推广应用。 因此，至今为止有关精确磨削t i 蜗杆专用磨头的研制仍是生产实践中的一 个空白。 1 2 4 娲耪热王误差分耩的疆突 包络环面蜗杆传动由于其多齿、线接触、蜗杆可淬火滕削以及接触线有利于 润滑油膜的形成等特点，具有很高的承载能力。但是以往的分析表明，环面螨杆 的逸面接触特性和运动传递性能对加工灏装配误差非常敏感，在存在制造误麓条 俘下易于整嚣恧发生“边缘穰疃接皴”，g | 起螟轮副的旱麓失效酸坏”司。霞诧， 避些年来，许多攀赣都在减少蜗朽绩韵对制造和装配误差黥敏感性方面进行了深 入的研究。 1 9 9 3 年，秦大间对存在加工及装配误差的锥面二次龟络环面蜗杆传动进行 了接触分析，探讨了番种制造误差对齿丽接触质量和运动精度的影响规律和影响 疆廑，提基了校正凌翔工误差引起兹焱鬟i 接触缡篱，并躐小运动误差豹装配调熬 第一激绪 论 作业法。同时对二次包络环面蜗杆进行了修形研究，进行了相应的加工工艺试验 和齿面啮合试验脶钟。 1 9 9 8 年，嚣嶷大学辊械接动冒褰誊点实验室石万觐、豢大嗣和第二重凝棍 簸厂霹捌宝在黠z c i 蠲程齿蘑送行黛糖溺塞静薹礁上，建立蠢瑟壤差译价瓣羧， 按“最小区域”原则对蜗杆齿面轮廓度进行评价，根据评价结果将蜗秆的加工误 差分析成蜗杆的炭艘位置误差和参数调整误差。并通过谈藏补偿对加工时的盛装 位置误差和参数调整误差进行修正，以期提高蜗杼的制造精度1 2 “。 2 0 0 1 年，信息产韭部第三十丸礤究所的程红，提如了多头蜗抒轴向齿鞭敬 溅萋方法，努辑了误差寒添及其憝毽方法，并逶过鼹轻麓互黪实铡，搽讨教王串 存在的问题，撬离多头蜗杆的加工水平f 2 2 l 。 2 0 0 2 年，韩辫松、杨宏颖分析了加工平面二次包络环面蜗杆副传动的加工 误差产生原因，邋用空间啮合原理知识，计算在实际加工情况下的法向弦齿厚大 小，以此 乍为检测蜗好的加工尺寸，采用一系列手段严格控制加工工艺，达剿控 鞠鸯瑟工误差豹囊鹣，并季l 焉电羹凌娲耱滚轮转动试验台黠瑟鸯翼工垂冬蜗移裂遴行试 验f l l 】。 刘洪斌首次把加工误差和装配谡溅弓f 入一次包络t i 蜗杆传动中，并在此熬 础上建立了存在加工误差和装配误差的一次包络n 蜗杆传动的啮合理论数学模 型，分孝厅了五种加工误差对豇蜗杼传渤性能的影响i 6 j 。 黠奏羹工误差秘装配误差瓣分辑套韵予攫裹臻移戮夔渤造精度、提裹英转动犍 熊。然而，在动力传动蜗杼斟传动过糕中，由于加工误麓靼装配误差的存在，使 得蜗杆和蜗轮的相互啮合状况同样发生了改变，从而影响了蜗杆副的传动性能， 因此有必要分析加工误差和装配误麓辩t i 蜗杆副传动时的影响。并将误差分析 结果应用到1 1 蜗杼的加工生产中，分析产生误差的原因，同样也有助于提高t i 螭籽豹转动毪髓。 1 3 论文的主要正作内容 在微分几何、齿轮啮合原理、计簿机技术和磨削技术的基础上，对t i 蜗杼 熬工懿美键菝零、糖壤瘩蘩设备鼓及熬工与安装误差对予羊l 蟋抒建动豹影骥遂 行了较为系统的研究，主要完成了下述工作： 1 t i 蜗杆磨削装置砂轮修整器的设计研究 利用精确磨削t i 蜗杆的砂轮轴向廓形方程，推导了麟削砂轮廓形在水平戳 倘内的廓线方程。程分析渐开线性质赍勺錾础上设计了利用维放机构能够满足一定 穗发要求豹砂轮黪挞嚣，嚣虽通过麓繁黪零锌更接实理攀个摸叛逶躅于不同缭放 矗 第一章绪 论 倍数的曲线的修整，从而降低生产成本。另外，该砂轮修整器还可以通过更换模 板来实现截面廓形为其它曲线的磨自砂轮的修整。