硕士论文平面二次包络蜗杆的四轴四联动磨削和车削方法研究

1、西华大学硕士学位论文平面二次包络蜗杆的四轴四联动磨削和车削方法研究姓名：代晓会申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：陈守强20090501F o u rA x i s I n t e r p l a t i o nG r i n d i n ga n dT u r n i n gM e t h o do fP l a n a rD o u b l e - E n v e l o p i n gW o r mS t u d yM a j o r ：M e c h a n i c a ld e s i g nP o s t g r a d u a t e ：D a iX i a o h

2、u iS u p e r v i s o r ：C h e nS h o u q i a n gT h ep l a n a rd o u b l e e n v e l o p i n gw o r mi si n d e p e n d e n t l yd e v e l o p e db yo u rc o u n t r ys c h o l a r s S i n c ei th a st h ea d v a n t a g e so fd o u b l el i n ec o n t a c t ，l a r g e rc o m p o s i t ec l l r er

3、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 si m p o r t a n ta p p l i c a t i o n si ni n d u s t r y T h e r e f o r ei no r d e rt oi m p r o v et h ep l a n a rd o u b l e - e n v e l o p i n gw o r mm a c h i n i n ga c c u r a c ya n de f f i c i e n c ya n dl o w e rt h

4、 ep r o d u c t i o nc o s t s ，w i t c hb e c o m eav e r yi m p o r t a n tt a s kf o rm a c h i n i n ge q u i p m e n ta n dm e t h o d sd e v e l o p e ds t u d y B a s e do nt h ep l a n a rd o u b l e - e n v e l o p i n gw o r mm e s h i n ga n a l y s i s ，a n db a s e do nf o u ra x i s -

5、i n t e r p l a t i o np l a n a rd o u b l e e n v e l o p i n gw o r mm a c h i n i n gp r i n c i p l e ，a n a l y z e da n dd i s c u s s e dt h es t r u c t u r ea n dm a c h i n i n gm e t h o do ft h eN Cg r i n d i n gm a c h i n e s M a d eaw h o ld e s i g np r o g r a mo fp l a n a rd o u

6、 b l e e n v e l o p i n gw o r mN Cm a c h i n e T h em a c h i n eC a na c h i e v et h r e e a x i si n t e r p l a t i o nt u m i n ga n df o u r - a x i si n t e r p l a t i o ng r i n d i n go fp l a n a rd o u b l e e n v e l o p i n gW O r m A tt h es a m et i m e ，t h ek e yu s e df o rg r

7、i n d i n gp a n s - m a c h i n et o o ls p i n d l e ，r o t a r yg r i n d i n gh e a dg r i n d i n gh e a da n dd r i v et h er o t a r yt a b l ef o rad e t a i l e ds t r u c t u r a la n a l y s i sa n dd e s i g n A n di na c c o r d a n c ew i t ht h ep r o c e s s i n go fp l a n a rd o u

8、b l e e n v e l o p i n gw o r mm a i nf u n c t i o no ft h er e q u i r e m e n t so ft h eo r i g i n a ls p i n d l eN Cl a t h ef o rt h et r a n s f o r m a t i o np r o c e s st om e e tt h ew o r ma tt h ee x a c tl o c a t i o na n dd e g r e e r e q u i r e m e n t s I nt h et r a n s f o

9、r m a t i o no ft h ed e v i c ea f t e raw o r mg r i n d i n gp i l o ts t u d yv a l i d a t e dt h eu s eo fg r i n d i n gt h e o r ya n dm e t h o d I no r d e rt ov e r i f yt h ea c a d e m i ca n a l y s i s ，w em a d eas u f f i c i e ta nd e e pe x p e r i m e n t I I F o rt h o s e ，b a

10、s e do nC D K 615 0N Cl a t h et om a k eag r i n d i n gm a c h i n e ，w h i c hn o to n l yg r i n d i n gb u ta l s ot u r n i n g A c c o r d i n gt ot h ea c t u a ln e e d so ft h ep r o d u c t i o n ,a n a l y s i so ft h eg r i n d i n ga n dt u m i n gf o rp l a n a rd o u b l e e n v e l

11、o p i n gw o r mm a c h i n i n gt h e o r y , m e t h o d sb a s e d0 nt u r n i n gt h ep r o g r a m m i n ga n dc o m p u t e rs i m u l a t i o na n a l y s i s ，a n du s e di nc e m e n tg r i n d i n gw o r n lt u r n i n gi n t oak n i f eu s e di nT a i w a na n dt u m i n gas e r i e so ft

