CN1054562C - 环面蜗杆成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是环面蜗杆的一种加工方法。它在数控环面蜗杆磨床上，采用由绕轴旋转的偏置刀具在砂轮表面形成圆弧、砂轮同时绕自身轴线旋转所形成的偏置圆弧回转面为母面的砂轮包络环面蜗杆，并以变传动比方式修整成型，它不发生干涉现象，既可加工大速比单头蜗杆，也可加工小速比多头蜗杆，考虑了受载后，轮齿发生弹性变形能在较大承载状态下工作，改善应力集中状态，创造更好的油膜形成条件，其技术经济价值大大超过常规加工方法。
Description
本发明涉及的是环面蜗杆的一种加工方法。
环面蜗杆(Hourglass)应用较为普遍的是切削成型的亨德利(Hlndley)蜗杆或称直线齿环面蜗杆。加工这种蜗杆的方法主要是采用直线刃切刀，切刀的切削刃(延长线)与“主基圆”相切，并绕主基圆回转运动，蜗杆旋转运动。为加工出整个螺旋面齿形还有纵向进给、横向进给运动，该方法所形成的蜗杆传动副齿面啮合区较小，一般在50％左右，油膜保持力减少，面压增大，产生局部磨损，降低耐用度和传动效率，直接影响承载能力。
在昭50-19689中公开了一种平面包络环面蜗杆的成型方法，它采用平面砂轮磨削成型，砂轮的母平面与“主基圆”相切，并绕此圆回转运动，蜗杆、砂轮绕各自的轴线旋转运动。加工中蜗杆与砂轮间的速比为定值，所成型的蜗杆传动副齿面有效接触区扩大，几乎布满全齿，大大提高了蜗杆与蜗轮的齿面承载能力，而且齿面可以淬硬磨削，齿面光洁度高、油膜形成条件好，但不足之处在于：加工小速比多头蜗杆时会发生干涉现象，蜗杆齿根有根切，齿顶也变尖，削弱了牙齿的强度。
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处，而提供一种无干涉现象的环面蜗杆的成型方法。
可采取以下的技术方案实现目的。在数控环面蜗杆磨床上，采用由绕OZ轴旋转的偏置刀具在砂轮表面形成圆弧C-C、砂轮同时绕自身轴线旋转所形成的偏置圆弧回转面为母面的砂轮包络环面蜗杆，并以变传动比方式修整成型；圆弧c-c的旋转轴线OZ与砂轮轴线a-a间、用于改变砂轮回转面∑(2)锥角的夹角γ：
-10°＜γ＜0°，0°＜γ＜90°
圆弧c-c的旋转轴线OZ与砂轮轴线a-a间，用于改变砂轮回转面∑(2)曲率的夹角δ：
-30°＜δ＜0°，0°＜δ＜30°。即可获得既无干涉现象，又具有较理想齿形的环面蜗杆。
本技术方案相对现有技术具有如下优点：
1、由于它采用偏置圆弧回转面砂轮包络环面蜗杆，不发生干涉现象既可加工大速比单头蜗杆也可加工小速比多头蜗杆。
2、受载后接触齿面能在较佳状态下工作，改善应力集中状态，创造更好的油膜形成条件，其技术经济价值大大超过常规加工方法。
结合附图实施例对本技术方案的内容作进一步详述。
图1是环面蜗杆包络成型示意图；
图2是形成偏置圆弧回转面砂轮示意图；
图3是图2的右侧视图；
图4是图2的俯视图；
图5(1)是蜗轮连续四齿有限元网络图；
图5(2)是蜗轮受载四齿位移对比图；
图6(1)是蜗杆有限元网络图；
图6(2)是蜗杆受载变形对比图；
图7是与本环面蜗杆啮合的蜗轮副第1齿受载变形图；
图8是与本环面蜗杆啮合的蜗轮副第2齿受载变形图；
图9是与本环面蜗杆啮合的蜗轮副第3齿受载变形图；
图10是与本环面蜗杆啮合的蜗轮副第4齿受载变形图；
图11-14分别是蜗轮副第1-4齿的齿面接触迹示意图；
图15-18是对应于蜗轮第1-4齿的蜗杆螺旋面受力状态示意图；
图19是本环面蜗杆螺旋面成型修整示意图。
本发明提出的蜗杆成型母面是一个偏置圆弧回转面∑(2)，它们的坐标，运动关系如附图1所示。蜗杆工件以ω1角速度绕K1(O1)轴旋转，具有∑(2)母面的砂轮以ω2的角速度绕自身轴线旋转，砂轮的母平面与主基圆相切以ω3角速度绕主基圆[K2(O2)轴]回转。砂轮与蜗杆的相对位置及它们的运动关系遵从展成加工的要求。
为形成砂轮偏置圆弧回转面，可采用图2所示方式，绕OZ轴旋转的偏置刀具——金刚笔尖D在砂轮表面形成圆弧c-c，砂轮同时绕自身轴线a-a旋转，就能形成偏置圆弧c-c的回转面∑(2)。采用其它方式，形成不同于图2的偏置圆弧回转面砂轮，用它们包络环面蜗杆均能满足本发明对砂轮刀具的要求。