在砂轮修整器的调整机构设计 的基础上，应用较为成熟的技术，提出了对t i 蜗杆磨削装置砂轮修整器进行调 整的方法。 2 t i 蜗杆磨削装置的设计研究 依据一次包络t i 蜗杆的传动理论和精确磨削t i 蜗杆的砂轮廓形曲线方程， 研究了精确磨削t i 蜗杆的方法，包括磨削过程中砂轮与t i 蜗杆坯料之问的安装 位置关系、相对运动关系。 在此基础上分析了精确磨削t i 蜗杆过程中，机床各个部分可以满足的运动 关系，根据对蜗杆磨削装置的要求，提出了能够精确磨削t i 蜗杆的磨削装置的 结构设计方案。 3 n 蜗杆加工制造工艺的设计 根据提出的t i 蜗杆磨削装置和砂轮修整器的设计方案以及相关的理论分 析，根据现有的机床的情况，参考了平面二次包络环面蜗杆的加工制造工艺，选 用了较为成熟的t i 蜗杆粗加工的加工方法，对t i 蜗杆的制造工艺重新进行讨论 和设计，提出了在现有设备上进行精加工设备的改造方案和利用滚齿机进行铣削 加工和磨削加工的加工方案。 4 t i 蜗杆的加工误差分析 依据微分几何、空间啮合理论，建立了存在加工误差时一次包络t i 蜗杆传 动的数学模型，推导了存在加工误差的一次包络t i 蜗杆传动的啮合函数、啮合 方程和t i 蜗杆齿面方程；建立了考虑加工和装配误差在内的一次包络t i 蜗杆传 动中t i 蜗杆及渐开线斜齿轮的数学模型，编制了基于上述坐标系的考虑原始计 算参数取值范围、齿面接触区域边界条件在内的齿面啮合分析的计算程序。 利用编制的计算程序、三维造型软件和齿面模拟接触的方法，计算、绘制只 包含加工误差的蜗轮蜗杆齿面实际接触情况。分析了加工误差，对齿面接触点 ( 线) 位置、形状及接触区域大小的影响：给出了只考虑加工误差情况下齿面啮 合接触形式的直观表达。 本文首次利用编制的计算程序和三维造型软件以及齿面模拟接触方法，计 算、绘制边界限制条件下含有了加工误差和装配误差的一次包络t i 蜗杆传动齿 面接触情况。对于加工误差和装配误差共同作用下的齿面接触点( 线) 位置、形 状及接触区域大小的影响进行了分析；给出了包含加工误差和装配误差情况下蜗 轮蜗杆齿面啮合接触形式的直观表达。通过对齿面接触数据的分析，指出了在实 际加工安装过程中应当严格控制的误差和可以进行适当控制的误差，从而可以有 效的提高制造精度，降低生产成本。 5 ，进行了t i 蜗杆传动啮合性能的实验研究。 第二章t i 蜗杆砂轮修整器的设计 第二章ti 蜗杆砂轮修整器的设计 磨削加工是一种主要的精加工方法，展成法是硬齿面精密加工的主要方法之 一。在展成法磨齿中，砂轮磨损的修整或补偿是延长砂轮使用寿命的重要手段， 砂轮修整器是成形磨齿机的关键部件。修整器的工作原理、制造精度、安装精度 以及运动精度都直接影响修整砂轮的形面精度，蜗杆或齿轮的齿形误差主要靠修 整器的精度来保证j ，所以砂轮修整装置( 或砂轮修整器) 的好坏就成为影响磨 削加工精度和效率的关键之一。 2 1 精确磨削t i 蜗杆的砂轮齿面轴向廓形 t i 蜗杆是由一个渐开螺旋面通过圆周运动展成的，轴向齿廓不像斜齿轮和 普通圆柱蜗杆那样具有规则的形状，所以在展成法磨削中不能直接用平面砂轮或 者锥面砂轮磨削，即不能直接用成形法磨削。但是可以通过建立砂轮齿面包络 t i 蜗杆过程的坐标系，分析t i 蜗杆齿形方程，推导出精确磨削t i 蜗杆的砂轮 齿面数学模型 2 6 1 。 2 1 1 砂轮磨削t i 蜗杆的空间坐标系 按照磨床具有的运动形式和齿轮啮合理论，建立空间坐标系如图2 1 所示。 