CN107598296A - 一种精密蜗轮副的加工方法及加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精密蜗轮副的加工方法及加工系统，其包含如下步骤：步骤一：制备蜗杆，用蜗杆加工装置制得蜗杆；步骤二：滚齿，将滚刀安装于蜗轮加工装置上，对齿坯进行滚齿，制得粗加工的蜗轮；步骤三，强力剃齿或强力珩齿，将剃刀或珩轮先用蜗杆磨床磨削，再拆下蜗轮加工装置上的滚刀，换装磨削后的剃刀或珩轮，对得到的粗加工的蜗轮进行强力剃齿或强力珩齿，制得精加工的蜗轮；步骤四，配相装配，将制得的蜗轮和制得的蜗杆进行配相装配，使得蜗轮和蜗杆的误差曲线中的相同部分通过配相装配抵消；步骤五，用剃刀或珩轮进行阻力剃齿或珩齿，再调整装配。以上步骤三至步骤五均在仪器监视下进行。本方法能够显著提高蜗轮副的精度和加工效率。

Description

一种精密蜗轮副的加工方法及加工系统

技术领域

本发明涉及机械加工，具体涉及一种精密蜗轮副的加工方法及加工系统。

背景技术

蜗轮副由蜗轮与蜗杆共同组成，是一种优良的、基础性的机械传动部件，其具有传动比大、扭矩大、传动平稳、承载力强、能自锁、传动精度高等显著特点，在高档制齿机床、精密数控加工中心、天文台、高档电梯和先进武器等诸多领域得到广泛应用。近年来，尽管各种直驱电机传动、液压传动也得到长足发展，但在一些大型动力机械领域，比如矿山、冶金、航母、风电等领域，对“大”的追求永无止境，这使得大型蜗轮副动辄上百万牛米的大扭矩技术优势无与争锋。尽管数控技术发展也很快，在许多机床传动的最末端仍然离不开蜗轮传动。特别是在制齿机床行业，蜗轮被视为机床的“心脏”，其精度水准被认为代表了一个国家的工业水准，蜗轮母机被世界各大制造业强国视为“镇国之宝”，相关技术对外严加封锁。

在涉及精密蜗轮副的众多性能指标中，比如：精度、尺寸、承载力、材料、工艺、成本等，主要将问题聚焦到一个重点——精度；在涉及蜗轮、蜗杆、蜗轮副的24项单项精度指标中，一般只强调一个重点——运动精度，运动精度又称传动误差，因为按照国际标准，5级精度以上的精密蜗轮副，只承认通过动态检测得到的传动误差曲线及其周期误差曲线，这项规定实质上是认为传动误差可以包含众多的蜗轮、蜗杆及蜗轮副单项误差，而后者却无法充分反映前者。

蜗轮副作为成套传动部件，其传动误差有直接的标准定义ΔF′_ic，而对于单独的蜗轮和蜗杆则不然。对于蜗轮，需要找一根标准蜗杆与其配对，再像检蜗轮副传动误差一样检出蜗轮的切向综合误差ΔF′_i；对于蜗杆或刀具，需要专门的能作圆一直线传动误差检测的仪器测出蜗杆的螺旋线误差Δf′_hL。显然，蜗轮副传动误差、蜗轮切向综合误差和蜗杆螺旋线误差三者都具有与传动误差相似的误差内涵和变化规律，符合相似的误差迭加与遗传机理，是三者共24项单项误差指标中最受关注的重点

