CN103586546A - 一种利用鼓形蜗杆工具加工内齿轮齿廓的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种利用鼓形蜗杆工具加工内齿轮齿廓的装置，该装置由机床立柱（1）、机床底座（0）组成机床床身，机床床身连接有垂直进给运动单元（2），蜗杆工具驱动动力头（3），工件旋转运动单元（4），工件水平进给运动单元（5），蜗杆工具开合单元（6）和动力头摆动运动单元（7）；一种利用鼓形蜗杆工具加工内齿轮齿廓的方法，该方法有四大步骤。本发明将鼓形蜗杆工具分成两部分并在加工前后适时开合，可以利用大直径工具加工小直径内齿轮表面并实现内齿轮的连续加工，大大提高加工效率；增加鼓形蜗杆工具的回转半径可以减小蜗杆旋转误差对加工精度的影响，因此该方法也可以用于精密内齿轮的加工。

Description

一种利用鼓形蜗杆工具加工内齿轮齿廓的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种利用鼓形蜗杆工具加工内齿轮齿廓的方法和装置，属于机械传动和机械加工技术领域。

背景技术

内齿轮是构成行星减速器、谐波减速器的重要传动元件，目前一般采用插齿加工方法加工，其加工效率低、加工精度不容易提高，无法满足高性能减速器制造的要求。采用超硬磨料成形砂轮并利用成形法磨削内齿轮是目前实现硬齿面内齿轮加工的主要工艺方法，但是这种方法受到工具尺寸和刚度、砂轮精度和成本等多种因素影响的制约，没有也难以得到广泛应用。与这种情况相对应的是外齿轮的加工方法获得了长足的发展，其粗加工采用滚削，精加工可采用蜗杆砂轮连续磨削，因此具有加工效率高、精度高、效率高、成本低等特点，在工业界获得成功应用。目前采用蜗杆砂轮磨削可以获得数十秒钟加工一个小型齿轮，采用普通低成本砂轮、可连续修整和可连续磨削是这种加工方式取得成功的关键。但是受到传动原理的限制，蜗轮蜗杆传动只能是外啮合传动，到目前为止还没有啮合理论研究蜗杆和内齿轮的啮合关系，因为从直觉上内齿轮和蜗杆的啮合几乎是不可能或没有作用的。事实上，这是一个巨大的误区。从啮合原理本身看，当蜗杆的齿面足够短时且采取合适的支撑方式时，蜗杆完全可以置于内齿轮的内部并与之产生啮合运动，当然此时的蜗杆的节面一般不是圆柱面，而是一个鼓形面，鼓形的母线半径可以具有多种不同的尺寸，但通常应比被加工齿轮的节圆半径小，但鼓形的回转直径却可以比内齿轮的直径大，因此采用蜗杆内啮合即可以加工大齿轮也可以加工小齿轮。其中，当蜗杆回转直径大于齿轮直径时，只有一种可能，那就是将工具蜗杆制造成空心结构，并使环状的空心工具和齿轮环相互穿透，这样就可以实现连续的啮合运动。利用蜗杆状工具连续加工内齿轮可以大幅度降低加工成本，且可以加工直径极小的各种内齿轮或类似齿轮的周向均多齿结构。同时可以提供一种新型的传动方式可大幅度减小外啮合蜗杆传动机构的尺寸。

发明内容

本发明提供一种利用鼓形蜗杆工具加工内齿轮齿廓的方法和装置，它是一种新型蜗杆传动机构和利用该机构实现内齿轮高效高精度加工的方法和装置。

（1）本发明的主要方法是设计一种鼓形蜗杆工具，用于高效率地加工内齿轮。对于大型内齿轮，鼓形蜗杆工具可置于齿轮内部，即其工具最大外形尺寸小于齿轮。对于小内齿轮，鼓形蜗杆工具尺寸可以远大于内齿轮工件尺寸，此时蜗杆为空心环状扁平结构，可以分成两部分并穿过工件后连接起来在加工过程作为一个整体参与加工或通过壳体结构使二者在加工过程保持稳定的相对位置关系。图1a、1b、1c分别是一种利用小直径鼓形蜗杆蜗杆加工大直径内齿轮的原理结构图的主视图、左视图和俯视图.设鼓形蜗杆蜗杆的母线半径为R0，鼓形蜗杆蜗杆的节圆最大回转外半径为R2，被加工内齿轮的半径为R1。为了加工内齿轮，鼓形蜗杆必须倾斜一定角度G，确保鼓形蜗杆的齿形方向与被加工齿轮的齿形方向一致。当然，当鼓形蜗杆采用不同的螺旋角时，二者之间的轴线夹角可以增加或减少一个被加工内斜齿轮的螺旋角。因此当加工斜内齿轮时，选择鼓形蜗杆的合理螺旋线方向可以在特定情况下保证工具轴线与内齿轮轴线成90度。图1c中，工件01和鼓形蜗杆工具02在该图左侧构成啮合状态，该鼓形蜗杆的轴线可按照图1b所示与被加工齿轮的轴线间具有确定的夹角G。这可以确保在鼓形蜗杆与齿轮啮合处的节圆上的切线具有相同的方向。图2a、2b、2c分别是一种利用大直径鼓形蜗杆加工小直径内齿轮的原理结构图的主视图、左视图和俯视图。此时，考虑到工具直径大、工件直径小，刀具无法完全进入工件之中，工具的回转半径R2大于被加工工件的直径R1，因此工具基体需要制造成空心环状。为了保证鼓形蜗杆和内齿轮的节圆在切点处具有共同的切线方向，鼓形蜗杆需要按照图2b所示安装并使鼓形蜗杆工具的轴线和工件齿轮的轴线之间的夹角为G。G为鼓形蜗杆工具节圆最大直径处的螺旋角。按照图1c或图2c，工件01只做围绕其自身轴线的匀速回转运动和在水平面中的径向进给运动，鼓形蜗杆工具02、02’则一边绕自身轴线旋转一边做匀速的沿着工件轴线方向轴向进给运动。利用这4个基本运动可以完成内齿直齿轮的连续滚削或磨削加工，同时这4个运动可以通过合理方式进行组合用于加工斜齿内齿轮。但调整角度G的运动也可以作为一个参与机床联动运动的自由度，用于与其它四轴构成五轴联动机床，可以用于齿轮修形或加工具有非常规齿廓的内齿轮。在图1c中，通过设计合适的蜗杆螺旋角可以使工具从工件中贯穿而过，这样可以构成一种比较有趣的内啮合蜗杆传动方式。图2c中的环状工具可以根据情况制造成多种结构形式（方式1），如两半完全对称的不需要螺钉连接但可以在轴承和壳体作用下保持稳定和正确的相对位置关系的方式（方式2），分解成大小不同的可通过螺钉销钉共同作用将其在穿过工具后连接成一个部件的方式或直接保留一个小的开口容许工件进入其内部的方式（方式3）。其中方式3适合粗加工的情况。该环状工具在机床的支撑方式也非常重要，一种是采用上下两部分对开方式的滚动或滑动轴承分别支撑环状工具的上下两部分，该方案适合方式1，可采用3组以上滚动轴承支撑连接成整体的工具的两部分，该方法适合方式2。方式3则适合采用滑动轴承支撑。蜗杆工具的回转可采用消除间隙的齿轮机构或小间隙齿轮机构传动实现。

