CN1007601B - 多能范成装置 - Google Patents

Abstract

本发明属异形线、面、体多能范成加工装置。可解决异形的直观研究、绘图、加工等问题。

本装置的结构特征：具有一与机床主轴同心的固定内齿轮Z₁，一个与机床主轴连结的回转装置H。在H内装有一偏心距可调的偏心轴。通过装在H内并与Z₁啮合的行星齿轮Z₂、可换挂轮组

和齿轮Z₃、Z₄的驱动，使偏心轴上的工件或刀具能独立完成各种范成运动。

本装置能用车床与常规工具，代替多种专机进行金属与非金属异形零件的范成切削与磨削。

Description

本发明属于异形线、面、体范成加工装置。

在现有技术中，有以下相关技术：

（1）us-2762250    1956.9.11。

（2）us-3948144    1976.4.6。

（3）us-3343305    1967.9.26。

（4）波形齿轮传动P4，一机部情报所编、李克美译，1979.6。

（5）us-3874268    1975.4.1。

（6）us-3805454    1974.4.23。

（7）us-3916738    1975.11.4。

文献（2）至（7）公开的技术方案共同点如下：

1、适应范围不广：它们虽均是按变态内外摆线形成原理而发明的。但各自的构思只局限于加工某一类曲面，而未将各类变态内外摆线曲面的共性统筹兼顾的集中研究。故现有装置只能分别加工某一类或某一种尺寸的曲面;如心脏线、肾脏线、双弧长短幅外摆线，一定边数的曲边多边形孔，及谐波发生器凸轮等。这是因为现有装置中没有能任意改变滚比值的可换挂轮组，故加工不同的曲面时，就须先更换装置中某些主要的零部件，这显然是很麻烦的。

2、装置结构较复杂：它们分别采用了十字形联轴节、蜗轮副、伞齿轮副、曲柄滑块机构等工艺性较差的传动基础件，故导致传动链长，制造难度大、效率低等不足之处。

文献（1）公开的是由普通的行星减速器与曲柄滑块机构、十字形联轴节等传动基础件组合而成的装置。偏心调整机构采用了蜗轮副，整个装置较复杂、低副摩擦面多、制造难度大，刀具范成运动要由两种运动发

生机构来完成，传动链长，传动精度难保证，除偏心距可调外，传动比是不可调整的。运动由中间的轴齿轮输入。

文献（1）公开的装置，其应用范围仅限于加工内摆线曲边多边形孔。这点可从该装置上推力支承盘中间的异形孔与刀具运动轨迹必须一致就可看出，且当被加工工件孔的边数改变时，则该装置要更换很多的主要零部件才能加工。

文献（1）公开的装置工作时，工件不动，刀具要完成切削与范成两种任务，故存在以下两个问题;一是要求刀具在运动中恒处在曲线的法线上，以保持单刀切削角基本不变。否则切削条件将显著恶化导致曲面质量下降与刀具寿命短等缺陷，这点在文献（1）中尚未发现有解决上述问题的措施。二是切削与范成过程对运动速度的要求不同，前者要求速度较高，后者由于受该装置动力平衡条件的限制而不能过快，从而造成相互制约的不良后果。

本发明的任务是：提供一种新型异形线、面、体多能范成装置，具有用途广泛、结构简单紧凑、适应性强的特点。

本发明的技术解决方案是：一种多能范成装置（附图1），用于范成异形线、面、体，具有一个装在中心架上与机床主轴中心线同轴的固定内齿轮Z₁，一个与机床主轴连结的迴转装置，一个与内齿轮Z₁相啮合，装在与机床主轴连结的迴转装置内并可相对转动的，经齿轮系统驱动偏心装置行星转动的齿轮Z₂，和一个调整偏心装置与机床主轴中心线之间的偏心距e的偏心调整装置，其特征在于：具有，

（1）与齿轮Z₂装在同一可迴转地设置在机床主轴连结的迴转装置内的转轴上的挂轮a，和与挂轮a相啮合，与挂轮c装在同一可迴转地设置在机床主轴连结的迴转装置内的转轴上的挂轮b，以及与挂轮c相啮合并与齿轮Z₃装在同一可迴转地设置在机床主轴连结的迴转装置内的