多年的工程实践已经证明，要保证蜗轮母机、滚刀、蜗杆三者同时达到高精度是极难实现的，参见图1，现有的蜗轮副加工步骤如下：1)制造蜗轮，将滚刀安装于高精度蜗轮母机上，对齿坯进行滚齿，制得粗加工的蜗轮；这种通过展成滚齿加工出来的蜗轮将直接“遗传”滚刀的误差曲线。2)再对粗加工后的蜗轮进行自由剃齿，制得精加工的蜗轮。自由剃齿指蜗轮处于自由转动状态，剃刀旋转，像蜗杆一样带动蜗轮旋转，剃刀和蜗轮之间无强制展成运动，利用剃刀与蜗轮在接触点速度方向不一致而产生刮削效果(如果稍加阻力即阻力剃齿，效果更加强)；经剃齿后蜗轮表面光洁度有所改善，但误差曲线的基本规律并未改变。3)制造蜗杆，用蜗杆磨床制得蜗杆。4)经验装配，将精加工后的蜗轮和蜗杆装配，在蜗轮和蜗杆的对应位置上设置安装标记。5)蜗轮副检测，将装配后的蜗轮和蜗杆安装到蜗轮副检测仪上进行传动误差检测。上述加工方法在加工过程中，蜗杆将“遗传”蜗杆磨床的误差曲线，蜗轮将“遗传”滚刀的误差曲线，蜗杆磨床与滚刀无任何直接联系，两者的误差曲线也毫不相干，因此蜗杆的误差曲线与蜗轮的误差曲线毫不相干。通过经验装配后，蜗轮副的误差曲线将是蜗杆和蜗轮的误差曲线的迭加，这种遗传和迭加是一种既有大小又有方向的矢量相加，如果不知道大小和方向，迭加的结果就不可控，最终就可能迭加出一个忽大忽小的拍频误差曲线。即使蜗轮母机具有高精度，仍不能保证蜗轮副的加工精度，所以高精度蜗轮母机只是实现精密蜗轮副制备的必要而不充分条件。但是要让参与蜗轮副误差贡献的蜗轮母机、刀具和蜗杆的精度都同时达到高精度是几乎不可能的，这就是长期以来我国蜗轮副精度始终无法提高的本质原因。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述问题而提出，目的是提供一种精密蜗轮副加工方法及加工系统，其在只需保证蜗轮母机高精度的条件下，显著提高蜗轮副的精度，并提高加工效率。

本发明所述的蜗轮副加工方法，其包含如下步骤：

步骤一：制备蜗杆，用蜗杆加工装置制得蜗杆；

步骤二：滚齿，将滚刀安装于蜗轮加工装置上，对齿坯进行滚齿，制得粗加工的蜗轮；

步骤三，强力剃齿或强力珩齿，将剃刀或珩轮先用步骤一的蜗杆加工装置磨削，再拆下步骤二中蜗轮加工装置上的滚刀，换装磨削后的剃刀或珩轮，对步骤二得到的粗加工的蜗轮进行强力剃齿或强力珩齿，制得精加工的蜗轮；在进行强力剃齿或珩齿的同时，对加工过程中的剃刀或珩轮和蜗轮进行传动误差实时检测监控；

步骤四，配相装配，将步骤一制得的蜗杆装在在蜗轮加工装置上与步骤三制得的蜗轮和进行配相装配，使得蜗轮和蜗杆的误差曲线中的相同部分通过配相装配抵消。

步骤五，再用步骤三的磨削后的剃刀或珩轮对步骤四配相装配后的蜗轮进行阻力剃齿或阻力珩齿，然后再对蜗轮和蜗杆进行一次配相装配，在蜗轮和蜗杆的对应位置上设置安装标记，完成精密蜗轮副；在进行阻力剃齿或阻力珩齿时，对刀具和蜗轮进行传动误差实时检测。

进一步，阻力剃齿或阻力珩齿时，所述进行传动误差实时检测的方式是在蜗轮加工装置的转台和刀架上均设角位移传感器，所述角位移传感器与传动误差检测仪器连接。

进一步，所述步骤三中进行强力剃齿或强力珩齿时也对剃刀或珩轮和蜗轮进行传动误差实时检测。所述进行传动误差实时检测的方式是在蜗轮加工装置的转台和刀架上均设角位移传感器，所述角位移传感器与传动误差检测仪器连接。