如果在YOZ平面中调整圆弧c-c的旋转轴线OZ与砂轮轴线a-a间的夹角γ，则可改变砂轮偏置圆弧回转面∑(2)的锥角。
如果在XOZ平面中调整圆弧c-c的旋转轴线OZ与砂轮轴线a-a间的夹角δ，则可改变砂轮偏置圆弧回转面∑(2)的曲率。
通常γ、δ调整范围为：
-10°＜γ＜0°，0°＜γ＜90°
-30°＜δ＜0°，0°＜δ＜30°。
采用偏置圆弧回转面(砂轮)作为母面的成型方法的磨削过程，充分考虑到受载后的变形，本发明以变传动比修整成型。图5(1)、5(2)，图6(1)、6(2)分别为蜗轮，蜗杆受载前后对比图，它们是偏置圆弧回转面包络环面蜗轮副连续4齿受载情况下，按接触强度的有限元分析数值解的有限元网络图。根据这种分析，在额定载荷下同时受力的四个齿中，变形量最大的是第1齿，第2齿、第3齿、…依次减小，即蜗杆与蜗轮在受载接触时，第1齿的承载最大，依次递减，直至退出啮合。这些说明蜗杆蜗轮啮合时，轮齿发生弹性变形，必须在蜗杆成型时，注入一个修整量j，使加工成型的蜗杆承受重载时，齿面变形均匀化。
本成型方法在数控四轴联动蜗杆磨床上，配合蜗杆传动的接触强度有限元计算软件进行加工效果最为理想，设定蜗杆轴的旋转角为φ1，砂轮转角为φ2，它们间的速比为1＝φ1/φ2。
当采用变速比修整成型时，速比遵循：
1＝dφ1/dφ2
此时的φ2＝f1(φ1)可依下式求解： 式中N为蜗杆与蜗轮的传动比，系数a、b、c、d、e、f可通过解一元五次方程求得。根据蜗杆蜗轮接触强度的三维有限元法计算结果，加工时，给定一个蜗杆转角φ1，确定一个砂轮回转角φ2，蜗杆螺旋面沿法线方向修形，其修整量j自啮入端开始切削，在齿长方向逐渐减薄，呈楔形状修形。对应不同的蜗杆，j的范围为0.005mm-5mm之间。
例：中心距a＝125mm，传动比N＝40的环面蜗杆传动副，在受载状态下按三维有限元进行强度计算。蜗轮连续四齿及蜗杆受载前的网络如图5(1)、6(1)所示，其受载后变形如图5(2)及6(2)所示。图7-图10是与环面蜗杆啮合的蜗轮副的第1齿-第4齿的受载变形图，其齿面接触迹如图11-14所示，对应于蜗轮第1齿-第4齿蜗杆螺旋面受力状态如图15-18所示，对应的蜗轮轮齿变形位移量如下：(表A)第一齿：
第二齿：
第三齿：
第四齿：
| 节点号 | 530 | 532 | 534 | 536 | 538 |
| 位移量ΔX1 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
| 位移量ΔY1 | 0.008 | 0.008 | 0.008 | 0.008 | 0.008 |
| 位移量ΔZ1 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
| 节点号 | 549 | 551 | 553 | 555 | 557 |
| 位移量ΔX2 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
| 位移量ΔY2 | 0.003 | 0.004 | 0.003 | 0.000 | 0.002 |
| 位移量ΔZ2 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
| 节点号 | 568 | 570 | 572 | 574 | 576 |
| 位移量ΔX3 | 0.000 | 0.000 | 0.001 | 0.000 | 0.000 |
| 位移量ΔY3 | 0.003 | 0.002 | 0.000 | 0.000 | 0.001 |
| 位移量ΔZ3 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
| 节点号 | 587 | 589 | 591 | 593 | 595 |
| 位移量ΔX4 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
| 位移量ΔY4 | 0.002 | 0.001 | 0.001 | 0.000 | 0.001 |
