CN103495778A - 高精度直廓环面蜗杆副的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度直廓环面蜗杆副的加工方法，包括蜗轮（3）和蜗杆（4）的加工。加工时采用两把同齿形（与蜗轮或蜗杆）的直刃刀具（2），且两把直刃刀具（2）的切削刀刃方向均与直廓环面蜗轮（3）和蜗杆（4）啮合中心线平行，切削过程中配合动测仪动态监测误差情况，蜗杆（4）加工时采用分段进刀。本发明工艺简单，加工蜗杆和蜗轮可在不同机床上同时进行，加工效率高，分度精度高，可加工出双头及以上直廓环面蜗杆副，成倍提高产品加工效率，能解决我国机床行业高精度分度机械传动领域的急需，战略意义重大。

Description

高精度直廓环面蜗杆副的加工方法

技术领域

本发明涉及一种蜗杆副的加工方法，特别是一种精密分度传动的高精度直廓环面蜗杆副的加工方法。

背景技术

由于直廓环面蜗杆副啮合齿数多，与现有的圆柱蜗杆副相比，具有传动效率高、精度保持性好、寿命长、承载能力高等显著优点，所以在矿山、航空、汽车、船舶和轧钢等重型机械传动中得到广泛应用。正是由于直廓环面蜗杆副承载能力高，可用于重载传动，如果能解决精密分度传动，直廓环面蜗杆副将产生重大应用突破，所以如何加工出高精度直廓环面蜗杆副是世界各国工程技术人员努力方向。

1876年英国人Hindley首先研制出世界上第一副蜗杆副，称为Hindley环面蜗杆副。在Hindley环面蜗杆副的基础上，美国人对其进行了一系列的改进，发展成为今天的“ConeDrive”系列直廓环面蜗杆。“ConeDrive”蜗杆不能淬火磨削，蜗轮滚刀也无法制作，只能采用飞刀加工，因此其齿面误差很大，齿面硬度不高，其工艺性很差，但是它具有传动效率高、承载能力大的特点。至今，“ConeDrive” 系列直廓环面蜗杆占据了国际市场的很大份额。

平面包络环面蜗杆副是1922年美国格里森公司总工程师Wildhaber研制的一种精密蜗轮和可磨削的直平面包络环面蜗杆，以平面作为蜗轮齿面的平面齿包络环面蜗杆传动，称为威德哈卜（Wildhaber）蜗杆，后来也被称为平面一次包络环面蜗杆。该蜗杆可以用平面砂轮合理磨削，可淬火，因此其工艺性大大优于“ConeDrive” 蜗杆，由于其蜗轮的齿面与蜗轮轴线是平行的平面，能测量出每个平面齿的齿距误差，通过修研的方法消除，因此可得到较高的传动精度。日本东京工业大学佐藤申一教授和日本植田公司在威氏蜗杆（WildhaberWorm）传动的基础上，于1951年提出了将轴线倾斜一个β角的斜平面齿轮包络成形的环面蜗杆传动，称为“PlanaWorm”。1937德国尼曼教授研究出著名的“CaverWorm”，经过德国富兰德公司的持续改进以及系列化，已经成为现在著名的“CaverWorm”。日本的三菱重工公司也引进了尼曼蜗杆的专利技术，在国际市场上也占有一席之地。随着科学技术的发展，新材料、新技术不断涌现，蜗杆传动技术也取得了很大的发展。“ConeDrive”环面蜗杆传动和“CaverWorm”蜗杆传动在当今世界机械传动领域应用广泛。

蜗杆副的加工包括蜗轮和蜗杆的加工，各个国家都对直廓环面蜗杆副加工方法及如何提高精度进行了大量研究，近年来日本、美国、德国等发达国家研制出各种磨削装置，以及我国重庆机床、郑州机械研究所、秦川机床、南京二机床借助检测仪增加了研磨工艺，都成功研制出精高精度的直廓环面蜗杆副。特别是重庆机床1985年提出的“刀对刀”加工工艺，即“倾斜刀对刀”加工方法，但是该技术对蜗轮的加工仅用了飞刀这种近似的粗加工工艺，齿形误差较大，该误差不仅影响传动精度，也妨碍装配时蜗杆进入正确位置，由于装配难度大，目前精度已远达不到1985年国家科技进步一等奖获奖时的三级精度水平（原参照标准JB162-60，现参照标准GB10089-88）。