12、 e s t st ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h et h e o r ya n dm e t h o do fh i g hp r a c t i c a lv a l u e K e y w o r d s ：p l a n a rd o u b l e e n v e l o p ew o r m , N Cg r i n d i n gm a c h i n e ，N Cl a t h e ，N Cg r i n d i n gm e t h o d ，N Ct u m i n gm e t h o d I I I -西华大学

13、硕士学位论文声明本人声明所呈交的学位论文是本人在继承了往届研究生的研究成果基础上，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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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陈守强副教授的指导下取得的，论文成果归西华大学所有，特此声明。作者签名：代日尧金 。T i n6 月9 日导师签名：碟身嗽年石月日西华大学硕士学位论文西华大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者

14、完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1 、保密口，在年解密后适用本授权书；2 、不保密刚适用本授权书。( 请在以上口内划4 )学位论文作者签名：代晚金日期：2 佃7 6 8指导教师签名：豫暑及日期：叫歹7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一种主要形式，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。具有传动平稳，振动、冲击、噪声均很小，传动速比大

15、、结构紧凑、体积小等优点。在传递空间交错轴的运动和动力时，它具有对传动系统上游误差缩敛作用，因而除被广泛应用于作动力传动外，一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蜗轮蜗杆的研究应用和发展。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) 传动最具代表性。由于蜗杆传动属交错轴传动，蜗轮与蜗杆工作齿面间存在较大的相对滑动速

16、度，蜗杆传动的主要失效形式是严重磨损和齿面胶合，如何降低齿面间的摩擦、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，一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 ) 在蜗轮材质等同的条件下，优质的蜗杆传动除了应具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研究平面二次包络蜗杆的关键加工设备和加工

17、方法，下面对环面蜗杆副的形成、分类、特点和应用做一简要说明。1 1 环面蜗杆副的形成、分类和特点1 环面蜗杆的形成环面蜗杆包围蜗轮或圆柱齿轮形成环面蜗杆副。蜗杆的分度曲面为圆环内表面的一部分。蜗杆和蜗轮互相包围时，又称双包围蜗杆副。环面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加工。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，q和0 为其公垂线分别在刀座轴线和蜗杆轴线上的垂足。蜗杆不修形时，刀座轴西华大学硕上学位论文心口与蜗杆轴线的距离等于被加工蜗杆副的中心距离口；刀座的速比1 d 等于蜗杆副的传动比，。在刀座轴心仍与蜗杆轴线所在的蜗轮中间平面上，由半径为

18、r h 的蜗轮主基圆( 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，刀座按速比一传动，直线刀刃在蜗杆上的轨迹曲面、平面或锥面得包络面为环面蜗杆的螺旋面。图卜l 为直线刀刃形成的环面蜗杆螺旋面。F i g l 一1T h eb l a d eh e l i c o i dw o r mf o r m e db yas t r a i g h tl i n e图1 - 1 由直线刀刃形成环面蜗杆螺旋面2 环面蜗杆的分类( 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

19、线，称之为直廓环面蜗杆。曾被称为球面蜗杆或圆弧面蜗杆，国外又称为H i n d l e y 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。西华大学硕士学位论文F i g1 - 2H i n d l e yw o r l l l图1 - 2 直廓环面蜗杆( 2 ) 平面包络环面蜗杆如图1 - 3 所示为平面砂轮精磨环面蜗杆一侧螺旋面。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

20、面与刀座轴线的夹角为产形面倾角，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一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一侧螺旋面。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。角可根据需要在一定范围内取值。砂轮锥面展成蜗杆齿槽一侧的螺旋面。F i g1 - 3P l a n e - e n v e l o p ea n n u l a rW O I T l l图1 - 3 平面包络环面蜗杆西华大学硕士学位论文F i g1 - 4C o n i c

21、 - e n v e l o p ea n n u l a rw o r m图1 - 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0 。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O o O d 转砂轮轴线倾角夕( 图中未标出) 。砂轮的双锥面展成蜗杆齿槽两侧螺旋面。F i g1 - 5D o u b l ec o n i c - e n v e l o p ea n n u l a rw o r m图卜5 双锥面

22、包络环面蜗杆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，合理选择修西华大学硕士学位论文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，使分摊到每一接触点的载荷较小。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一滑动角，

23、来评价齿面的润滑条件。环面蜗杆传动滑动角接近9 0 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，一般由滚刀产形螺旋面一次接触产生的蜗轮齿面原接触区罗，。和产形螺旋面二次接触产生的新接触区：B 组成。蜗杆副新接触区：口的瞬时接触线法向诱导法曲率很小，齿面接触应力小。由于上述优点，环面蜗杆传动的承载能力大，传动效率高。图1 - 6 为传动比：= 4 0 ，蜗杆转速玎，= 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承载能力的对比。图1 - 6 中，兀为蜗轮转矩( N o 墩) ，a 为中心距( 珊) 。在国外，环面蜗杆传动