| 位移量ΔZ4 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
在额定载荷下，同时受力的四个齿中，第1齿沿y轴位移量最大0.008mm，其它齿依次递减，直至退出啮合。
相应的蜗轮齿面应力量值如下表：第一齿齿面节点应力分布 (KG/CM2)
第二齿齿面节点应力分布 (KG/CM2)
第三齿齿面节点应力分布 (KG/CM2)
第四齿齿面节点应力分布 (KG/CM2)
| 节点号 | 530 | 532 | 534 | 536 | 538 |
| 节点应力 | 23.0 | 30.5 | 25.0 | 49.0 | 67.0 |
| 节点号 | 454 | 456 | 458 | 460 | 462 |
| 节点应力 | 34.0 | 64.76 | 28.25 | 134.5 | 77.5 |
| 节点号 | 378 | 380 | 382 | 384 | 386 |
| 节点应力 | 113.0 | 158.25 | 74.5 | 393.0 | 123.5 |
| 节点号 | 302 | 304 | 306 | 308 | 310 |
| 节点应力 | 312.5 | 400.0 | 195.5 | 606.25 | 184.0 |
| 节点号 | 226 | 228 | 230 | 232 | 234 |
| 节点应力 | 443.5 | 493.25 | 379.25 | 673.5 | 459.5 |
| 节点号 | 161 | 162 | 163 | 164 | 165 |
| 节点应力 | 442.7 | 520.5 | 398.7 | 549.8 | 284.7 |
| 节点号 | 549 | 551 | 553 | 555 | 557 |
| 节点应力 | 384.0 | 147.5 | 566.0 | 335.0 | 342.0 |
| 节点号 | 473 | 475 | 477 | 479 | 481 |
| 节点应力 | 642.5 | 227.0 | 644.0 | 335.0 | 287.5 |
| 节点号 | 397 | 399 | 401 | 403 | 405 |
| 节点应力 | 450.0 | 312.75 | 632.25 | 293.5 | 250.0 |
| 节点号 | 321 | 323 | 325 | 327 | 329 |
| 节点应力 | 475.0 | 248.0 | 734.5 | 364.75 | 267.5 |
| 节点号 | 245 | 247 | 249 | 251 | 253 |
| 节点应力 | 571.0 | 347.75 | 753.75 | 368.5 | 550.5 |
| 节点号 | 176 | 177 | 178 | 179 | 180 |
| 节点应力 | 550.7 | 245.8 | 576.3 | 283.7 | 419.7 |
| 节点号 | 568 | 570 | 572 | 574 | 576 |
| 节点应力 | 60.0 | 142.5 | 231.0 | 217.5 | 105.0 |
| 节点号 | 492 | 494 | 496 | 498 | 500 |
| 节点应力 | 57.5 | 198.5 | 244.5 | 203.75 | 112.5 |
| 节点号 | 416 | 418 | 420 | 422 | 424 |
| 节点应力 | 91.0 | 197.0 | 266.75 | 203.0 | 150.0 |
| 节点号 | 340 | 342 | 344 | 346 | 348 |
| 节点应力 | 116.5 | 264.25 | 334.5 | 239.75 | 197.0 |
| 节点号 | 264 | 266 | 268 | 270 | 272 |
| 节点应力 | 117.0 | 292.5 | 400.0 | 271.5 | 149.0 |
| 节点号 | 191 | 192 | 193 | 194 | 195 |
| 节点应力 | 141.7 | 181.0 | 215.3 | 197.3 | 156.7 |
| 节点号 | 587 | 589 | 591 | 593 | 595 |