由于采用上述方法，工艺非常复杂，加工和安装也非常不便，刀刃的间隙很难控制，难于加工出高精度直廓环面蜗杆副，从而影响了我国基础核心部件技术进步。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种高精度直廓环面蜗杆副的加工方法，能有效消除蜗轮和蜗杆的加工误差，便于加工，加工周期短，成本低，啮合精度高。

本发明的技术方案是：一种高精度直廓环面蜗杆副的加工方法，包括蜗轮和蜗杆的加工，方法的核心是采用两把同齿形（与蜗轮或蜗杆）的直刃刀具，且两把直刃刀具的切削刀刃方向均与直廓环面蜗轮和蜗杆啮合中心线平行，切削过程中配合动测仪动态监测。动测仪用于检测采用加工方法生产的蜗杆副是否符合精度要求，把动测仪安装在蜗杆副检测台或机床上，能在蜗杆副运动状态下在线检测，通过频谱分析找出误差产生的原因。

高精度直廓环面蜗轮的加工方法，包括蜗轮的粗加工和蜗轮的精加工，其中蜗轮的粗加工采用飞刀，剃齿或珩齿工艺，蜗轮的精加工采用两把与蜗轮同齿形的直刃刀具，且保持两把同齿形直刃刀具的切削刀刃方向均与直廓环面蜗轮和蜗杆啮合中心线平行，在动测仪监测下完成切削加工。

高精度直廓环面蜗杆的加工方法，采用两把与蜗杆同齿形的直刃刀具，且两把同齿形直刃刀具的切削刀刃方向均与直廓环面蜗轮和蜗杆啮合中心线平行，切削时切削刀刃沿母线分段进刀，并在动测仪监测下完成加工。

所述高精度直廓环面蜗轮和蜗杆的加工采用蜗轮母机或滚齿机来实现。

在蜗轮母机（或滚齿机）上加工直廓环面蜗轮、蜗杆时，采用相同分度精度的传动链，安装于不同的蜗轮母机（或滚齿机）上，分别采用两把同齿形的镶有硬质合金刀片的直刃切削刀具。通常蜗轮所用刀具是长刀刃，蜗杆所用刀具是短刀刃。切削刀具的刀刃方向与直廓环面蜗轮、蜗杆啮合中心线平行（啮合中心线即蜗轮和蜗杆中心距所在的直线），能有效控制进刀误差的产生。同时在蜗轮母机（或滚齿机）上设置阻尼装置机构来消除间隙。所谓设置阻尼是加装一个机械机构，给传动链施加一定阻力，以达到消除间隙的目的，从而提高加工精度。蜗杆副由蜗轮和蜗杆二个部件组成，分别加工完两个部件后，通过动测仪测量他们的传动误差，找出原因并消除误差，这样才能生产出高精度蜗杆副。

加工蜗杆时，由于采用了沿母线分段进给的切削方式，整个齿分段多刀切出，参与切削的刀具为短刀刃，刀刃长度与全齿高一刀切相比短，切削力小，工艺系统的振动与让刀小，加工精度高，模数越大优势越明显。另外，机床有阻尼装置，加上先进的装刀技术，从而保障了加工的蜗杆精度高。这里的刀刃相对于蜗杆运动形成了蜗杆齿面，齿面由这条直线形成，这条直线就是母线。

加工蜗轮时，飞刀，剃齿或珩齿等工艺只是近似的粗加工。蜗轮的精加工采用两把与蜗轮同齿形的直刃刀具，且两把同齿形直刃刀具的切削刀刃方向均与直廓环面蜗轮和蜗杆啮合中心线平行，在动测仪监测下完成切削加工。