综上所述，本发明一种利用鼓形蜗杆工具加工内齿轮齿廓的方法，该方法具体步骤如下：步骤一：设计一种扁平形或长度很短的鼓形蜗杆工具，如图1c中的件02所示或图2c中的02’所示。该蜗杆砂轮可以被做作成单头或多头蜗杆，且蜗杆位于一个环面上，环面的母圆半径为图1c或图2c中的假想齿轮C1、C2的节圆半径R0。图中，C2上的轮齿的横截面图形是C1上的横截形旋转半个齿距角（蜗杆为单头蜗杆时）或与蜗杆头数相同的多个半齿距角后的形状，其中间形状是该假想齿轮截形在围绕工具轴线旋转的过程中同时按照上述规律连续自转后所做的环面螺旋运动形成，而假想齿轮自身的正截形可以根据包络原理求得。

步骤二：设计一种驱动鼓形蜗杆工具连续地按照给定速度和位移运动的蜗杆工具驱动动力头。目前的机床多直接制造成多轴联动机床，采用鼓形蜗杆工具加工内齿轮，首先要解决的是鼓形蜗杆工具的传动和支撑问题。当加工大直径内齿轮时，蜗杆可以被制作成扁平结构并且置于被加工齿轮的内部，蜗杆的运动可采用常规的角度铣削或钻削动力头支撑并通过精密齿轮链进行传动。此时鼓形蜗杆工具通过其内孔和端面和两组轴承简支于分立于其两端面的支架上，鼓形蜗杆工具的一端并联有一个外齿轮，该外齿轮可以通过一串轴线平行的直径很小的依次啮合的齿轮组与支架上端足够远处的伺服电机上输出轴上的齿轮啮合，从而实现伺服电机对鼓形蜗杆工具的直接驱动。由于该方式比较简单且常规，因此本发明没有提供具体的结构图纸说明。

本发明重点介绍的是当加工直径很小的内齿轮时和需要提高齿轮加工精度时，采用大直径空心蜗杆工具加工内齿轮的机床结构。图4a、4b、4c分别是一种利用大尺寸空心扁平蜗杆工具加工小直径内齿轮的蜗杆工具驱动动力头的主视图、左视图和俯视图。图4a、4b、4c中，蜗杆工具上部306通过左、右轴承319、320支撑于由件305、307、315、317组成的动力头上部壳体中，蜗杆工具下部303通过左、右轴承319、320的下部滚动体支撑于由件301、302、325、326组成的动力头下部壳体中,上下两部分可通过一对定位销311来确定其连接状态的相对位置关系，动力头上下部分各自壳体通过壳体连接螺钉328中连接在一起，左、右导向板324、328通过滑板螺钉323连接于蜗杆工具开合单元6的工作台面上，用于控制动力头下部开合时能具有确定的运动位置和轨迹。蜗杆工具伺服电机314通过齿形带传动系统313、334、333、332、331和齿轮传动系统330、329、321、322驱动蜗杆工具的内齿轮使其做连续的位置速度可控的旋转运动。

步骤三：设计一种驱动被加工内齿轮做位置和速度可控运动的工件旋转运动单元4。如图5a、5b所示是一种工件旋转运动单元的原理结构图。壳体底座401和壳体盖板402形成的密闭空间内安装有一对主动齿轮406和工件托盘齿轮408，其中主动齿轮406安装于伺服电机407的端部，工件托盘齿轮408支撑于轴承403之上，工件托盘齿轮408的内部正好与被加工齿轮的外直径相同或与用于将工件齿轮安装在工件托盘齿轮408内的夹具的外径相同，被加工工件齿轮404可用工件压板组405固定在工件托盘齿轮408之上并确保该位置的稳定性。