| 节点应力 | 21.0 | 25.5 | 127.0 | 89.0 | 52.0 |
| 节点号 | 511 | 513 | 515 | 157 | 519 |
| 节点应力 | 17.5 | 38.8 | 119.75 | 107.8 | 48.0 |
| 节点号 | 435 | 437 | 439 | 441 | 443 |
| 节点应力 | 19.0 | 43.25 | 87.5 | 101.25 | 79.5 |
| 节点号 | 359 | 361 | 363 | 365 | 367 |
| 节点应力 | 49.5 | 81.0 | 119.0 | 108.0 | 74.0 |
| 节点号 | 283 | 285 | 287 | 289 | 291 |
| 节点应力 | 122.5 | 128.0 | 154.7 | 197.25 | 101.0 |
| 节点号 | 206 | 207 | 208 | 209 | 210 |
| 节点应力 | 135.0 | 137.3 | 223.0 | 226.0 | 121.33 |
在额定载荷下，同一瞬时蜗杆与蜗轮有多个齿进入啮合，但在各个轮齿上接触部位各不相同，蜗轮第1齿与蜗杆在位置1-1啮合，第二齿在2-2啮合，…。蜗轮齿面第1齿受载后应力很大，且分布极不均匀，齿顶部位应力较小，齿根部应力较大。如蜗轮齿顶节点532、536，其齿面应力为30-50Kg/cm2；齿根节点162、164，其齿面应力为520-549Kg/cm2。对应蜗杆螺旋面则螺杆啮入端加载后应力分布较差，其螺旋齿顶应力分布较大，与蜗轮齿根部位对应，蜗杆螺纹齿顶受力状态如同悬臂梁，且h1＞h2＞h3＞h4。因此，本环面蜗杆螺旋面的成型修整如图19所示。按表A所列举的数据，系数a、b、c、d、e、f的数值分别为：
a＝-1175045
b＝-1.028647×10-2
c＝2.978511×10-4
d＝2.642615×10-8
e＝-2.529397×10-7
f＝2.977254×10-9
蜗杆修整量j参照表A中的ΔY对应修整，分别为：
j1＝0.008，j2＝ΔY1＝0.005，j3＝ΔY2＝0.003，j4＝ΔY3＝0.001，…。
为加工出整个螺旋面齿形，还应有纵向进给、横向进给运动。
Claims (2)
1、一种环面蜗杆的成型方法，蜗杆与砂轮作展成运动，其特征在于：在数控环面蜗杆磨床上，采用由绕(OZ)轴旋转的偏置金刚石笔尖(D)在砂轮表面形成圆弧(c-c)、砂轮同时绕自身轴线(a-a)旋转所形成的偏置圆弧回转面(∑(2))为母面包络环面蜗杆，并以变传动比修整成型；圆弧(c-c)的旋转轴线(OZ)与砂轮轴线(a-a)间、用于改变砂轮回转面(∑(2))锥角的夹角(γ)：
-10°＜γ＜0°，0°＜γ＜90°
圆弧(c-c)的旋转轴线(OZ)与砂轮轴线(a-a)间，用于改变砂轮回转面[∑(2)]曲率的夹角(δ)：
-30°＜δ＜0°，0°＜δ＜30°。
2、如权利要求1所述的环面蜗环成型方法，其特征在于：采用变传动比修整成型时，速比遵循：
1＝dφ1/dφ2
N-蜗杆与蜗轮的传动比，
φ1-蜗杆轴的旋转角；
依下式求解φ2：
蜗杆的螺旋面沿法线方向的修形量j自啮入端开始切削，在齿长方向逐渐减薄，呈楔形状修形，j＝(0.008-0.001，…)mm。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C15 | Extension of patent right duration from 15 to 20 years for appl. with date before 31.12.1992 and still valid on 11.12.2001 (patent law change 1993) | ||
| OR01 | Other related matters | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Expiration termination date: 20120516 Granted publication date: 20000719 |