采用这种在仪器监测下的切削过程是把加工和啮合检测结合在一起的工艺，能加工出高精度蜗杆副，而且切削后的蜗轮允许装配时蜗杆无干涉地进入正确的啮合位置，为装配工艺环节提供了非常好的条件。动测仪用于检测生产的蜗杆副是否符合精度要求，把动测仪安装在蜗杆副检测台或机床上，能在蜗杆副运动状态下在线检测，通过频谱分析找出误差产生的原因，及时切（剃）削。在完成蜗轮的切削加工后，断开传动链，由剃齿刀带动蜗轮回转，用动测仪测量他们的传动误差，如果发现不合格的相位，就对蜗轮施加一定的阻尼，对不合格的相位剃削至合格。

实际加工时，待加工的直廓环面蜗轮、蜗杆分别安装在蜗轮母机（或滚齿机）的工作台和刀架上，下面分别介绍具体加工方法。

蜗轮加工：待加工直廓环面蜗轮经校准其端面和外圆，精确安装于蜗轮母机（或滚齿机）的工作台上，然后将刀杆安装于蜗轮母机（或滚齿机）的刀架上，而直刃切削刀具按需要的间距尺寸装入刀杆两端孔内，并严格根据间距调整直刃切削刀具的刀刃方向与啮合中心线平行后，方可开机按规定的传动比连续分度，在仪器监测下径向进给切削直廓环面蜗轮齿面至规定的中心距，完成蜗轮加工。

蜗杆加工：加工时对胎具及两把直刃切削刀具进行精确定位，确保直刃切削刀具按需要的间距尺寸装在胎具上，并严格根据间距调整直刃切削刀具的刀刃方向与啮合中心线平行，并将待加工的直廓环面蜗杆安装在蜗轮母机（或滚齿机）刀架上，方可开机按切制直廓环面蜗轮同样的传动比进行连续分度径向切削，刀具作回转运动，同时在仪器监测下径向进给分段多刀切削至规定的中心距，完成蜗杆加工。

本发明具有如下创新点：

“平行对刀”技术。通过研究重庆机床厂“倾斜刀对刀”加工方法的不足之处而发明了更好的“平行对刀”技术，原技术对蜗轮的加工只用了飞刀这种近似的粗加工工艺，齿形误差较大，该误差不仅影响传动精度，也妨碍装配时蜗杆进入正确位置，由于装配难度大，目前精度已远达不到1985年国家科技进步一等奖获奖时的三级精度水平（原参照标准JB162-60，现参照标准GB10089-88）；本发明在蜗轮母机（或滚齿机）上加工直廓环面蜗轮、蜗杆时，分别采用二把同齿形的镶有硬质合金刀片的直刃切削刀具加工而成。切削刀具的刀刃方向与直廓环面蜗轮、蜗杆啮合中心线平行，能有效控制进刀误差的产生。

分段多刀切削。加工蜗杆时，采用沿母线进刀的方式来切削，整个齿分段多刀切出，而非采用通常的全齿高一刀切方法，优点在于减小了切削力，模数越大切削力减小的越多，同时转台消除了分度副间隙，切削精度高。

在测量仪器监测下切（剃）削，把加工和啮合检测结合在一起。通常工艺中蜗轮蜗杆误差是机床误差的数倍，本发明由于采用在仪器监测下进行剃齿切削工艺，齿距误差取决于特制检测仪的精度，而不依赖于机床传动链的精度，它们相互啮合时，传动误差与机床误差非常接近。这种在测量仪器监测下的切（剃）削过程以及把加工和啮合检测结合在一起的设计方案，是目前加工方法没有采用的，这也是本发明提升了国家科技进步一等奖技术传动精度的主要创新点。

本发明具有如下优点：

1)      解决了蜗杆与蜗轮只能在同一机床上加工工装并需要经常拆换的限定，本发明可在不同机床上同时加工蜗杆与蜗轮，提高了生产效率，即切削直廓环面蜗轮和蜗杆时，采用相同分度精度的传动链，安装于不同的蜗轮母机（或滚齿机）上，分别用两把同齿形的镶有硬质合金刀片的直刃切削刀具，同时加工直廓环面蜗轮和蜗杆，加工效率更高；

