CN108581077A - 基于固定回转中心的平面包络环面蜗杆齿面双面磨削机床 - Google Patents

基于固定回转中心的平面包络环面蜗杆齿面双面磨削机床 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于固定回转中心的平面包络环面蜗杆齿面双面磨削机床包括十字型床身、主轴单元和两组磨头加工单元，所述两组磨头加工单元分别位于主轴单元的两侧；所述主轴单元包括主轴箱和尾座，所述主轴箱和尾座通过直线移动导轨对应安装于十字型床身的中部；所述磨头加工单元包括移动工作台、旋转工作台、升降机构、主轴电机和平面砂轮，所述移动工作台通过直线移动导轨安装于十字型床身上且能沿待加工平面包络环面蜗杆径向方向自由移动，旋转工作台旋转安装于移动工作台上，升降机构安装在旋转工作台上，主轴电机安装在升降机构上，平面砂轮固定于主轴电机的主轴上，能从根本上解决目前平面包络环面蜗杆齿面加工效率低和加工精度低的问题。

Description

基于固定回转中心的平面包络环面蜗杆齿面双面磨削机床
技术领域
本发明属于机械加工技术领域，尤其是涉及一种基于固定回转中心的平面包络环面蜗杆齿面双面磨削机床。
背景技术
环面蜗杆传动具备多齿接触、重合度大、承载能力高、使用寿命长等优点，为当前动力蜗杆传动的主要发展方向，在航空航天、船舶航海、矿山冶金、煤矿化工等领域应用广泛，但目前环面蜗杆齿面加工精度较低的现状阻碍了其进一步推广和大面积应用。
在环面蜗杆加工机床方面，通常采用的加工方法或机床大致有如下几种：
1.中国专利“加工平面二次包络环面蜗杆专用机床”，申请号为： 93223232.9。该机床为在普通车床或滚齿机基础上自行改装而成，具有利于推广及成本低的优点，但存在刚性差、加工效率低、精度低、对操作者依赖性强、加工范围窄等缺点。
2.中国专利“多功能数控环面蜗杆机床”，申请号：01213122.9。它采用整体底座，T型分体床身，前端为安装主轴箱的前床身，中部为安装工作台的中床身，后端为安装尾部的后床身，蜗轮副安装在工作台底部，减小了机床整体尺寸，提高了加工工艺性，保证了机床具有足够的强度和刚度，但同样存在加工精度低和效率低的问题。
3.中国专利“数控五轴联动平面包络环面蜗杆切齿机床”，公开号：CN1493427A。该机床具有X、Y、Z、A、B五轴联动的功能，控制刀盘上的切刀刃口移动在空间模拟倾斜平面，使之包络出环面蜗杆齿面，其优点为高速切削状态下大量切屑迅速剥落，效率大大高于环面蜗杆齿面磨削加工，但同样存在加工精度低的问题。
4.中国专利“能虚拟中心距的环面蜗杆数控机床”，申请号：200610095040.4。该机床能够实行小中心距机床加工大中心距环面蜗杆，且选择不同的数控轴联动可以实现环面蜗杆、鼓形蜗杆、圆柱蜗杆及锥蜗杆等所有螺旋面的车削、铣削或磨削加工，但同样存在加工精度低和效率低的问题。
5.中国专利“数控五轴三联动平面包络环面蜗杆旋风切削机床”，申请号：200820163771.2。该机床具有X、Y、Z、A、B五轴运动，并在X、Y、Z三轴方向上实现联动功能，利用旋风铣实现环面蜗杆齿面的精确成型，实现了小型环面蜗杆的加工，降低了机床和蜗杆的成本，但同样存在加工精度低和效率低的问题。
6.中国专利“一种四轴联动环面蜗杆数控车磨复合机床及其加工方法”，申请号：201010609380.0。该机床主轴即可高速旋转也可精确定位，能够实现环面蜗杆齿面的车削粗加工和磨削精加工，其结构简单、功能齐全，具有较高的可靠性和较强的环境适应能力，但同样存在加工精度低和效率低的问题。
7. 中国专利“一种具有在线检测与修正加工功能的环面蜗杆加工机床”，申请号：201410393515.2。该机床床身上设有主轴单元和加工单元，还包括检测单元和控制单元，从而实现环面蜗杆齿面的加工过程中的在线检测及修正加工，从根本上解决目前环面蜗杆齿面加工精度低问题，但同样存在加工效率低的不足。