以上通过在蜗轮加工装置的转台和刀架上设置角位移传感器，所述角位移传感器与传动误差检测仪器连接，使得进行强力剃齿或强力珩齿、阻力剃齿或阻力珩齿时，能够模拟蜗轮副传动误差检测状态。加工过程中，刀具带动蜗轮缓慢旋转，误差曲线同步实时显示，边加工边测量，逐圈重复，根据实时误差曲线调整进刀量或蜗轮旋转阻力，使得误差曲线趋于直线，避免切削不到位或切削过多，保证蜗轮的加工质量。

本发明所使用的蜗轮加工装置为高精度蜗轮母机，是指加工精度优于2～4级的母机，其误差曲线表现为一根基本“拉直”了的小周期变化曲线。本发明所使用的蜗杆加工装置为数控蜗杆磨床。

综上所述，本发明的加工过程中的蜗杆用蜗杆磨床磨削制得并“遗传”其误差曲线；再将刀具(即剃刀或珩轮)也用同一蜗杆磨床磨削，进而刀具也“遗传”了蜗杆磨床的误差曲线；将此刀具安装到高精度蜗轮母机上，蜗轮与机床刚性连接，从而与刀具处于同一传动链之中；同时因蜗轮母机具有高精度，刀具的误差曲线通过强力剃齿或强力珩齿进一步“遗传”给蜗轮，于是蜗轮与蜗杆的误差曲线趋于一致；再通过配相装配将蜗轮和蜗杆误差曲线相互抵消，完成精密蜗轮副的加工；最后在蜗轮和蜗杆的对应位置上设置安装标记，完成全部工作。

本发明进一步提出实现一种实现精密蜗轮副加工的系统，包括蜗杆加工装置和蜗轮加工装置：

所述蜗杆加工装置为数控蜗杆磨床，用于加工蜗杆和剃刀或珩轮，并将所述剃刀或珩轮作为加工蜗轮时的刀具使用；

所述蜗轮加工装置为高精度蜗轮母机，包括机床工作台、安装于机床工作台上且用于安装蜗轮的转台、固定于机床床身上且用于安装所述剃刀、珩轮或蜗杆的刀架。所述刀架能够相对于转台切向移动；转台中安装有用于检测蜗轮旋转角度的第一角位移传感器，刀架上安装有用于检测剃刀、珩轮或蜗杆旋转角度的第二角位移传感器，所述第一角位移传感器和第二角位移传感器输出连接有传动误差检测仪，实时检测蜗轮、蜗杆、剃刀或珩轮的传动误差；

所述蜗轮加工装置既作为蜗轮加工的装置，也作为蜗轮蜗杆配相的装置，所述转台与工作台可相对固定，也可相对转动；在蜗轮加工时，转台与工作台固定，作为加工蜗轮的胎具使用；在蜗杆与蜗轮配相时，转台可相对工作台转动，用于蜗轮副传动误差在线检测。

按照本发明的加工方法，并通过上述加工系统，可以实现在一套加工系统上完成蜗轮、蜗杆加工与配对，并能实时检测传动误差，便于实时调整，最终获得高精度的蜗轮副。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明采取“保一抵二”的方法，即选用高精度蜗轮母机，保证蜗轮母机具有较高的精度，而让刀具和蜗杆的误差规律和大小趋于一致，则刀具的误差规律通过展成运动遗传给蜗轮，最终使蜗轮和蜗杆误差规律一致而能够通过配相装配使得误差相互抵消，实现了精密蜗轮副的加工。

2、本发明在安装刀具的刀架、安装蜗轮的胎具上都装有传感器，通过连接传动误差检测仪器，使得在进行强力剃齿或珩齿、阻力剃齿或珩齿以及配相装配三个步骤时都能够模拟蜗轮副的检测状态进行传动误差实时在线检测，从而可以精确控制进刀量或蜗轮旋转阻力，避免切削量不足导致误差抵消不充分，或者切削量过大导致工件报废。以此确保蜗轮副加工精度的提高。