2)      可加工出高精度双头及以上直廓环面蜗杆副，成倍提高产品加工效率；

3)      解决了蜗杆只能在加工时的相对位置安装的缺点，本发明可调头安装；

4)      由于采用切削刀具的刀刃方向与啮合中心线平行的方法加工，解决了因刀具的刀刃方向与啮合中心线有傾斜，加工误差受操作者技能水平影响的弊端；

5)      依据本发明加工出的直廓环面蜗杆副精度等级可达到GB10089-88二级水平；

6)      由于加工效率高，工艺简单，仅需配备精密滚齿机即可生产出高精度直廓环面蜗杆副，利于产业化推广；

7)      可为研制航空、汽车、船舶、矿山等国家重点领域急需的高精度、高效率、高承载力的齿轮机床、螺纹机床、高档加工中心、单螺杆专用加工机床等机械装备提供高精度直廓环面蜗杆副，打破国外对我国实施的核心技术封锁和高档机床产品禁运，战略意义重大。

附图说明

图1为蜗轮加工方法示意图（图中L1为蜗轮蜗杆啮合中心线，L2为刀刃方向）；

图2为图1中A区域的放大图；

图3为蜗杆加工方法示意图（图中L1为蜗轮蜗杆啮合中心线，L2为刀刃方向）；

图4为图3中B区域的放大图。

具体实施方式

图1为蜗轮加工方法示意图，加工采用蜗轮母机，先使用飞刀工艺进行粗加工，完成切齿后再进行精加工。精加工时，蜗轮母机刀杆1上安装有两把同齿形的直刃刀具2（长刀刃），其刀刃上镶有硬质合金刀片，待加工的直廓环面蜗轮3安装在工作台上。

加工直廓环面蜗轮3时经校准其端面和外圆，再精确安装于蜗轮母机的工作台上，然后将刀杆1安装于蜗轮母机的刀架上，而直刃刀具2按需要的间距尺寸装入刀杆1两端孔内，并严格根据间距调整直刃刀具2的刀刃方向（图中L2直线方向）与啮合中心线（图中L1直线方向）平行后，方可开机按规定的传动比连续分度，在动测仪监测下径向进给切削直廓环面蜗轮齿面至规定的中心距，完成蜗轮加工。

图3为蜗杆加工示意图。加工采用滚齿机，加工时对胎具5及两把直刃刀具2（短刀刃）进行精确定位，确保直刃刀具2按需要的间距尺寸装在胎具5上，并严格根据间距调整直刃刀具2的刀刃方向（图中L2直线方向）与啮合中心线（图中L1直线方向）平行，并将待加工的直廓环面蜗杆4安装在滚齿机刀架上，方可开机按切制直廓环面蜗轮同样的传动比进行连续分度径向切削，直刃刀具2作回转运动，同时在动测仪监测下径向进给分段多刀切削至规定的中心距，完成蜗杆4加工。

采用本发明方法，加工出的直廓环面蜗杆副，精度等级可达到二级水平(参照标准：GB10089-88)，其主要核心技术指标参数：

蜗杆副的切向综合公差F′ic≤14.24"

蜗杆副的一齿切向综合公差f′ic≤3.82"

以上所述，仅是本发明高精度直廓环面蜗杆副加工方法的一种较佳实例而已，并非对本发明技术范围作任何限制，凡是依据本发明技术实质对以上的实施作的任何细微修改、变化与修饰仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种高精度直廓环面蜗轮的加工方法，其特征在于：包括蜗轮（3）的粗加工和精加工，其中蜗轮（3）的粗加工采用飞刀，剃齿或珩齿工艺，蜗轮的精加工采用两把与蜗轮同齿形的直刃刀具（2），且两把同齿形直刃刀具（2）的切削刀刃方向均与直廓环面蜗轮和蜗杆啮合中心线平行，在动测仪监测下完成切削加工。

2.一种高精度直廓环面蜗杆的加工方法，其特征在于：采用两把与蜗杆（4）同齿形的直刃刀具（2），且两把同齿形直刃刀具（2）的切削刀刃方向均与直廓环面蜗轮（3）和蜗杆（4）啮合中心线平行，切削时切削刀刃沿母线分段进刀，并在动测仪监测下完成加工。

3.根据权利要求1或2所述的高精度直廓环面蜗轮、蜗杆的加工方法，其特征在于：加工设备为蜗轮母机或滚齿机。

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