24、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。每I x l 0 3 f 所聊m 2 4 1西华大学硕十学位论文、，。，r3、。、一2。8 0l o o n nQ m m2 0 0卜直廓环面蜗杆2 一圆柱蜗杆3 一圆弧齿圆柱蜗杆F i g1 - 6C o m p a r a t i o no ft r a n s m i s s i o na n db e a r a n c ea b i l i t yo f t h r e ew o r m s图1 - ( 5 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

25、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和蜗轮的轴向位置；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。将环面蜗杆传动标准化、系列化和专业化生产，可提高产品质量和生产率，西华大学硕士学位论文降

26、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T e x t r o n 集团的C O N E 公司：日本有住友重机械工业株式会社。4 环面蜗杆的应用平面二次包络环面蜗杆副与普通圆柱蜗杆及直廓环面蜗杆相比较具有很多优点：有接触齿数多、蜗杆齿面可淬硬精确磨削、齿面硬度高、齿面光洁、精度高、齿面接触面较大，并有瞬时双线接触、接触线总长度长、综合曲率半径大、接触应力小、啮合润滑角大，啮合中容易形成动压油膜、减少齿面磨损等特点。自环面蜗杆传动型式诞生以来，很快在全国各行各业中被推广，现已大量应用于冶金设备，并在造船、采矿、机械、建筑、军工、化工等各行业中

27、采用，受到普遍欢迎【l 】。1 2 平面二次包络环面蜗杆的发展概况在机械传动领域，总的发展趋势是高速重载、高效、高精度。蜗杆副传动自1 8 世纪7 0 年代发明以来一直是重载传动的常用形式，其大传动比、紧凑的结构、较大的承载能力是其他传动形式难于比拟的。所以，世界上很多国家，尤其是工业发达的欧洲、美国、日本、前苏联等都积极研究、发展蜗杆副传动。除了早期的圆柱蜗杆副外，最有代表性的产品是美国E x - - C e l l - 0 公司的C O N ED R I V E 和德国的N I M M A N 蜗杆传动( 即圆弧齿圆拄蜗杆传动) 。C O N ED R I V E 在我国被称为直廓环面蜗杆

28、传动，其蜗杆齿面用直刃刀具车削成形。若用一个平行于刀盘主轴的平面砂轮代替直刃刀具，则可磨削成形平面包络环面蜗杆；如果以平面包络环面蜗杆螺旋面为母面，再来滚切蜗轮，则这一对蜗杆、蜗轮可构成平面包络环面蜗杆传动副。平面蜗轮产生于1 9 2 2 年，是由美国格里森公司总工程师E W i l d h a r b e r 发明的，主要用于大传动比场合。1 9 5 1 日本的佐藤发明了斜齿面蜗轮传动，蜗轮齿面相对其轴线倾斜一定的角度，使这种传动装置由大传动比扩展到中、小传动比。并由R I K E I 公司生产，商标为P L A N AW O R M 。1 9 6 9年日本的石川昌一获得了平面包络环面蜗杆传

29、动的专利，该型蜗杆传动的蜗轮可用展成法加工。1 9 7 2 年日本的酒井高男和牧充对交错轴齿轮传动中的第二次作用进行了研究，1 9 7 6 年完成了切齿及强度实验，日本住友重工以H E D C O N 为西华大学硕士学位论文商标进行了成批生产。2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初，我国和日本分别研制成平面二次包络环面蜗杆传动。我国命名为“首钢“粥一7 1 型蜗轮副 。1 9 9 6 年6 月1 7 日我国颁发了“平面二次包络环面蜗杆传动国家标准( 1 9 9 6 年1 2 月1 日起实施) ，在促进这种传动的推广应用和传动的制造精度及质量的提高。平面二次包络环面蜗杆传动与平面一次包络环面蜗

30、杆传动不同，它将平面蜗轮作为工具齿轮通过平面一次包络过程展成平面包络环面蜗杆之后，又以蜗杆为基本蜗杆制作成蜗轮滚刀，按该蜗杆与二次包络蜗轮啮合展成蜗轮齿面，因此该传动蜗轮副的形成需要经过两次共轭啮合的包络过程，故此得名。平面二次包络环面蜗杆传动的蜗杆可淬火磨削，蜗轮滚刀可以制作，因此蜗轮可以采用滚刀加工。传动具有多齿啮合、双线接触、蜗杆不必人为修形、接触特性好等优点，性能全面超过直廓环面蜗杆。该传动研究成功，在我国几乎全面取代了直廓环面蜗杆，在我国制造业中发挥了很大的作用，广受用户欢迎。它的问世是平面包络环面蜗杆的一次重大发展。1 9 7 2 年日本学者提出蜗杆二次作用理论，对滚刀产形面二次接