3、本发明采用的“加工测量一体化”工艺，在加工装配的同时就已完成了传动误差检测，从而避免了蜗轮蜗杆的二次拆装，提高了蜗轮副的生产效率；省掉昂贵的蜗轮副检测仪，降低了生产成本。

附图说明

图1是现有技术的蜗轮副的加工流程图；

图2是本发明的蜗轮副的加工流程图；

图3是本发明的加工系统的示意图；

图4是图3的局部放大图；

图5是本发明的刀架托座的结构示意图。

图中，1—机床工作台，2—刀架本体，3—刀架托座，31—死顶尖，32—第一拨杆，33—第二拨杆，34—驱动电机，35—始端齿轮，36—安装圆柱，37—轴承，38—末端齿轮，4—刀架滑板，5—主轴电机托座，51—主轴电机，6—刀具或蜗杆，7—安装台，71—凸柱，72—向心推力轴承，73—螺纹安装孔，74—通孔，8—底座，81—凹槽，82—磁铁，83—螺纹孔，9—第一角位移传感器，91—第一角位移传感器的转子，92—第一角位移传感器的定子，10—第二角位移传感器，101—第二角位移传感器定子，102—第二角位移传感器转子。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

参见图2，一种蜗轮副加工方法，其包含如下步骤：

步骤一：制备蜗杆，向数控蜗杆磨床的数控系统输入待加工蜗杆的工艺参数，启动数控蜗杆磨床，制得蜗杆，其误差曲线规律“遗传”了蜗杆磨床的误差曲线规律；

步骤二：滚齿，将滚刀安装于高精度蜗轮母机上，对齿坯进行滚齿，制得粗加工的蜗轮，其误差曲线规律“遗传”了滚刀的误差曲线规律；

步骤三，强力剃齿或强力珩齿，将剃刀或珩轮也用步骤一的蜗杆磨床磨削，剃刀或珩轮的误差曲线规律就“遗传”了蜗杆磨床的误差曲线规律；再拆下步骤二中高精度蜗轮母机上的滚刀，将磨削后的剃刀或珩轮安装于高精度蜗轮母机上，对步骤二得到的粗加工的蜗轮进行强力剃齿或强力珩齿，制得精加工的蜗轮，其误差曲线规律“遗传”了剃刀或珩轮的误差曲线规律，也就是间接“遗传”了蜗杆磨床的、和蜗杆相同的误差曲线规律。

步骤四，配相装配，在高精度蜗轮母机上将步骤三制得的蜗轮和步骤一制得的蜗杆进行配相装配，因蜗轮和蜗杆的误差曲线规律趋于一致，通过配相装配即可将两者误差曲线中的相同部分相互抵消，实现了精密蜗轮副的加工。

步骤五，作为一种优选实施方式，进一步在对步骤四配相装配后的蜗轮进行阻力剃齿或阻力珩齿，然后再进行一次配相装配，在蜗轮和蜗杆的对应位置上设置安装标记，进一步提高精度。更进一步，在进行阻力剃齿或阻力珩齿时，对刀具和蜗轮进行传动误差实时检测。方式是在蜗轮母机的刀架与蜗轮转台上均设角位移传感器，角位移传感器与传动误差检测仪器连接，能够模拟蜗轮副传动误差检测状态。阻力剃齿或阻力珩齿的加工过程中，刀具带动蜗轮缓慢旋转，误差曲线同步实时显示，边加工边测量，逐圈重复，根据实时误差曲线增加或减小蜗轮旋转阻力，使得误差曲线规律趋于直线。

作为一种更优选实施方式，步骤三中进行强力剃齿时，同样对刀具和蜗轮也进行传动误差实时检测，方式是在蜗轮母机的刀架与蜗轮转台上设有角位移传感器，所述角位移传感器与传动误差检测仪器连接，可以保证粗加工的蜗轮进行强力剃齿时对进刀量进行实时检测，避免剃齿不到位或剃齿过多，提高蜗轮的加工质量。