步骤四：设计一种具有5个自由度的内齿轮加工机床，如图3a、3b所示。图中包含一个垂直进给运动单元2、蜗杆工具驱动动力头3、工件旋转运动单元4、工件水平进给运动单元5、蜗杆工具开合单元6、动力头摆动运动单元7等部分和一个用于支撑和连接以上各部分的机床底座0与机床立柱1。其中蜗杆工具驱动动力头3用于驱动蜗杆按照给定运动规律做旋转运动，工件旋转运动单元4用于驱动工件齿轮按照给定运动规律做旋转运动，动力头摆动运动单元7用于控制工具和工件之间的夹角G，垂直进给运动单元2用于在加工直齿内齿轮时使蜗杆工具一边旋转一边做轴线方向的进给运动一边加工出齿宽方向的全部齿形，工件水平进给运动单元5用实现径向进给以控制齿轮高度方向的加工精度。上述5个运动可以通过程序控制进行适当调整，因此该方法可以用于加工直齿内齿轮、斜齿内齿轮、齿形修形加工等。其要点在于动力头开合单元6可以用于控制蜗杆工具驱动动力头3的上下两部分适时开合，即在安装和拆卸工件时蜗杆工具保持分开状态，如图6a所示，在加工齿轮时蜗杆工具可以保持图6b所示的闭合状态。

采用上述方法，原则上可以加工复杂的内渐开线齿轮，也可以通过妥善设计蜗杆工具加工其它周期性内曲线曲面结构，如齿轮泵与马达等的内曲面等。所采用的传动方式除采用齿轮传动、齿形带传动外也可采用摩擦传动或钢带传动等，这样可以进一步消除传动间隙，提高齿轮加工精度。

（2）本发明包括一种利用鼓形蜗杆工具加工内齿轮齿廓的装置，见图3，它是一种利用以环面为基础的具有鼓形节圆母线的蜗杆工具加工小直径内齿轮的装置，该装置由机床立柱1、机床底座0组成机床床身，机床床身连接有垂直进给运动单元2，蜗杆工具驱动动力头3,工件旋转运动单元4,工件水平进给运动单元5,蜗杆工具开合单元6和动力头摆动运动单元7。

该机床立柱1、机床底座0是采用铸造或焊接工艺制作的箱式金属结构件；

该垂直进给运动单元2由垂直进给伺服电机21、垂直进给联轴节22、垂直进给前轴承座组件23、垂直进给螺母24、垂直进给螺母座25、垂直进给丝杠26、垂直进给后轴承座组件27、直线导轨28、垂直进给工作台29组成，其之间关系是：垂直进给丝杠26支撑于垂直进给前轴承座组件23、垂直进给后轴承座组件27上，垂直进给伺服电机21的壳体固定于垂直进给前轴承座组件23的壳体上、其输出轴通过垂直进给联轴节22与垂直进给丝杠26连接，垂直进给螺母24支撑于垂直进给螺母座25上，后者固定于垂直进给工作台29一侧。工作时，垂直进给伺服电机21通过垂直进给联轴节22驱动垂直进给丝杠26旋转，垂直进给丝杠26带动垂直进给螺母24上下运动，最终通过垂直进给螺母座25带动垂直进给工作台29上下运动。

该水平进给运动单元5由水平进给电机51、水平进给联轴节52、水平进给前轴承座组件53、水平进给螺母54、水平进给螺母座55、水平进给丝杠56、水平进给后轴承座组件57、直线导轨58、水平进给工作台59组成，其之间的关系是：水平进给丝杠56支撑于水平进给前轴承座组件53、水平进给后轴承座组件57上，水平进给电机51的壳体固定于水平进给前轴承座组件53的壳体上、其输出轴通过水平进给联轴节52与水平进给丝杠56连接，水平进给螺母54支撑于水平进给螺母座55上，后者固定于水平进给工作台59一侧。工作时，水平进给电机51通过水平进给联轴节52驱动水平进给丝杠56旋转，水平进给丝杠56带动水平进给螺母54左右运动，最终通过水平进给螺母座55带动水平进给工作台59左右运动。

在垂直进给运动单元的2的垂直进给工作台29上安装有一动力头摆动运动单元7，它主要由一个力矩电机组成，也可以采用蜗轮蜗杆结构或其它类型的转台，其功能主要是带动蜗杆工具动力头3做摆动运动或调整获得蜗杆工具和工件之间的夹角G，因此其运动可以为联动运动的一部分，也可以作为调整运动。在只做调整运动的场合，该单元的结构可以采用人工或其它简单调整方式。

该蜗杆工具驱动动力头3如图4a、b、c所示。图4a、4b、4c中，蜗杆工具上部306通过左、右轴承319、320支撑于由件305、307、315、317组成的动力头上部壳体中，蜗杆工具下部303通过左、右轴承319、320的下部滚动体支撑于由件301、302、325、326组成的动力头下部壳体中,上下两部分可通过一对定位销311来确定其连接状态的相对位置关系，动力头上下部分各自壳体通过壳体连接螺钉328连接在一起，左、右导向板324、327通过滑板螺钉323连接于蜗杆工具开合单元6的工作台面上，用于控制动力头下部开合时能具有确定的运动位置和轨迹。蜗杆工具伺服电机314通过齿形带传动系统313、334、333、332、331和齿轮传动系统330、329、321、322驱动蜗杆工具的内齿轮使其做连续的位置速度可控的旋转运动。

该工件旋转运动单元4如图5a、5b所示。壳体底座401和壳体盖板402形成的密闭空间内安装有一对主动齿轮406和工件托盘齿轮408，其中主动齿轮406安装于伺服电机407的端部，工件托盘齿轮408支撑于轴承403之上，工件托盘齿轮408的内部正好与被加工齿轮的外直径相同或与用于将工件齿轮安装在工件托盘齿轮408内的夹具的外径相同，被加工工件齿轮404可用压板固定在工件托盘齿轮408之上并确保该位置的稳定性。该单元的壳体连接于工件水平进给运动单元5的水平进给工作台59之上，可以随该工作台做左右方向的水平进给运动和快进快退运动。