31、触在蜗轮齿面上形成新接触区作了精辟的分析。我国学者对平面二次包络环面蜗杆副的啮合理论进行了系统研究，做了以下工作：齿面接触线和各类界线的计算；接触线法向诱导法曲率和滑动角的计算：对蜗杆边齿项变尖和蜗杆和蜗轮的根切进行了研究。这些研究对平面二次包络环面蜗杆副参数的选择和微观啮合质量的评价起了很大作用。我国学者对平面二次包络环面蜗杆传动的啮合理论和设计做了全面总结，对蜗杆修形进行了研究，做了大量计算。上述研究工作对平面二次包络环面蜗杆传动在我国的专业化生产和推广应用中起了很大作用，对平面二次包络环面蜗杆传动的修形和宏观啮合质量进行系统研究，推荐了首选传动类型和修形参数的选择范卧6 1 。1 3 平

32、面二次包络环面蜗杆的加工方法现状平面二次包络环面蜗杆主要是利用车削的方法粗、精车圆环面，对蜗杆车削后对其进行相应的热处理，热处理后精磨齿面，加工出复合要求的平面二次包络环面蜗杆。目前平面二次包络蜗杆的加工方法主要有磨削、车削和铣削三两华大学硕士学位论文种方法。由于铣削存在很多技术上的问题，目前还难于解决，因此应用的不多。对于蜗杆的高精度和高承载能力来说，磨削方法应用最为广泛，其次是车削方法。如下介绍的是传统的平面二次包络蜗杆数控加工方法。1 9 7 0 年到1 9 7 1 年，首钢机械厂张德华等同志在总结研制直齿平面蜗杆副的经验基础上，先后解决了两项关键问题，一是利用旧皮带车床改装出一台能加工

33、中心距2 5 0 m m 的环面蜗杆专用车床，一是设计制造出专用磨头。这两项关键设备与工装是运用平面包络技术研制新型传动的基本条件，缺一不可。1 9 7 1年，在制造斜齿平面蜗轮副的基础上，制造了我国第一套平面二次包络环面蜗杆副。可见，专用车床和专用磨头是运用平面包络技术的关键所在，这两项专用工具的出现，标志着我国平面包络技术研究进入了新阶段。可以说这次通过车床改造的设备是加工平面二次包络环面蜗杆副的第一次成功运用。拉开了改造和研制平面二次包络环面蜗杆副加工设备的序幕。平面二次包络环面蜗杆传动在我国问世以后，受到各方面的重视，许多高等院校、科研单位、工矿企业开展了对这种传动的研究、实验和试制工

34、作，取得了很大成果。较早进行理论研究的单位有重庆大学、北京科技大学、进行这项研究的单位还有郑州机械研究所。以后逐渐参加研究的单位有乐山冶金机械轧辊厂、西安冶金机械厂、南开大学、北京理工大学、天津市机械研究所、上海冶金设备总厂、湘潭钢铁公司、西安冶金建筑学院、太原钢铁公司、武汉钢铁公司、鞍山钢铁公司、中国矿业大学、中国农业大学等。在诸多单位对平面二次包络环面蜗杆传动进行讨论研究期间、我国齿轮传动学术界形成了理论与实践紧密结合，不断取得新成果的欣欣向荣的局面。理论研究的成就推动着平面二次包络环面蜗杆传动在我国的传播和推广。平面二次包蜗杆专用加工设备和加工方法是推广和应用的关键。加工平面二次包络蜗杆

35、的加工设备是我国很多厂家往往通过采用现有设备进行改装。为了实现平面二次包面蜗杆加工所需要的运动，可以在多种设备( 如滚齿机、车床、插齿机等) 等上面加装附件来满足平面二次包络蜗杆的加工，但是这种简易的加工设备与方法都难于满足高精度和高效率的生产要求，这极大地影响了平面二次包络蜗杆的标准化、序列化、大批量、高精度生产和推广使用，使该蜗杆凭其优异性能参与市场竞争的能力大打折扣。采用现代数控技术来进行平西华大学硕士学位论文面二次包络蜗杆的生产是解决上述矛盾的有效手段和必由之路，已越来越成为人们的共识。为了提高加工精度和加工效率各研究单位都在致力于开发研究专用平面二次包络蜗杆的加工设备。例如重庆大学在