参见图3至图5，所示的是实现精密蜗轮副加工的系统，包括蜗杆加工装置和蜗轮加工装置。

蜗杆加工装置为数控蜗杆磨床，用于加工蜗杆和剃刀或珩轮，并将所述剃刀或珩轮作为加工蜗轮时的刀具使用。

蜗轮加工装置是一种高精度蜗轮母机，包括机床工作台1、安装于机床工作台1上且用于安装蜗轮的转台、固定于机床床身上且用于安装所述剃刀、珩轮或蜗杆的刀架。所述刀架能够相对于转台切向移动，转台中安装有用于检测蜗轮旋转角度的第一角位移传感器9，刀架上安装有用于检测剃刀、珩轮或蜗杆6旋转角度的第二角位移传感器10，第一角位移传感器9和第二角位移传感器10输出连接有传动误差检测仪，实时检测蜗轮、蜗杆、剃刀、珩轮的传动误差。

本发明所述的加工系统中，蜗轮加工装置既作为蜗轮加工的装置，也作为蜗轮蜗杆配对的装置，所述转台与工作台可相对固定，也可相对转动，在蜗轮加工时，转台与工作台固定，作为加工蜗轮的胎具使用，在蜗杆与蜗轮配对时，转台可相对工作台转动。

蜗轮加工装置的具体结构如下：

刀架用于安装刀具时，包括刀架本体2、固定于刀架本体2上的刀架托座3、位于刀架托座3上方的刀架滑板4和与所述刀架托座3相对应的主轴电机托座5，所述主轴电机托座5上固定有主轴电机51，刀架滑板4能够滑动来调节刀架托座3与主轴电机托座5之间的距离，刀架托座3上设置有驱动电机34，驱动电机34驱动有齿轮传动组，齿轮传动组的末端齿轮与刀具固定连接。

刀架用于安装蜗杆时，包括刀架本体2、固定于刀架本体2上的刀架托座3、位于刀架托座3上方的刀架滑板4和一对用于支撑蜗杆两端的死顶尖31，其中一死顶尖31固定在刀架托座3上，另一死顶尖31固定在主轴电机托座5上，刀架滑板4能够滑动来调节两死顶尖31的距离；刀架托座3设置有驱动电机34，驱动电机34驱动有齿轮传动组，齿轮传动组的末端齿轮38上固定有拨杆组件，拨杆组件带动蜗杆转动且使蜗杆与末端齿轮38同轴、同步转动。

所述齿轮传动组包括与驱动电机34连接的始端齿轮35，始端齿轮35与所述末端齿轮38齿合，末端齿轮38的中心孔通过轴承37安装在刀架托座3侧壁外凸的安装圆柱36上；所述拨杆组件包括垂直固定于末端齿轮38的端面上的第一拔杆32和一端与第一拔杆32垂直固定的第二拨杆33，第二拨杆33的另一端套有环套，环套穿插固定在蜗杆的杆部中。

所述转台包括能相对转动的安装台7和底座8，所述底座8与机床工作台1连接，所述安装台7用于安装蜗轮且连接在底座8上，安装台7的中心部设有朝下的凸柱71，凸柱71与安装台7、底座8同轴；所述底座8的上端面绕其中心轴圆周均布有多个凹槽81，所述凹槽81中设置有南北极与转台轴向同向的磁铁82；所述安装台7的上端面绕其中心轴圆周均布有多个螺纹安装孔73，用于将蜗轮或蜗轮的胎具固定到安装台7上。所述凸柱71上安装有向心推力轴承72，用于支撑安装台7且保持安装台7与底座8的同轴度。所述第一角位移传感器定子92与底座8上端底面固定连接，第一角位移传感器转子91与凸柱72的下端部固定连接。所述第二角位移传感器定子101固定在刀架托座3上，第二角位移传感器转子102与驱动电机34的末端齿轮38同轴、同步转动以测量刀具或蜗杆6的旋转角度。