转轴上的挂轮d，挂轮a、b、c、d的取值范围是：a＝20，b＝40～60，c＝30～40，d＝30～60。

（2）该偏心装置是一偏心套，该偏心套中心线与机床主轴中心线的偏心距e＝0～23.32;

（3）偏心套内装有一带动工件或刀具的转轴，其一端安装一个与齿轮Z₃相啮合的内齿轮Z₄，齿轮Z₁、Z₂、Z₃、Z₄的取值应满足：

(Z₂Z₄)/(Z₁Z₃) ＝ 1/3

（4）偏心距e的偏心调整装置是由偏心套和锁紧偏心套所组成。

本装置的运动学理论依据是：

变态内外摆线第一种形成原理的运动方程式：

设半径为E_b、中心为O₂的圆为定瞬心轨迹，半径为E_y、中心为O₁的H′圆为动瞬心轨迹，这时与O₂圆固连的“描迹”点M（工具）的位置固定。而与O₁圆固连的“受迹”物（工件）作范成运动，其运动方程式：

I_H′H－1＝ (ω_H＇)/(ω_H) = (EX)/(EY) ……1

反过来若以O₁圆H′作定瞬心轨迹O₂圆为动瞬心轨迹，则与O₁圆H′固连的工件位置固定，与O₂圆固连的工具作范成运动。其运动方程式：

I_H′H－1＝ (ω_H″)/(ω_H) =± (E_X)/(E_b) ……2

变态内外摆线第二种形成原理的运动方程式：设半径为γ′，中心为O′的圆作定瞬心轨迹，半径为γ^′ ₁，中心为O₁的H′圆为动瞬心轨迹，这时与O′圆相固连的“描迹”点M（工具）的位置固定。而与O₁圆固连的“受迹”物（工件）作范成运动，其运动方程式：

反过来若以O₁圆H′作定瞬心轨迹，O₂圆为动瞬心轨迹，则与O₁圆H′固连的工件的位置固定，而与O₂圆固连的工具作范成运动，其运动方程式：

本发明的结构原理如下：

多能范成装置：是一种新型的“K-H”机构。其机构简图如图1所示，系杆H作原动件，由机床主轴或其他动力驱动，输入角速度ω_H或ω^′ _H，通常（在不输入“变性”运动时）中心轮Z₁是固定的，该机构与普通的“2K-H”传动机构比较起来，其特点是将“2K-H”机构中的第二中心轮Z₄的回转中心线O₁O₁与第一中心线O′O′平移了适当的距离e值，所以构件Z₄就由原“2K-H”机构中只作定轴回转的中心轮蜕变为行星轮，带动工件或工具一起作预期的行星范成运动，这时工件异形线、面、体径向平面内的几何中心（或工具作为被包络曲线的圆弧中心M）与齿轮Z₄的中心O₁同心，而工具作为被包络曲线的圆弧中心M（或工件异形线、面、体径向平面内的几何中心O₁）可作纵向或横向进给运动，至于切削工具在进行切削或磨削范成加工时，工具本身的高速自转运动，完全是为了完成切削与磨削被加工材料的任务，而并不参与范成运动，这就为进行高速切削或磨削提供了条件。

它的偏心距e值与挂轮比均可按需要进行调整，从而使其用途多能化。

该机构的主轴O₁O₁是装在偏心套内的，故偏心距e可按要求在某一范围内任意调整，由于齿轮Z₃的中心线OO与偏心套调整时的

转动中心线OO是重合的，故调偏心距时，并不影响到齿轮Z₃与Z₄的内啮合传动，在使用过程中必须锁紧偏心套，并用中心扶架将中心轮Z₁固定，而迫使其他齿轮作行星运动。

该装置主轴O₁O₁头部的形状尺寸均设计得与普通机床的主轴头部形状尺寸相同，这就可利用普通机床上的各种通用工具如夹盘等。在单件小批生产条件下从事各种异形线、面、体的范成。