36、2 11 工程项目中提出的与西华大学合作研究的平面二次包络的专用两轴两联动数控加工机床N C 2 0 5 0 A 。该机床的研制成功是用数控设备加工平面二次包络蜗杆的起点。由于这种机床是在螺纹磨床的基础上改造而来的，其加工工艺范围小和机床结构庞大，在此基础上提出了四轴四联动数控磨床的加工原理以扩大机床的加工范围和减小机床的结构尺寸。由于数控车床价格比较低廉，应用最为广泛，在大多数企业都有这样的数控车床。本文介绍的是根据四轴四联动磨削理论，利用C D K 6 1 5 0 数控车床改装成实现的平面二次包络蜗杆的加工试验设备，在改装好的试验设备上即可以实现磨削试验同时也可以实现车削试验。车削试验是一

37、种全新的数控加工平面二次包络蜗杆的加工方法。因此只需要将这种数控车床进行一定的改造，就可以成为平面二次包络蜗杆的专用加工设备。1 4 课题的目的、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现代工业生产中发挥着越来越重要的作用，为降低加工成本和提高加工精度，使其得到广泛应用，加工设备及加工方法起着决定性的作用。西华大学数控研究所受重庆大学和上海长城减速机厂有限公司的委托，对平面二次包络蜗杆的加工设备和加工方法进行研发。采用磨削和车削方法加工平面二次包络蜗杆。本课题中我们主要是研究对加工平面二次包络环面蜗杆关键中的关键部件及加工方法进行研究，主要完成了以下几个方面的工作：基于平面

38、二次包络蜗杆传动啮合理论在数控加工方法中的应用。磨削和车削齿面成型理论与加工方法分析研究平面二次包络蜗杆磨削和车削加工方法及关键设备中主要部件的开发研究。平面二次包络蜗杆数控车削原理的研究及数控车削加工中刀具轨迹的仿真加工试验。平面二次包络蜗杆的磨削和车削试验分析。西华大学硕士学位论文1 5 小结本章主要讲述了平面二次包络环面蜗杆的形成、分类、特点和应用。并根据蜗杆在使用过程的存在的缺点、加工设备的不完善及发展现状提出了相应的改进措施。最后提出本次论文要完成的工作。西华大学硕士学位论文2 基于平面二次包络蜗杆传动的啮合理论的加工原理研究概述在平面二次包络蜗杆的加工过程中，遵循的加工原理就是平面

39、二次包络蜗杆的啮合理论。在加工过程中以此作为理论依据对平面二次包络蜗杆的螺旋平面展开，完成磨削或车削加工。下面介绍的主要是以磨削为基础的啮合理论，其理论可也移植在车削中。2 1 一次包络中的坐标系建立与坐标变换数学模型建立的分析平面二次包络环面蜗杆是经过两次包络运动形成的。第一次包络是以斜置的砂轮平面。作为假想工具齿轮的母平面，与被加工的蜗杆齿面，作工艺啮合而成，砂轮平面。围绕假想基圆锥以角速度鸱滚动，同时蜗杆绕自身轴线速度q 转动，蜗杆齿面。便作为平面母面。在相对运动中的包络被展成如图2 - I所示。轮F i 萨一IP l a n e - q u a d r a t i c - e n v

40、e l o p ea n n u l a rW O l mm a c h i n i n gt h e o r ym a p图2 1 平面二次包络蜗杆加工原理图在第二次包络运动中，将第一次包络产生的蜗杆经开槽、铲背处理之后制作成蜗轮滚刀，以与第一次包络运动相同的运动关系，反过来滚刀安装于蜗轮西华大学硕士学位论文轴上的蜗轮毛坯如图2 2 所示，从而包络出蜗轮齿面：，所以蜗轮齿面又是蜗杆齿面。的包络。由于制造这种蜗杆的过程中，原始工具母面是平面，而且经过了两次包络，所以称为平面二次包络环面蜗杆。F i 9 2 2E s t a b l i s h m e n to ff r a m eg e o