发明内容
本发明的目的就是针对上述现有技术的不足之处，提供一种基于固定回转中心的平面包络环面蜗杆齿面双面磨削机床，完全解决了上述现有机床技术加工环面蜗杆齿面存在的单齿面加工、效率低的技术问题。
本发明的目的是通过下述技术方案来实现：
一种基于固定回转中心的平面包络环面蜗杆齿面双面磨削机床，包括十字型床身、主轴单元和两组磨头加工单元，所述两组磨头加工单元分别位于主轴单元的两侧；
所述主轴单元包括主轴箱和尾座，所述主轴箱和尾座通过直线移动导轨对应安装于十字型床身的中部，并分别设有用于顶持待加工平面包络环面蜗杆的驱动顶针和尾座顶针；
所述磨头加工单元包括移动工作台、旋转工作台、升降机构、主轴电机和平面砂轮，所述移动工作台通过直线移动导轨安装于十字型床身上且能沿待加工平面包络环面蜗杆径向方向自由移动，旋转工作台旋转安装于移动工作台上，升降机构安装在旋转工作台上，主轴电机安装在升降机构上，平面砂轮固定于主轴电机的主轴上。
进一步，所述升降机构的中轴线穿过旋转工作台的自转轴心。
进一步，所述升降机构包括门形立柱和横梁，门形立柱固定在旋转工作台上，门形立柱内通过直线运动机构安装横梁，横梁能沿垂向自由移动。
进一步，还包括旋转工作盘，该旋转工作盘安装在横梁上，旋转工作盘上安装回转机构，回转机构的输出轴通过连接块与主轴电机连接。
一种利用上述机床进行平面包络环面蜗杆齿面双面磨削的方法，所述待加工平面包络环面蜗杆绕其轴线旋转，两个平面砂轮对称布置于待加工平面包络环面蜗杆齿部两侧，利用包络展成加工原理同时磨削待加工平面包络环面蜗杆的左右两侧齿面，所述平面砂轮的旋转运动为磨削主运动，待加工平面包络环面蜗杆的旋转运动为磨削辅助运动。
进一步，通过两个平面砂轮的相位关系控制待加工平面包络环面蜗杆的齿厚。
进一步，所述两个平面砂轮的磨削起点位于待加工平面包络环面蜗杆的同一端，两个平面砂轮的磨削终点位于待加工平面包络环面蜗杆的另一端。
进一步，所述包络展成加工原理为固定回转中心原理。
进一步，所述旋转工作台绕其自身轴心旋转运动，使得平面砂轮的外圆轨迹是以旋转工作台的回转中心为圆心的圆弧。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.该机床配备两个磨削加工单元，同时对平面包络环面蜗杆的双侧齿面进行高效精密磨削加工，大大提高了其加工精度和加工效率，具有广泛的应用价值和原理的普遍性；
2.平面砂轮直接安装于主轴电机上，提高了砂轮的平面精度和磨削稳定性；
3.利用门形立柱与横梁相结合的结构，提高了磨头加工单元的刚性；
4.两组磨头加工单元对称布置，平衡了被加工零件的受力不均匀性；
5.展成过程中磨头的固定回转中心增强了磨削程序的鲁棒性，进而大大提高了环面蜗杆齿面加工精度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的双面磨削加工原理示意图；
图3为本发明中第一旋转工作台的驱动机构示意图；
图4为本发明中第一横梁的驱动机构示意图；
图5为本发明中平面包络环面蜗杆齿厚控制示意图。
具体实施方式
如图1至5所示，一种基于固定回转中心的平面包络环面蜗杆齿面双面磨削机床，包括十字型床身1、主轴单元、两组磨头加工单元，其中两组磨头加工单元分别位于主轴单元的两侧，具体的是位于待加工平面包络环面蜗杆4的两侧。