所述安装台7和底座8通过紧固机构进行固定，所述紧固机构包括设于安装台7上的三个上下贯穿的通孔74、设于底座8的上端面且与所述通孔74相对应的螺纹孔83、销钉，通孔74和螺纹孔83可拆卸安装销钉，该销钉能将安装台7固定到底座8上，该销钉拆卸时安装台7能够相对于底座8自由转动。

按照本发明的加工方法，并通过上述装置，可以实现在一套装置上完成蜗轮、蜗杆加工与配对，并能实时检测传动误差，便于实时调整，最终获得高精度的蜗轮副。

Claims (8)

1.一种精密蜗轮副的加工方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤一：制备蜗杆，用蜗杆加工装置制得蜗杆；

步骤二：滚齿，将滚刀安装于蜗轮加工装置上，对齿坯进行滚齿，制得粗加工的蜗轮；

步骤三，强力剃齿或强力珩齿，将剃刀或珩轮先用步骤一的蜗杆加工装置磨削，再拆下步骤二中蜗轮加工装置上的滚刀，换装磨削后的剃刀或珩轮，对步骤二得到的粗加工的蜗轮进行强力剃齿或强力珩齿，制得精加工的蜗轮；

步骤四，配相装配，将步骤一制得的蜗杆装在蜗轮加工装置上与步骤三制得的蜗轮进行配相装配，使得蜗轮和蜗杆的误差曲线中的相同部分通过配相装配抵消。

2.根据权利要求1所述的精密蜗轮副的加工方法，其特征在于：再用步骤三中磨削后的剃刀或珩轮对步骤四配相装配后的蜗轮进行阻力剃齿或阻力珩齿，然后对蜗轮和蜗杆再进行一次配相装配，在蜗轮和蜗杆的对应位置上设置安装标记。

3.根据权利要求2所述的精密蜗轮副的加工方法，其特征在于：进行阻力剃齿或阻力珩齿时，对剃刀或珩轮和蜗轮进行传动误差实时检测。

4.根据权利要求3所述的精密蜗轮副的加工方法，其特征在于：所述进行传动误差实时检测的方式是在蜗轮加工装置的转台和刀架上均设角位移传感器，所述角位移传感器与传动误差检测仪器连接。

5.根据权利要求1或2所述的精密蜗轮副的加工方法，其特征在于：所述步骤三中进行强力剃齿或强力珩齿时对剃刀或珩轮和粗加工的蜗轮进行传动误差实时检测。

6.根据权利要求5所述的精密蜗轮副的加工方法，其特征在于：所述进行传动误差实时检测的方式是在蜗轮加工装置的转台和刀架上设置角位移传感器，所述角位移传感器与传动误差检测仪器连接。

7.根据权利要求1-6任一项所述的精密蜗轮副的加工方法，其特征在于：所述蜗轮加工装置为高精度蜗轮母机，所述蜗杆加工装置为数控蜗杆磨床。

8.一种实现精密蜗轮副加工的系统，包括蜗杆加工装置和蜗轮加工装置；其特征在于，

所述蜗杆加工装置为数控蜗杆磨床，用于加工蜗杆和剃刀或珩轮，并将所述剃刀或珩轮作为加工蜗轮时的刀具使用；

所述蜗轮加工装置包括机床工作台、安装于机床工作台上且用于安装蜗轮的转台、固定于机床床身上且用于安装所述剃刀、珩轮或蜗杆的刀架，所述刀架能够相对于转台切向移动；转台中安装有用于检测蜗轮旋转角度的第一角位移传感器，刀架上安装有用于检测剃刀、珩轮或蜗杆旋转角度的第二角位移传感器，所述第一角位移传感器和第二角位移传感器输出连接有传动误差检测仪，实时检测蜗轮、蜗杆、剃刀或珩轮的传动误差；

所述蜗轮加工装置既作为蜗轮加工的装置，也作为蜗轮蜗杆配相的装置，所述转台与工作台可相对固定，也可相对转动；在蜗轮加工时，转台与工作台固定，作为加工蜗轮的胎具使用；在蜗杆与蜗轮配相时，转台可相对工作台转动，用于蜗轮副传动误差在线检测。