41、m e t r y图2 - 2 几何标架的建立轮在二次包络运动中若原始砂轮母面。上存在接触线的包络线，那么二次包络产生的蜗轮齿面，就会出现以r 的一侧为原母面( 平面) ，另- - t t l J 为二次包络产生的新啮合面，称为二次作用面。在平面二包蜗杆啮合的过程中，这两部分啮合瞬时产生两条接触线，这两条接触线一般是呈人字形分布的，所以有利于提高平面二次包络蜗杆的润滑和承载能力。图2 2 表示了该型蜗杆副基本的几何关系，锥项半角为孱的圆锥面试蜗轮的主基圆锥面，改圆锥面在蜗杆副中西华大学硕士学位论文心平面内的正截面是一个半径为的圆，这个圆就是平面二次包络蜗杆的基圆( 或称形成圆) 。在蜗杆和工具

42、齿轮上分别取定标架一、玩和动标架q 、瓯，再E h - r _ 具齿面上取辅助动标架瓯。在车削过程中，以上的的这个标架同样适用，因为我们在车削的过程中，我们把车刀定义为一个点的加工，这个点可以通过数控编程的方法完成和砂轮平面相同的作用。这些标架具体表示如下：一= 【d ；i ；彳；矗 为蜗杆上的定标架，D ：取在蜗杆的中心，沿蜗杆轴线与工具齿轮轴线的公垂线方向，矗与鳓重合。旺= q ；i ：；石；毛】与蜗杆固接，D l 与0 ：重合，毛与碍重合，q 在o - ；中的转角用仍表示。瓦= D ：；毛；五；毛 为工具齿轮上的标定架，D ：取在工具齿轮的中心，艺沿公垂线方向，k 与编重合。o o =

43、D 。；o ；j o ；k o 与工具齿轮固结，D o 与D ：重合，与如重合，吼在玩中的转角用编表示。吒= D ，；五；缸 与工具齿面。固接，如图2 3 b 所示，吒取在工具齿面。与五的交点处，与乇相同，颤指向工具齿面。与的交点。在的蜗轮蜗杆传动中，直线齿环面蜗杆副一直居于主导地位。这种蜗杆副虽然具有良好的啮合性能和较高的承载能力，但存在一些固有的弱点。这些弱点主要有：蜗杆齿面不能按形成原理的方法进行精确磨削，共轭齿面间存在“棱线接触，蜗轮齿面不能充分利用。这些弱点限制了蜗杆齿面硬度的提高，加剧了蜗轮齿面的磨损，降低了传动精度，也限制了承载能力。使用平面二次包络蜗杆传动克服了上述弱点，已经在

44、工业上开始获得广泛的应用，并取得良好的效果。在合理设计的条件下，这种平面二次包络环面蜗杆传动保留了直线齿环面蜗杆传动的优良性能，蜗杆齿面可以精确磨削，蜗轮全齿面参与啮合，人字形双接触线润滑条件好，承载能力有所提高。根据图2 2 和图2 3 b ，各标架之间的坐标变换关系分别为：呒一q3 ) 瓯一玩M 4 ) 以一一S 1 1 1 仍C O S 鲲O西华大学硕士学位论文F i 9 2 - 3F r a m eo f t o o t hs u r f a c e图2 - 3 工具齿面的标架- - s i n C O S 编0- - s i nq oC O S 甄O嘴涮= L c s o 言s 仍o

45、cs。in三呼oo；妻5 ) o - ；_ 一1 5 ( b )( 2 1 )( 2 - 2 )( 2 - 3 )( 2 - 4 )1，J五乃刁、，0O1口O= 棚卦q 厂I J 叫_ 一)4DM仍翌嗽oC爱，一五咒刁L) J 1”M叩?CS，。1、气，。L。L= 圈6 ) a i 一瓦蚝针旺8 ) 吒- - ) a oMs 1西华大学硕士学位论文谢+ | D 澜+ 斟鬈0o , 剧p ol - s i n , 8 c o s f l+c o s I | l +s i n Iz 。l= r 1 = 0o7 I I 玳x , 1 0s i n , a - r b t oc o s p J L z

46、0 = lc o s | I 以I + IIs 证。j 【-j吼一q，甜( 2 - 5 )( 2 - 6 )( 2 7 )( 2 - 8 )麓- c o 滩sg o , Y o + a oc o 嘲s 卜，M 。： 蒌 = 一C O S 仍C O S 一C O S s 耋i n 仍s i n 、旷Ii + 一a o c o s P os i ns i n 以P os i nc p 。c o s 以P oa c o ossin编goosinPoC O S0 ) L z0 c 2 - - 。，I 而lf仍一仍而lIc o s 编IM o ：l l = I I I 乃l + I ( 2 - l o