该装置从系杆H（与机床主轴固联）到工件H′或工具H″之间的传动链方程式为：

I _H′H （或I_H″H）＝1－I^H _4·1＝1－ (Z₁Z₃)/(Z₂Z₄) (ac)/(bd) 5

应用该装置来范成异形线、面、体时，可分别按挂轮公式6至9搭配齿轮，并调正下面的有关参数，则该机构的运动就能满足变态内外摆线形成运动方程式1至式4的要求。

令式5与式1右边相等可得工件作范成运动，工具位置固定时，应用第一种形成原理范成异形线、面、体的挂轮公式：

(ac)/(bd) = (Z₂Z₄)/(Z₁Z₃) (1- (E_x)/(E_y) )= 1/3 (1- (E_X)/(E_y) ) 6

令式5与式2右边相等可得工具作范成运动，工件位置固定时，应用第一种形成原理范成异形线、面、体的挂轮公式：

(ac)/(bd) = 1/3 (1

(E_X)/(E_b) ) 7

令式5与式3右边相等可得工件作范成运动，工具位置固定时。应用第二种形成原理范成异形线、面、体的挂轮公式：

(ac)/(bd) = 1/3 (1± (E_b)/(E_y) ) 8

令式5与式4右边相等可得工具作范成运动，工件位置固定时，应用第二形成原理范成异形线、面、体时的挂轮公式：

(ac)/(bd) = 1/3 (1 (E_b)/(E_y) ) 9

上面式6至式9代表的四种多能范成方案中，如用前两种时，机构中的偏心矩e＝E_x＝E_y±E_b，工具中心M（或工件中心）与Z₁齿轮中心O′间距离MO′＝r_w，当用后两种方案时e＝r_w，MO′＝E_x。

多能范成装置所用的挂轮可从普通机床现有的挂轮中借用。

在这四种范成方案中，一般推荐采用后面两种为好。

与现有同类技术相比所具有的优点：

（1）构思新颖——为了满足变态内外摆线形成原理运动方程式的要求，研制者将普通的“2K-H”机构中第二中心轮的迴转中心与第一中心轮的迴转中心偏移了一个距离“e”后，则第二中心轮就由原“2K-H”机构中的定轴迴转轮蜕变为行星轮，而带动工件或工具作行星范成运动，所以本装置整个机构的传动链很短，制造精度易于保证，而且工件或工具能独立完整的完成各种范成运动，与切削运动互不干扰，从而为高速切削与磨削提供了方便。

（2）用途广泛——本机构除了后面在“应用实例”一节中提到的各种用途以外，还可进一步的发展为其他用途。

（3）结构简单紧凑——整个装置仅由50多个零件所组成，而其中标准件又占了一半，故非标准件就只有25件左右，对材料及工艺技术亦无特殊要求，故制造容易，成本低。

（4）推广普及快——操作简单，调整容易，对操作者要求的技术水平不高，按照说明书经短时期培训，即可独立操作。

（5）适应性强——在大、中。小企业中与普通机床配套使用，对成批大量生产与单件小批生产的要求均能适应。特别是在多品种生产中，能使生产技术准备周期短，生产调整快，即转产快。

（6）在科研新产品试制以及产品维修领域内，它是一个很好的装置，因既能保证质量，又无需添用专用设备及专用工具，故可大大缩短试制与维修工作周期，提高被修产品的利用率。

附图说明：

图（1）为多能范成装置的机构图，图中1为立铣刀，2为凸园弧盘铣刀或砂轮，3为偏心套，4为固定内齿轮Z₁的中心扶架、H为机床主轴连结的迴转装置。

图（2）为多能范成装置范成加工对象之一的液压摆线泵内转子齿形图。

图（3）为多能范成装置范成加工对象之一的短幅外摆线齿轮齿形图。

图（4）为多能范成装置范成加工对象之一的腰形孔图。

图（5）、图（6）、图（7）为多能范成装置范成加工对象之一的直边多边形。

实施例：在范成切削与磨削加工方面的部分应用实例：

应用变态内外摆线形成原理，来加工各种异形内外表面时，有两种不同的情况：第一种情况是：有些工件异形轮廓的几何参数，在产品图纸上已有明确的标注，例如常见的短幅内外摆线齿轮等等，这些工件在应用本文所述原理与装置加工时，只要将有关的几何参数代入到前面相应的公式中去，便可算出加工时需要的调正数据;第二种情况是，有些工件的异形轮廓，用本文所述原理与装置加工时，所需要的几何参数，并未直接注出，而需要先按图纸要求的异形轮廓尺寸的几何特征，分析研究出需要的几何参数来，例如多边形，腰形孔，链轮以及各种端面槽形等等，下面分别讨论几种典形的异形内外表面用本装置来加工的加工实例。