该蜗杆工具动力头开合单元6主要由图3a、图4a、图4b、图4c所示的气缸61、蜗杆工具驱动动力头3中的定位销311、用于固定和放松左、右轴承319、320的滚动体压紧机构335-340以及左、右导向板324、327等组成。安装和拆卸工件时，活塞336、气缸活塞340通过滚珠压板335、338压住左、右轴承319、320的靠近开口处的滚动体，气缸61再驱动蜗杆工具驱动动力头的下部分（壳体连同蜗杆工具下部303）向下运动，此时蜗杆工具303、306下上部随同其支撑轴承和壳体分开为上下两部分，被加工工件齿轮404随同工件旋转运动单元4可以进入蜗杆工具驱动动力头3内部，此后气缸61推动蜗杆工具驱动动力头下部在左、右导向板324、327的约束下向上运动，并通过定位销311使上下两部分回归并保持正确的位置关系，此时放开活塞336、气缸活塞340使轴承滚动体处于自由运动状态。此时蜗杆工具伺服电机314可以通过传动系统驱动蜗杆工具303、306下上部做连续旋转运动。应该说明的是，当采用滚动轴承时，蜗杆工具在双面半圈滚道的约束下只能具有一个旋转运动自由度，因此此时两半蜗杆工具并不一定要通过螺钉销钉连接在一起，但当将左、右轴承319、320换成滑动轴承后，如间隙太大则需要将其两半连接成一体。

加工齿轮时，先将被加工工件齿轮404安装在工件回转运动单元4中，再利用蜗杆工具开合单元6将蜗杆工具驱动动力头3分开，使工件进入到蜗杆工具内部，合上蜗杆工具开合单元6后，蜗杆工具303、306下上部和被加工工件齿轮404构成相互贯通的关系。利用动力头摆动运动单元7调整和控制工具和工件之间的夹角G。然后可利用工件水平进给运动单元5、垂直进给运动单元2与蜗杆工具驱动动力头3、工件回转运动单元4等的四个运动单元再数控程序控制下进行轮齿加工。加工完成后再利用蜗杆工具开合单元6打开蜗杆工具驱动动力头3，拆卸下加工好的工件，然后可进入下一个工作循环。

（3）优点及功效：本发明一种利用鼓形蜗杆工具加工内齿轮齿廓的方法和装置，其优点是：1）利用环面鼓形蜗杆工具实现内齿轮的连续加工，可大大提高加工效率；2）可将蜗杆工具分成两部分并在加工前后适时开合，可以利用大直径工具加工小直径内齿轮表面；3）增加蜗杆工具的回转半径可以减小蜗杆旋转误差对加工精度的影响，因此该方法可以用于精密内齿轮的加工。

附图说明

图1a小直径蜗杆加工大直径内齿轮的原理图主视图；

图1b小直径蜗杆加工大直径内齿轮的原理图左视图；

图1c小直径蜗杆加工大直径内齿轮的原理图俯视图；

图2a大直径蜗杆加工小直径内齿轮的原理图主视图；

图2b大直径蜗杆加工小直径内齿轮的原理图左视图；

图2c大直径蜗杆加工小直径内齿轮的原理图俯视图；

图3a大直径蜗杆工具加工小直径内齿轮装置的主视图；

图3b大直径蜗杆工具加工小直径内齿轮装置的俯视图;

图4a蜗杆工具驱动动力头的主视图；

图4b蜗杆工具驱动动力头的左视图；

图4c蜗杆工具驱动动力头的俯视图；

图5a工件旋转运动单元的主视图；

图5b工件旋转运动单元的俯视图；

图6a对开式蜗杆工具分开状态的主视图；

图6b对开式蜗杆工具工作状态的主视图；

图6c对开式蜗杆工具工作状态的左视图；

图中符号说明如下:

01：被加工内齿轮；02：加工大型内齿轮的小型蜗杆工具；02’：加工小型内齿轮的大型蜗杆工具；R0:环状蜗杆工具所依附的圆环面的母圆的半径；R1:被加工内齿轮的节圆半径；R2：环状蜗杆工具所依附的圆环面的环心圆半径与母圆半径之和；C1:假想齿轮的正截形，即通过蜗杆轴线的平面与蜗杆工具工作面的交线延拓后的得到的一种厚度为0的齿轮，该齿轮绕母圆为R0、环心圆半径为R2-R0的圆环面作螺旋运动所得到的一种特殊蜗杆就是本发明所提出的蜗杆工具的工作表面；C2:假想齿轮绕环面环心圆切线旋转半个齿距角（单头蜗杆）或与蜗杆头数相同的多个半齿距角后的图形，仍然为假想齿轮；G：交叉角，即蜗杆工具保证在啮合点处切线方向一致而确定的工具蜗杆和被加工齿轮轴线之间的夹角；02s:对开式蜗杆工具的上半部分；02x：对开式蜗杆工具的下半部分。0：机床底座；1:机床立柱；2：垂直进给运动单元；3：蜗杆工具驱动动力头；4：工件旋转运动单元；5：工件水平进给运动单元；6：蜗杆工具开合单元；61：气缸61；7：动力头摆动运动单元；21：垂直进给电机；22：垂直进给联轴节；23:垂直进给前轴承组件；24：垂直进给螺母；25：垂直进给螺母座；26：垂直进给丝杠；27:垂直进给后轴承组件；28:直线导轨；29：垂直进给工作台；51：水平进给电机；52：水平进给联轴节；53:水平进给前轴承组件；54：水平进给螺母；55：水平进给螺母座；56：水平进给丝杠；57:水平进给后轴承组件；58:直线导轨；59：水平进给工作台；301:下中外壳体;302:下中内壳体;303：蜗杆工具下部；304：；305：上中内壳体；306：蜗杆工具上部；307：上中外壳体；308：螺钉；309：电机调整座；310：调整螺钉；311：定位销；312：螺钉；313：齿形带传动壳体；314：蜗杆工具伺服电机；315：右上壳体；316：中上外壳体；317：左上壳体；318：；319：左轴承；320：右轴承；321：键；322：输出轴；323：滑板螺钉；324：左导向板；325：左下壳体；326：右下壳体；327：右导向板；328：壳体连接螺钉；329：输出齿轮；330：输出轴支撑座；331：从动齿形带轮；332：齿形带；333：主动齿形带轮；334：齿形带传动壳体盖板；335：滚珠压板；336：活塞；337：气缸端盖；338：滚珠压板；339：气缸端盖；340：气缸活塞；401；壳体底座；402：壳体盖板；403：轴承；404：被加工工件齿轮；405：工件压板组；406：主动齿轮（小间隙或消隙齿轮）；407：伺服电机；408：工件托盘齿轮；A:蜗杆工具工作表面,滚刀刀齿切削刃或砂轮磨料所在的环面螺旋面;B:密封面;C:滚道；D:驱动内齿轮齿面;