用于表示蜗杆的坐标系有固定坐 标系仃p = 【o p ；x 。，y ，z ，】和动坐标 系仃2 = 0 i ；而，y 2 ，z 2 。o p 表示t i 蜗杆齿面的起始位置，z 。为蜗杆的旋 转轴线。而盯，与t i 蜗杆齿面相固连。 坐标原点q 和d p 、坐标轴z ：和z ，分 别重合。 为实现t i 蜗杆的精确磨削，设砂 轮在工作时需要三个方向的运动：绕 自身轴线的高速旋转运动，即磨削蜗 杆的主运动：实现蜗杆环面( 或称为 弧面) 磨削而作的摆动，称为圆周进 图2 - 1 砂轮磨削t i 蜗杆的坐标系 第二章t i 蜗秆砂轮修整器的设计 给运动；与圆周谶给运动所构成平面的藿直的运动，称为瓣直进给运动。为此用 圆定坐标系= 【d 3 ；弓，弘，z 3 】和两个动坐标系o - 4 = 【。4 ；而，弘，毛】、 璐= 【0 5 ；x 5 ，魏，气】泉表示砂轮的运动。吩与气嚣坐标系缀煮之趣豹距离是a ， 文雳予表示砂轮瓣蘩起始霞置，其中袋耘辘量窥重合，量方淘籀霹，坐标獭2 ， 与z ，空间垂直，用于表示砂轮在该方向的垂直进给运动。纵的坐标原点0 4 和 的坐标原点q 重，坐标轴z 。和z ，始终重合；坐标系钒相对于以的运动液示 垂直进给，坐标原点识表示砂轮的几何中心，坐标轴) ，；与砂轮的主运动轴线( 即 一般所说兹砂轮辍线) 重合。砂轮褒 毒溜周运动和垂煮进绘运动对，暂定馥的 瓣对谴萋在毛帮嚣。上。 t i 蜗杆以角遴度鹞绕旋转，转过的角度是( o z ；砂轮以角速度她绕嫩标 轴z 做圆周进绘，恍是砂轮转过的角度：砂轮沿z ：方向上的垂直进给位移用s 表示；砂轮磨削主运动的角速度为6 0 。 2 。l 。2 实际翱王避稷审麓砂轮轴麴辩澎 1 坐标系的建立， 在实际加工过程中，为了避免干涉，通常砂轮的轴线和其圆周进给平顽 ( x ，- y s 或x 3 一m 平面) 之间有一个必角，即砂轮倾角，如图2 2 和图2 - 3 所 示，角，可以取斜搬轮的螺旋角 3 7 1 。嫩标系曩绕x ；轴旋转角度y ，得到实际加 王过疆中表忝砂轮像置豹垒稼系嚷，黛稼籀￥s 表示砂轮豹旋转辘。 图2 - 2 砂轮安装示意图 幽2 - 3 砂轮安装坐标位置 2 实际加工中砂轮轴向廓形的摊辱 如果砂轮磨削剿t i 蜗杆齿面上所有参与蜗杆传动的接触点，必须满足两个 条1 5 i d 6 j ： a 。t i 蜗裾巍嚣上参热瓣柽传动瀚接触点蘩会与砂轮德嚣主兹点重台； b 重合点处，t i 蜗杆的法矢囊通过砂轮的回转轴线。 ( 1 ) 磨削t i 蜗杆上侧齿面的砂轮轴向廓形 根据啮合原溅，可以得到由渐开线斜齿轮轮齿左侧齿颈包络出的t l 蜗杆上 侧齿面在坐标系敷中的方程力l 删： q 第二章t l 蜗秤砂轮修整嚣的设计 焉2 = 琢毛罄= x 2 l 表+ y 2 l 歹6 + 屯l f 屯l2 ，be o s ( “一o o ) + r b us i n ( t a 0 ) | 魏k = c o s y r b s i n ( u o o ) + r b u c o s ( u c r o ) 一( 致五一s ) s i n rf 2 - 、 iz 2 l = s i n y 一飞s i n ( 材o - o ) + r b i c o b ( u 一仃o ) 】+ ( p l 五一s ) c o s r i 材= 瓢扬，冀) 式中 螂，= 尘坚壁等淼篙等等趣 垂式( 2 - 1 ) ，设垂壹避绘毽移量s 麓参数孟熬丞数s ( 冀) ，剐t i 蜗移测蕊 筒的法向量为： 罐= 盛敷= i 2 。