第一例：液压摆线泵内转子齿形的加工

液压摆线泵的品种规格很多，应用范围很广，现以图2为例，内转子齿数为4，其主要几何参数为E_y＝18.656，E_b＝4.664，r_w＝2.8，外转子齿数为5，其共轭圆弧直径为φ22.54，老的加工方法是;先将齿坯在普通车床上车出四个等分的圆弧槽，留下分布很不均匀的余量，再在插齿机上通过机床分齿挂轮，使工作台（E_y圆）与插齿机刀轴（E_b圆）作定轴迴转分齿，这时装在刀轴上的偏心圆盘刀刃（φ22.54），就在具有四个槽的毛坯上，范成插出图纸所要求的齿形来。该方法有以下几个缺点：（1）生产率低，（2）圆盘形插刀寿命很短，且刀刃工作区段上任何缺陷均一一反映在加工表面上;（3）废品率高，因插前余量分布很不均匀，当余量过大时，插齿刀极易损坏，致使加工表面光洁度显著恶化而报废;当余量过小时，由于对刀误差，往往使局部插不出型面而报废;（4）要占用两种不同的机床来粗精加工齿形。

新法是按变态外摆线第二形成原理，利用图1所示本装置，在车床上可直接由φ30长27的毛坯，一次加工出合格的齿形来。

本装置上的挂轮可由公式8求得为：

(ac)/(bd) = 1/3 (1± (E_b)/(E_y) )= (20×30)/(40×30)

装工件的主轴与机床主轴中心线间的距离，可按r_w＝2.8调正，刀具中心线与机床主轴中心线间的距离，可按E_x＝E_y+E_b＝23.32进行调整，刀具可采用普通的硬质合金立铣刀，或凸半圆弧铣刀，其刃部名义直径应与外转子共轭圆弧直径相同，在精度要求较高时，亦可采用凸半圆弧盘形砂轮磨削。

第二例：摆线针轮减速机用短幅外摆线齿轮齿形的加工：老的加工方法所需要的设备与工具较复杂，如滚齿机与摆线滚刀等。若用专用的摆线铣床与磨床、工具虽简单，但设备成本很贵。现以型号为XW1.5-4-29的摆线针轮减速机中的短幅外摆线齿轮为例，如图3所示，用本装置加工，其挂轮比按公式8计算：

(ac)/(bd) = 1/3 (1+ (E_b)/(E_y) )= (20×40)/(58×40)

淬火后的磨削加工，亦可用类似图1所示结构的磨削装置，由于针齿圆弧直径较小，故铣刀与砂轮应采用凸圆弧铣刀与盘形砂轮，偏心距e应按r_w＝2进行调正。

第三例：腰形孔的加工，如图4所示形状的腰形孔，按常规有两种加工方法，但是很麻烦，如应用变态内摆线第二形成原理与装置来加工就简单多了。首先要分析研究出该腰形孔的几何特征与有关参数，可令：E_y＝2E_b＝4.55 即i＝2

r_w＝E_b＝2.275 K＝1

铣刀中心M位于E_b圆圆周上，且固定不动，亦即使代表工件的r^′ ₁圆沿固定的r′圆圆周内切滚动时，则铣刀中心M就在工件的平面上描绘出内摆线的特例，即直线P₀P，而其等距线就是所需要的腰形孔轮廓。利用本装置加工，其挂轮比可按式8计算，装置中的偏心距e为r_w＝2.275。

第四例：多边形与组合多边形的加工

多边形与组合多边形包括直边多边形与曲边多边形两类，其中组合多边形是由两组或多组相同或不同的变态内外摆线组合而成。

（A）多边形与组合多边形的第一种加工方案：取变幅系数

K＝ -1/(-i+1) ，在本装置

上，可以很快范成加工出近似直边正多边形或组合直边正多边形来。有关参数的确定：比值i＝ (n)/(m)

变幅系数K＝ -1/(-i+1)