具体实施方式

本发明包括一种利用鼓形蜗杆工具加工内齿轮齿廓的方法和装置。

其中，包括一种利用鼓形蜗杆工具加工内齿轮齿廓的方法，见图1a、1b、1c、2a、2b、2c。该方法具体步骤如下：

步骤一：设计一种扁平形或长度很短的鼓形蜗杆工具，如图1c中的件02所示或图2c中的02’所示。该蜗杆砂轮可以被做作成单头或多头蜗杆，且蜗杆位于一个环面上，环面的母圆半径为图1c或图2c中的假想齿轮C1、C2的节圆半径R0。图中，C2上的轮齿的横截面图形是C1上的横截形旋转半个齿距角（蜗杆为单头蜗杆时）或与蜗杆头数相同的多个半齿距角后的形状，其中间形状是该假想齿轮截形在围绕工具轴线旋转的过程中同时按照上述规律连续自转后所做的环面螺旋运动形成，而假想齿轮自身的正截形可以根据包络原理求得。

步骤二：设计一种驱动鼓形蜗杆工具连续地按照给定速度和位移运动的蜗杆工具驱动动力头3。当加工直接很小的内齿轮时和需要提高齿轮加工精度时，采用大直径空心蜗杆工具加工内齿轮的机床结构。图4a、4b、4c分别是一种利用大尺寸空心扁平蜗杆工具加工小直径内齿轮的蜗杆工具驱动动力头3的主视图、左视图和俯视图。图4a、4b、4c中，蜗杆工具上部306通过左、右轴承319、320支撑于由件305、307、315、317组成的动力头上部壳体中，蜗杆工具下部303通过左、右轴承319、320的下部滚动体支撑于由件301、302、325、326组成的动力头下部壳体中,上下两部分可通过一对定位销311来确定其连接状态的相对位置关系，动力头上下部分各自壳体通过壳体连接螺钉328连接在一起，左、右导向板324、327通过滑板螺钉323连接于蜗杆工具开合单元6的工作台面上，用于控制动力头下部开合时能具有确定的运动位置和轨迹。蜗杆工具伺服电机314通过齿形带传动系统313、334、333、332、331和齿轮传动系统330、329、321、322驱动蜗杆工具的内齿轮使其做连续的位置速度可控的旋转运动。

步骤三：设计一种驱动被加工内齿轮做位置和速度可控运动的工件旋转运动单元4。如图5a、5b所示是一种工件旋转运动单元4的原理结构图。壳体底座401和壳体盖板402形成的密闭空间内安装有一对主动齿轮406和工件托盘齿轮408，其中主动齿轮406安装于伺服电机407的端部，工件托盘齿轮408支撑于轴承403之上，工件托盘齿轮408的内部正好与被加工齿轮的外直径相同或与用于将工件齿轮安装在工件托盘齿轮408内的夹具的外径相同，被加工工件齿轮404可用压板固定在工件托盘齿轮408之上并确保该位置的稳定性。

步骤四：设计一种具有5个自由度的内齿轮加工机床，如图3a、3b所示。图中包含一个垂直进给运动单元2、蜗杆工具驱动动力头3、工件旋转运动单元4、工件水平进给运动单元5、蜗杆工具开合单元6、动力头摆动运动单元7等部分和一个用于支撑和连接以上各部分的机床底座0和机床立柱1上。其中蜗杆工具驱动动力头3用于驱动蜗杆按照给定运动规律做旋转运动，工件旋转运动单元4用于驱动工件齿轮按照给定运动规律做旋转运动，动力头摆动运动单元7用于控制工具和工件之间的夹角G，垂直进给运动单元2用于在加工直齿内齿轮时使蜗杆工具一边旋转一边做轴线方向的进给运动一边加工出齿宽方向的全部齿形，工件水平进给运动单元用实现径向进给以控制齿轮高度方向的加工精度。上述5个运动可以通过程序控制进行适当调整，因此该方法可以用于加工直齿内齿轮、斜齿内齿轮、齿形修形加工等。其要点在于蜗杆工具开合单元6可以用于控制蜗杆工具驱动动力头3的上下两部分适时开合，即在安装和拆卸工件时蜗杆工具保持分开状态，如图6a所示，在加工齿轮时蜗杆工具可以保持图6b所示的闭合状态。