47、IlIIll z 。jL一纠。J 【j如图2 - 4 所示，标架盯= O ；f ；，。；七。 是当工具齿面位于2 时与工具齿面S。S 。S 。S S 。1 6 -001100，。一=00o1J8 嘞S0SC60吃一L100，n、吒、l厂一t 只乙厂l 刊0乃M而气Lm 孙焉咖唧瞄酊O乃M两华大学硕士学位论文一S l n c 0 S 0啾斟c夕2 渔入1 一甲面2 一乙面F i 醇- 4G e o m e t r yo fw o r mm a c h i n i n gc o n n e c t i o n图2 4 蜗杆加工的几何关系( 2 1 1 )式中为工具齿面在甲位置时与在乙位置时的夹角。

48、运用平面几何知识可推导的计算公式：= 2 t z 4 鲨坐( 2 1 2 )吐善为蜗杆节圆齿厚，口为压力角，吐为蜗轮计算圆直径。一与盯的关系为：附壹0S i n 夕c o s f l0)l- - C O Sls i n Jty sZs+ 翻c 2 刚毫毫兰引ty s，z s( 2 1 4 )2 2 平面二次包络蜗杆的齿面加工模型建立的分析蜗杆的螺旋齿由工作齿面( 甲面) 、非工作齿面( 乙面) 和齿项环面三部分F傩口OCS，。一=1jXyZ口| 宝吃吃0。L+西华大学硕士学位论文组成，如图2 5 所示。除了齿项环面，蜗杆的甲面和乙面都是由无数条接触线组成的，这些接触线是母平面与蜗杆在啮合过程中

49、的实际接触线，即属于母平面又属于蜗杆齿面，是每一个啮合时刻母平面上满足啮合条件的参与啮合的点的集合【2 1 。1 一蜗杆齿槽环面2 蜗杆工作齿面( 甲面)3 一蜗杆齿项环面4 _ 蜗杆非工作齿面( 乙面)F i 萨- 5C o m p o s e so fw o r mg e a rs u r f a c e图2 5 蜗杆齿面的组成2 2 1 平面二次包络蜗杆的k T - 分析1 蜗杆齿面的加工( 1 ) 坐标系的建立建立如图2 6 所示的蜗杆加工坐标系。图中，一= l0 i ，i ，Z ，I 为空间固定标架1 ：玩= IO o ，i o ，五，k oI 为空间固定标架2 ：q = 0 1 ，

50、石，白】为与蜗杆固连的标架1 ；a o = 【D o ，i o ，五，k o 】为与工作台固连的标架2 。死和缟分别为工作台和蜗杆的转角，当纯= 萌= 0 0 时，反与q 、或与吼分别重合。西华大学硕士学位论文0 1k l k l F i9 2 喝W o r mm a c h i n i n gc o o r d i n a t es y s t e m图2 - 6 蜗杆加工坐标系( 2 ) 砂轮齿廓及安装位置如图2 7 所示为砂轮轴截面，图2 - 8 所示为砂轮通过蜗杆喉部齿槽对称位置时在加工坐标系中的位置参数。q 和吼分别为蜗杆轴线和产形轮( 工作台)回转轴线的公垂线的垂足。D d 为砂轮

51、轴回转中心，其安装位置如图2 8 所示，根据需要也可偏置安装( 图中未画出) 。A 为蜗杆副中心距，以为蜗轮分度圆直径，口为蜗轮分度圆压力角，d 门和巳。分别为蜗杆喉部齿根圆直径和分度圆齿槽宽，r o 为砂轮半径，为砂轮安装倾角。砂轮安装位置为= r o A + 0 5 办。砂轮在工作台上其它两个坐标方向的安装位置在一般情况下均取零值，但也可根据需要取一较小值( 即偏置安装) ，以改善蜗杆副啮合状态。砂轮齿形角为：G o = a r c t a n ( t a n G , C O S 历( 2 1 5 )式中q = 口一甄鲲= 1 8 0 e , 1 , r d ：砂轮齿项宽为：s o = 畋

52、s i n f O o c O S 罗- - l2 J i I ，l + 哇( 1 - c o s r p o ) l t a n g o 一丛( 2 1 6 )式中丛蜗杆单侧磨削时所留侧隙西华大学硕士学位论文釜理一 弋F i 薛- 7A x l ec u t t i n gf o r mo fg r i n d i n gw h e e l图2 - 7 砂轮轴截面形状( b )F i 9 2 - 8G r i n d i n gw h e e lt r a c ka l v e o l u so fw o r ml a r y m g e a ls y s m m e l r yl o c