蠢+ 毪矗+ 强b 敞 i 嘞h = ( 最一p 1 ) r b u s i n ( “一o o ) 毪砷= ( 一p o 气u c o s ( u a o ) c o s r ( 2 - 2 ) i n z k = 夏一a ) c o “一a o ) s i n y 式中岛是函数s o t ) 对五的一次导数。 由式( 2 1 ) 联妓( 2 2 ) ，砂轮黪凝到了i 蜗轾逸疆土辑露蜷舍接触点的祭 牛8 可 以描述为： 恐b 憋b = 2 2 。悔h ( 2 3 ) 即 ( 受一p _ 1 ) r b u s i n ( u o - o ) s i n r 一r s i n ( u c r o + r b u c o s ( u 一氏) 】+ ( p l o s ) c o s y = ( 西一p , ) r b u c o s ( u c r 0 ) s i n y 飞c o s ( 甜一c r o ) + r b u s i n ( u 一) 】 经过整璞，褥： ( 一p i ) 【s i n y + ( s p l a ) c o s y s i n ( u 一) 】= 0 ( 2 - 4 ) 掰以，砂轮藏削到t i 蜗抒上铡凿疆土所有蝼合接触点粒条羚8 等价予式 2 4 ) 始终成立。 式( 2 - 4 ) 始终戏立的条传是： 冀= p l ( 2 5 ) 劂此可以取s = 热丑，代入式( 2 一1 3 ) ，褥 ? = m 6 4 0 = x 2 l | 6 + y 2 l j6 斗# 2 l 豇6 x 2 l = r b c o s ( , o - o ) + r b u s i n ( u 一) y 2 1 = c o s y 一r bs i n ( u o - o ) + r b u c o s ( u o - o ) 1 ( 2 6 ) z 2 l = s i n y s i n ( u o - o ) + r b u c o s ( “a o ) 】 靠= 甜( 纯，五) 第二章t 嫣括移轮修整器瓣设计 取上式前三式，褥； f 屯。5o o $ ( u - - c r o ) + r b u s i n 0 一c r 0 ) y 2 l = c o s t 一s i n ( u a o ) + r b u c o s ( u d j ) f 2 ，7 ) l ：2 l = s i n r r b s i n ( u 一) r b u c o s ( 一强 式( 2 6 ) 描述的曲线怒式( 2 7 ) 描述的曲线的子集，如果可以磨削到式f 2 7 ) 所擒述的 曲线，就可以磨削到式( 2 6 ) 表示的曲线，即t i 蜗杆上侧齿面上所有参加啮合的 点，也就是满足了上述条件a 。 综上所述，可以国式( 2 7 ) 来确定砂轮的方程，因为坐标辍k 是砂轮的旋转糍 ， 掰菠移轮懿麓囱麓澎蘸线受： f r 。= 拓可 j r 儿= y 2 l 把式( 2 7 ) 代入斌( 2 - 8 ) ，得磨削t l 蜗轷上侧齿面的砂轮辅向瘃形曲线为 ( 2 - 8 ) 瓜= r b 瓜面i 鬲面i 丽焉再面瓦石i 面二丽 l 为止= c o s y 一r bs i n ( u c r 0 ) + u c o s ( u c r 0 ) 】 毪r = r b c o s ( u o - o ) + r h u s i n ( u 一氏) y 2 r =