其中，还包括一种利用鼓形蜗杆工具加工内齿轮齿廓的装置，如图3a、3b、图4a、4b、4c、图5a、5b、图6a、6b、6c所示。

见图3a、3b，它是一种利用以环面为基础的具有鼓形节圆母线的蜗杆工具加工小直径内齿轮的装置，该装置由机床立柱1、机床底座0组成机床床身，机床床身连接有垂直进给运动单元2，蜗杆工具驱动动力头3,工件旋转运动单元4,工件水平进给运动单元5,蜗杆工具开合单元6和动力头摆动运动单元7。

该机床立柱1、机床底座0是采用铸造或焊接工艺制作的箱式金属结构件；

该垂直进给运动单元2由垂直进给电机21、垂直进给联轴节22、垂直进给前轴承座组件23、垂直进给螺母24、垂直进给螺母座25、垂直进给丝杠26、垂直进给后轴承座组件27、直线导轨28、垂直进给工作台29组成，其之间的关系是：垂直进给丝杠26支撑于垂直进给前轴承座组件23、垂直进给后轴承座组件27上，垂直进给电机21的壳体固定于垂直进给前轴承座组件23的壳体上、其输出轴通过垂直进给联轴节22与垂直进给丝杠26连接，垂直进给螺母24支撑于垂直进给螺母座25上，后者固定于垂直进给工作台29一侧。工作时，伺服垂直进给电机21通过垂直进给联轴节22驱动垂直进给丝杠26旋转，垂直进给丝杠26带动垂直进给螺母24上下运动，最终通过垂直进给螺母座25带动垂直进给工作台29上下运动。

该工件水平进给运动单元5由水平进给电机51、水平进给联轴节52、水平进给前轴承座组件53、水平进给螺母54、水平进给螺母座55、水平进给丝杠56、水平进给后轴承座组件57、直线导轨58、水平进给工作台59组成，其之间的关系是：水平进给丝杠56支撑于水平进给前轴承座组件53、水平进给后轴承座组件57上，水平进给电机51的壳体固定于水平进给前轴承座组件53的壳体上、其输出轴通过水平进给联轴节52与水平进给丝杠56连接，水平进给螺母54支撑于水平进给螺母座55上，后者固定于水平进给工作台59一侧。工作时，水平进给电机51通过水平进给联轴节52驱动水平进给丝杠56旋转，水平进给丝杠56带动水平进给螺母54左右运动，最终通过水平进给螺母座55带动水平进给工作台59左右运动。

在垂直进给运动单元2的垂直进给工作台29上安装有一动力头摆动运动单元7，它主要由一个力矩电机组成，也可以采用蜗轮蜗杆结构或其它类型的转台，其功能主要是带动蜗杆工具驱动动力头3做摆动运动或调整获得蜗杆工具和工件之间的夹角G，因此其运动可以为联动运动的一部分，也可以作为调整运动。在只做调整运动的场合，该单元的结构可以采用人工或其它简单调整方式。

该蜗杆工具驱动动力头3如图4a、b、c所示。图4a、4b、4c中，蜗杆工具上部306通过左、右轴承319、320支撑于由件305、307、315、317组成的动力头上部壳体中，蜗杆工具下部303通过左、右轴承319、320的下部滚动体支撑于由件301、302、325、326组成的动力头下部壳体中,上下两部分可通过一对定位销311来确定其连接状态的相对位置关系，动力头上下部分各自壳体通过壳体连接螺钉328连接在一起，左、右导向板324、327通过滑板螺钉323连接于蜗杆工具开合单元6的工作台面上，用于控制动力头下部开合时能具有确定的运动位置和轨迹。蜗杆工具伺服电机314通过齿形带传动系统313、334、333、332、331和齿轮传动系统330、329、321、322驱动蜗杆工具的内齿轮使其做连续的位置速度可控的旋转运动。

该工件旋转运动单元4如图5a、5b所示。壳体底座401和壳体盖板402形成的密闭空间内安装有一对主动齿轮406和工件托盘齿轮408，其中主动齿轮406安装于伺服电机407的端部，工件托盘齿轮408支撑于轴承403之上，工件托盘齿轮408的内部正好与被加工齿轮的外直径相同或与用于将工件齿轮安装在工件托盘齿轮408内的夹具的外径相同，被加工工件齿轮404可用工件压板组405固定在工件托盘齿轮408之上并确保该位置的稳定性。该单元的壳体连接于工件水平进给运动单元5的水平进给工作台59之上，可以随该工作台做左右方向的水平进给运动和快进快退运动。

该蜗杆工具开合单元6主要由图3a、图4a、图4b、图4c所示的气缸61、蜗杆工具驱动动力头3中的定位销311、用于固定和放松左、右轴承319、320的滚动体压紧机构335-340以及左、右导向板324、327等组成。安装和拆卸工件时，活塞336、气缸活塞340通过滚珠压板335、338压住左、右轴承319、320的靠近开口处的滚动体，气缸61再驱动蜗杆工具驱动动力头3的下部分（壳体连同蜗杆工具下部303）向下运动，此时蜗杆工具306、303上下部随同其支撑轴承和壳体分开为上下两部分，被加工工件齿轮404随同工件旋转运动单元4可以进入蜗杆工具驱动动力头3内部，此后气缸61推动蜗杆工具驱动动力头3下部在左、右导向板324、327的约束下向上运动，并通过定位销311使上下两部分回归并保持正确的位置关系，此时放开活塞336、气缸活塞340使轴承滚动体处于自由运动状态。此时蜗杆工具伺服电机314可以通过传动系统驱动蜗杆工具306、303上下部做连续旋转运动。