53、a t i o n图2 8 砂轮通过蜗杆喉部齿槽对称位置2 0 西华大学硕士学位论文( 3 ) 啮合方程及蜗杆齿面方程根据啮合理论，蜗杆齿面与工具母面的啮合方程为矽= M 一Ms i I l 死一心= 0M = ( 一s i n 口s i n 矽c o s 名+ c o s 口s i l l 兄) 而一z os i n 口c o s 0鸩= ( - s i n 口s i n O c o s 2 + c o s t r s i n 2 ) y o 一( s i l l 口s i l l 秒c o s 旯+ c o s 口s i n 五) M s = 乇l 九一( c o s a s i n 2

54、一s i n a s i n O c o s 2 )心= 一s i n c r c o s O y o 一( s i I l 口s i l l 口s i n 允+ c o s 口c o s 名) 而( 2 - 1 7 )将啮合方程与工具母面方程联立，并将其转换到与加工蜗杆固连的坐标系中，即可得到蜗杆齿面方程为妒= K 0 1 )= 0X o2r c o s O + l IY o = r s i n O + ( r o - r ) t a n a oc o s f lz o = - r s i n e c o s f l + ( r o - r ) t a n a os i n f l而= X

55、oc o s 锄oc o s O l Y os i n 磁oc o s 破一Z os i n 办+ a oc o s 妒l乃= 一X oc o s 磁os i n 办+ s i n 诒os i ng Z oc o s a os i n 妒1Z 1 = x os i n # o + 儿C O S 纯饵= 唬i o l( 2 一1 8 )式中r o = 乞+ 足t a n 倪o，I ，护一砂轮参数方程( 2 1 8 ) 为蜗轮齿面的加工由蜗杆齿面，包络出蜗轮齿面：的过程称为第二次包络，其坐标系的建立与第一次包络相对应，即工具蜗杆对应于原加工蜗杆，原工具坐标系对应于加工蜗轮坐标系。工具蜗杆的转角为孬

56、，蜗轮转角为砭，中心距为a ，传动比为：，孬= ：办。根据啮合理论，蜗杆加工的啮合方程为西华大学硕士学位论文= As i n ( 破一西) 一见c o s ( 钨一孬) + 见P l = 一Ms i n # o 一鸩c o s # oP 2 = M 4 + a o s i n # os i n a c o s a + ( s i n a s i n o s i n 2 + c o s a c o s 2 ) c o s # o P 3 = M A l 2 + 口 s i n 唬s i n 口c o s 秒+ ( s i n 口s i n 秒s i I l 旯+ c o s 口c o s 名)

57、c o s ( 2 1 9 )式( 2 1 9 ) 为一般性传动( 修形传动) 的啮合方程。对于典型传动，口= a o ，乇。= ：= l ，则有：妒= 2 s i n ( 绣一孬2 ) ( p ，c o s ( 破一爿2 ) + 见s i n ( 魂- + 1 2 ) )( 2 - 2 0 )将啮合方程( 2 一1 9 ) 与蜗杆齿面方程( 2 - 2 0 ) 联立并转换到蜗轮坐标系中，即可得到蜗轮齿面方程。只对蜗杆进行分析，因此在这里不建立蜗轮的齿面方程。2 3 小结本章主要分析研究了蜗杆齿面的啮合原理，根据啮合原理对齿面加工过程进行了分析。为数控磨削平面二次包络环面蜗杆奠定了理论基础。为

58、以后的磨削和车削提供了理论依据。西华大学硕士学位论文3 平面二次包络蜗杆磨削和车削原理分析3 1 平面二次包络蜗杆数控磨削方法理论分析3 1 1 传统平面二次包络磨削分析前期开发过的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3 1 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3 1 中的4 ) 带动砂轮架( 图3 1 中的6 ) 作绕圆心0 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。这种以蜗轮蜗杆为传动副的回

59、转工作台的结构方式的机床存在一些主要的问题如下：在加工中心距较大的蜗杆时，机床的回转工作台必须相对于工件向后移动较大距离，加工较小中心距蜗杆时，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3 - 2 所示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，以及一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，在试验过程中，提出了

60、四轴四联动平面二次包络蜗杆数控磨床的方案。以此来弥补二轴二联动数控磨床的上述缺点，同时提出了环面蜗杆加工中心距虚拟化原理。西华大学硕上学位论文1 蜗杆2 磨头主轴3 主基圆4 回转工作台5 砂轮工作面6 磨头F i 9 3 1W o r mm a c h i n i n gp r i n c i p l e图3 - 1 蜗杆加工原理IZF i g3 - 2S t r u c t u r eo f N C 2 0 5 0 - Ag r i n d i n gm a c h i n e图3 - 2N C 2 0 5 0 - A 数控磨床结构图3 1 2 改进后的平面二次包络蜗杆磨削分析蜗杆的磨削原