L＝E_x-r_w-R_u10

将r_w＝ -1/(-i+1) E_b与E_x＝E_b（i-1）代入10式化简得：

E_b= ((L+R_u)(i-1))/(i(i-2)) 11

以上各式中：L为正多边形几何中心O₁到每边的垂直距离。

n为正多边形的边数。

m为组成组合正多边形的变态内摆线的组数。

Ru为所选刀具半径。

例：加工图6所示的四边形

如用一组变态内摆线来形成该四边形时，则其主要参数如下：

比值i＝4

变幅系数K＝ 1/3

选用标准立铣刀，刀具半径R_u＝10。

该四边形几何中心到每边的垂直距离L＝6，

按11式：E_b= ((L+R_u)(i-1))/(i(i-2)) =6

E_y＝iE_b＝24

E_x＝E_y-E_b＝18

偏心距e值即r_w＝KE_b＝2

图1装置上的挂轮比值可由公式6求得为：

(ac)/(bd) = 1/3 (1- (E_b)/(E_y) )= (20×30)/(40×60)

（B）多边形与组合多边第二种加工方案：

例：如图7所示的正六边形，为了提高正六边形各边的平直度，可用两组变态内摆线来形成该正六边形，其主要参数如下：

比值 i＝ (n)/(m) ＝ 6/2 ＝3 变幅系数K＝ 1/2 R_u＝14。

正六边形几何中心到每边的垂直距离为L＝16

E_b= ((L+R_u)(i-1))/(i(i-2)) = ((16+14)(3-1))/(3(3-2)) =20

E_y＝i E_b＝60;E_X＝40;偏心距e＝r_W＝KE_b＝10

本装置的挂轮比由式6求得为： (ac)/(bd) = 1/3 (1- (Eb)/(Ey) )= (20×30)/(60×45)

例：加工正八边形，为了提高正八边形各边的平直度，可用两组变态内摆线来形成该八边形，其主要参数如下：

比值 i＝ (n)/(m) ＝ 8/2 ＝4 变幅系数K＝ 1/3 R_u＝18

从正八边形几何中心到每边的垂直距离L＝14

E_b= ((L+R_u)(i-1))/(i(i-2)) =12

E_y＝i E_b＝48 E_x＝36，偏心距e：r_w＝KE_b＝4

本装置的挂轮比由式6求得为： (ac)/(bd) = 1/3 (1- (E_b)/(E_y) )= (20×30)/(60×40)

Claims (6)

1、一种多能范成装置，用于范成异形线、面、体，具有一个装在中心架上与机床主轴中心线同轴的固定内齿轮Z₁，一个与机床主轴连结的迴转装置，一个与内齿轮Z₁相啮合，装在与机床主轴连结的迴转装置内并可相对转动的，经齿轮系统驱动偏心装置行星转动的齿轮Z₂，和一个调整偏心装置与机床主轴中心线之间的偏心距e的偏心调整装置，其特征在于：具有，

(1)与齿轮Z₂装在同一可迴转地设置在机床主轴连结的迴转装置内内的转轴上的挂轮a，和与挂轮a相啮合，与挂轮c装在同一可迴转地设置在机床主轴连结的迴转装置内的转轴上的挂轮b，以及与挂轮c相啮合并与齿轮Z₃装在同一可迴转地设置在机床主轴连结的迴转装置内的转轴上的挂轮d，挂轮a、b、c、d的取值范围是：

a=20

b=40～60

c=30～40

d=30～60

(2)该偏心装置是一偏心套，该偏心套中心线与机床主轴中心线的偏心距e=0～23.32；

(3)偏心套内装有一带动工件或刀具有转轴，其一端安装一个与齿轮Z₃相啮合的内齿轮Z₄，齿轮Z₁，Z₂，Z₃，Z₄的取值应满足：

(Z2Z4)/(Z1Z3) ＝ 1/3

(4)偏心距e的偏心调整装置是由偏心套和锁紧偏心套所组成。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：挂轮a＝20，b＝48，c＝30，d＝30，偏心距e＝23.32

3、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：挂轮a＝20b＝58，c＝40，d＝40偏心距e＝2

4、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：挂轮a＝20，b＝60，c＝30，d＝45，偏心距e＝10

5、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：挂轮a＝20，b＝60，c＝30，d＝40偏心距e＝4

6、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：偏心距e＝2.275。

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