加工齿轮时，先将被加工工件齿轮404安装在工件旋转运动单元4中，再利用蜗杆工具开合单元6将蜗杆工具驱动动力头3分开，使工件进入到蜗杆工具内部，合上蜗杆工具开合单元6后，蜗杆工具306、303上下部和被加工工件齿轮404构成相互贯通的关系。利用动力头摆动运动单元7调整和控制工具和工件之间的夹角G。然后可利用工件水平进给运动单元5、垂直进给运动单元2与蜗杆工具驱动动力头3、工件回转运动单元4等的四个运动单元再数控程序控制下进行轮齿加工。加工完成后再利用蜗杆工具开合单元6打开蜗杆工具驱动动力头3，拆卸下加工好的工件，然后可进入下一个工作循环。

Claims (2)

1.一种利用鼓形蜗杆工具加工内齿轮齿廓的方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：设计一种扁平形或长度很短的鼓形蜗杆工具；该蜗杆砂轮被做作成单头或多头蜗杆，且蜗杆位于一个环面上，环面的母圆半径为假想齿轮（C1）、（C2）的节圆半径R0；（C2）上的轮齿的横截面图形是（C1）上的横截形旋转半个齿距角或与蜗杆头数相同的多个半齿距角后的形状，其中间形状是该假想齿轮截形在围绕工具轴线旋转的过程中同时按照上述规律连续自转后所做的环面螺旋运动形成，而假想齿轮自身的正截形根据包络原理求得；

步骤二：设计一种驱动鼓形蜗杆工具连续地按照给定速度和位移运动的蜗杆工具驱动动力头；目前的机床多直接制造成多轴联动机床，采用鼓形蜗杆工具加工内齿轮，首先要解决的是鼓形蜗杆工具的传动和支撑问题；当加工大直径内齿轮时，蜗杆被制作成扁平结构并且置于被加工齿轮的内部，蜗杆的运动采用常规的角度铣削或钻削动力头支撑并通过精密齿轮链进行传动；此时鼓形蜗杆工具通过其内孔和端面和两组轴承简支于分立于其两端面的支架上，鼓形蜗杆工具的一端并联有一个外齿轮，该外齿轮通过一串轴线平行的直径很小的依次啮合的齿轮组与支架上端足够远处的伺服电机上输出轴上的齿轮啮合，从而实现伺服电机对鼓形蜗杆工具的直接驱动；鼓形蜗杆工具上部（306）通过左、右轴承（319）、（320）支撑于由件（305）、（307）、（315）、（317）组成的动力头上部壳体中，鼓形蜗杆工具下部（303）通过左、右轴承（319）、（320）的下部滚动体支撑于由件（301）、（302）、（325）、（326）组成的动力头下部壳体中,上下两部分通过一对定位销（311）来确定其连接状态的相对位置关系，动力头上下部分各自壳体通过壳体连接螺钉（328）中连接在一起，左、右导向板（324）、（328）通过滑板螺钉（323）连接于蜗杆工具开合单元（6）的工作台面上，用于控制动力头下部开合时能具有确定的运动位置和轨迹；蜗杆工具伺服电机（314）通过齿形带传动系统（313）、（334）、（333）、（332）、（331）和齿轮传动系统（330）、（329）、（321）、（322）驱动鼓形蜗杆工具的内齿轮使其做连续的位置速度可控的旋转运动；

步骤三：设计一种驱动被加工内齿轮做位置和速度可控运动的工件旋转运动单元（4）；其壳体底座（401）和壳体盖板（402）形成的密闭空间内安装有一对主动齿轮（406）和工件托盘齿轮（408），其中主动齿轮（406）安装于伺服电机（407）的端部，工件托盘齿轮（408）支撑于轴承（403）之上，工件托盘齿轮（408）的内部正好与被加工齿轮的外直径相同或与用于将工件齿轮安装在工件托盘齿轮（408）内的夹具的外径相同，被加工工件齿轮（404）用工件压板组（405）固定在工件托盘齿轮（408）之上并确保该位置的稳定性；

步骤四：设计一种具有5个自由度的内齿轮加工机床，它包含一个垂直进给运动单元（2）、蜗杆工具驱动动力头（3）、工件旋转运动单元（4）、工件水平进给运动单元（5）、蜗杆工具开合单元（6）、动力头摆动运动单元（7）和一个用于支撑和连接以上各部分的机床底座（0）与机床立柱（1）；其中蜗杆工具驱动动力头（3）用于驱动蜗杆按照给定运动规律做旋转运动，工件旋转运动单元（4）用于驱动工件齿轮按照给定运动规律做旋转运动，动力头摆动运动单元（7）用于控制工具和工件之间的夹角G，垂直进给运动单元（2）用于在加工直齿内齿轮时使蜗杆工具一边旋转一边做轴线方向的进给运动一边加工出齿宽方向的全部齿形，工件水平进给运动单元（5）用实现径向进给以控制齿轮高度方向的加工精度；上述5个运动通过程序控制进行适当调整，因此该方法用于加工直齿内齿轮、斜齿内齿轮、齿形修形加工；其要点在于动力头开合单元（6）用于控制蜗杆工具驱动动力头（3）的上下两部分适时开合，即在安装和拆卸工件时蜗杆工具保持分开状态，在加工齿轮时蜗杆工具可以保持闭合状态。

2.一种利用鼓形蜗杆工具加工内齿轮齿廓的装置，其特征在于：该装置由机床立柱（1）、机床底座（0）组成机床床身，机床床身连接有垂直进给运动单元（2），蜗杆工具驱动动力头（3）,工件旋转运动单元（4）,工件水平进给运动单元（5）,蜗杆工具开合单元（6）和动力头摆动运动单元（7）；

该机床立柱（1）、机床底座（0）是采用铸造或焊接工艺制作的箱式金属结构件；

该垂直进给运动单元（2）由垂直进给伺服电机（21）、垂直进给联轴节（22）、垂直进给前轴承座组件（23）、垂直进给螺母（24）、垂直进给螺母座（25）、垂直进给丝杠（26）、垂直进给后轴承座组件（27）、直线导轨（28）、垂直进给工作台（29）组成；垂直进给丝杠（26）支撑于垂直进给前轴承座组件（23）、垂直进给后轴承座组件（27）上，垂直进给伺服电机（21）的壳体固定于垂直进给前轴承座组件（23的壳体上，其输出轴通过垂直进给联轴节（22与垂直进给丝杠（26）连接，垂直进给螺母（24）支撑于垂直进给螺母座（25）上，后者固定于垂直进给工作台（29）一侧；工作时，垂直进给伺服电机（21）通过垂直进给联轴节（22）驱动垂直进给丝杠（26）旋转，垂直进给丝杠（26）带动垂直进给螺母（24）上下运动，最终通过垂直进给螺母座（25）带动垂直进给工作台（29）上下运动；

该水平进给运动单元（5）由水平进给电机（51）、水平进给联轴节（52）、水平进给前轴承座组件（53）、水平进给螺母（54）、水平进给螺母座（55）、水平进给丝杠（56）、水平进给后轴承座组件（57）、直线导轨（58）、水平进给工作台（59）组成；水平进给丝杠（56）支撑于水平进给前轴承座组件（53）、水平进给后轴承座组件（57）上，水平进给电机（51）的壳体固定于水平进给前轴承座组件（53）的壳体上，其输出轴通过水平进给联轴节（52）与水平进给丝杠（56）连接，水平进给螺母（54）支撑于水平进给螺母座（55）上，后者固定于水平进给工作台（59）一侧；工作时，水平进给电机（51）通过水平进给联轴节（52驱动水平进给丝杠（56）旋转，水平进给丝杠（56）带动水平进给螺母（54）左右运动，最终通过水平进给螺母座（55）带动水平进给工作台（59）左右运动；

在垂直进给运动单元（2）的垂直进给工作台（29上安装有一动力头摆动运动单元（7），它主要由一个力矩电机组成，也能采用蜗轮蜗杆结构或其它类型的转台，其功能是带动蜗杆工具动力头（3）做摆动运动或调整获得蜗杆工具和工件之间的夹角G，因此其运动为联动运动的一部分，在只做调整运动的场合，该单元的结构采用人工或其它简单调整方式；

该蜗杆工具驱动动力头（3），其蜗杆工具上部（306）通过左、右轴承（319）、（320）支撑于由件（305）、（307）、（315）、（317）组成的动力头上部壳体中，蜗杆工具下部（303）通过左、右轴承（319）、（320）的下部滚动体支撑于由件（301）、（302）、（325）、（326）组成的动力头下部壳体中,上下两部分通过一对定位销（311）来确定其连接状态的相对位置关系，动力头上下部分各自壳体通过壳体连接螺钉（328）连接在一起，左、右导向板（324）、（327）通过滑板螺钉（323）连接于蜗杆工具开合单元（6）的工作台面上，用于控制动力头下部开合时能具有确定的运动位置和轨迹；蜗杆工具伺服电机（314通过齿形带传动系统（313）、（334）、（333）、（332）、（331）和齿轮传动系统（330）、（329）、（321）、（322）驱动蜗杆工具的内齿轮使其做连续的位置速度可控的旋转运动；

该工件旋转运动单元（4），其壳体底座（401）和壳体盖板（402）形成的密闭空间内安装有一对主动齿轮（406）和工件托盘齿轮（408），其中主动齿轮（406）安装于伺服电机（407）的端部，工件托盘齿轮（408）支撑于轴承（403）之上，工件托盘齿轮（408）的内部正好与被加工齿轮的外直径相同或与用于将工件齿轮安装在工件托盘齿轮（408）内的夹具的外径相同，被加工工件齿轮（404）用压板固定在工件托盘齿轮（408）之上并确保该位置的稳定性；该单元的壳体连接于工件水平进给运动单元（5）的水平进给工作台（59）之上，随该工作台做左右方向的水平进给运动和快进快退运动；

该蜗杆工具动力头开合单元（6），由气缸（61）、蜗杆工具驱动动力头（3）中的定位销（311、用于固定和放松左、右轴承（319）、（320）的滚动体压紧机构（335）-（340）以及左、右导向板（324）、（327）组成；安装和拆卸工件时，活塞（336）、气缸活塞（340）通过滚珠压板（335）、（338）压住左、右轴承（319）、（320）的靠近开口处的滚动体，气缸（61）再驱动蜗杆工具驱动动力头的下部分向下运动，此时蜗杆工具（303）、（306）下、上部随同其支撑轴承和壳体分开为上下两部分，被加工工件齿轮（404）随同工件旋转运动单元（4）进入蜗杆工具驱动动力头（3）内部，此后气缸（61）推动蜗杆工具驱动动力头下部在左、右导向板（324）、（327）的约束下向上运动，并通过定位销（311）使上下两部分回归并保持正确的位置关系，此时放开活塞（336）、气缸活塞（340）使轴承滚动体处于自由运动状态；此时蜗杆工具伺服电机（314）通过传动系统驱动蜗杆工具（303）、（306）下、上部做连续旋转运动；当采用滚动轴承时，鼓形蜗杆工具在双面半圈滚道的约束下只能具有一个旋转运动自由度，因此此时两半鼓形蜗杆工具并不一定要通过螺钉销钉连接在一起，但当将左、右轴承（319）、（320）换成滑动轴承后，如间隙太大则需要将其两半连接成一体。

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