本实施例中，所述主轴单元包括主轴箱2、驱动顶针3、待加工平面包络环面蜗杆4、尾座顶针5及尾座6。其中，主轴箱2通过直线移动导轨7安装于十字型床身1上，主轴箱2端面安装驱动顶针3，驱动顶针3与主轴箱2内置的电机直连并获得精密回转运动。尾座顶针5固定安装于尾座6上，尾座6对应主轴箱2安装在直线移动导轨7上，主轴箱2和尾座6均可沿直线移动导轨7自由移动，进而依据待加工平面包络环面蜗杆4的长度调整夹持距离和平面包络环面蜗杆4的喉部中心位置。待加工平面包络环面蜗杆4被驱动顶针3与尾座顶针5所顶持，并由驱动顶针3驱动绕其轴线转动。
本实施例中，所述两组磨头加工单元包括第一磨头加工单元和第二磨头加工单元。
其中，第一磨头加工单元包括第一移动工作台10、第一旋转工作台11、第一门形立柱12、第一横梁13、第一旋转工作盘14、第一主轴电机15和第一平面砂轮16。其中，第一移动工作台10通过直线移动导轨7安装于十字型床身1上并形成第一磨头加工单元沿待加工平面包络环面蜗杆4径向的移动，实现加工中心距的精确调整。在第一移动工作台10内安装有高精度双导程蜗轮蜗杆机构，高精度双导程蜗轮67通过第一回转轴承66和第二回转轴承68安装于第一移动工作台10内，并由高精度双导程蜗杆69驱动而形成回转运动，第一旋转工作台11底部与高精度双导程蜗轮67连接。
第一旋转工作台11上固定安装有第一门形立柱12，且第一门形立柱12的中轴线穿过第一旋转工作台11的自转轴心，第一门形立柱12的内部通过直线运动机构安装有第一横梁13，使得第一横梁13能沿垂向自由移动。具体的讲，第一门形立柱12两侧的立柱内部为空腔结构，在两个空腔的顶部分别安装第一电机55和第二电机61，第一电机55和第二电机61的输出端分别通过轴承与第一丝杆57和第二丝杆63的顶端连接，第一丝杆57和第二丝杆63的底端通过轴承固定在立柱内；第一丝杆57和第二丝杆63通过与滚珠59和螺母58配合形成滚珠丝杆运动副，第一横梁13的左右两端与螺母58固定连接，通过双电机驱动丝杆进而带动第一横梁13沿垂向自由移动。
第一横梁13上安装第一旋转工作盘14，第一旋转工作盘14内安装回转机构，回转机构的输出端通过第一连接块30与第一主轴电机15连接，第一平面砂轮16固定于第一主轴电机15的主轴31上并由其带动形成磨削主运动，通过第一旋转工作盘14上的回转机构可以调整第一平面砂轮16的角度。所述的回转机构为高精度双导程蜗轮蜗杆机构。
第二磨头加工单元包括第二移动工作台21、第二旋转工作台22、第二门形立柱23、第二横梁24、第二旋转工作盘25、第二主轴电机26和第二平面砂轮27。其中，第二移动工作台21通过直线移动导轨7安装于十字型床身1上并形成第二磨头加工单元沿待加工平面包络环面蜗杆4径向的移动，实现加工中心距的精确调整。在第二移动工作台21内安装有高精度双导程蜗轮蜗杆机构，高精度双导程蜗轮67通过第一回转轴承66和第二回转轴承68安装于第二移动工作台21内，并由高精度双导程蜗杆69驱动而形成回转运动，第二旋转工作台22底部与高精度双导程蜗轮67连接。
第二旋转工作台22上固定安装有第二门形立柱23，且第二门形立柱23的中轴线穿过第二旋转工作台22的自转轴心，第二门形立柱23的内部通过直线运动机构安装有第二横梁24，使得第二横梁24能沿垂向自由移动。具体的讲，第二门形立柱23两侧的立柱内部为空腔结构，在两个空腔的顶部分别安装第一电机55和第二电机61，第一电机55和第二电机61的输出端分别通过轴承与第一丝杆57和第二丝杆63的顶端连接，第一丝杆57和第二丝杆63的底端通过轴承固定在立柱内；第一丝杆57和第二丝杆63通过与滚珠59和螺母58配合形成滚珠丝杆运动副，第二横梁24的左右两端与螺母58固定连接，通过双电机驱动丝杆进而带动第二横梁24沿垂向自由移动。
第二横梁24上安装第二旋转工作盘25，第二旋转工作盘25内安装回转机构，回转机构的输出端通过第二连接块29与第二主轴电机26连接，第二平面砂轮27固定于第二主轴电机26的主轴28上并由其带动形成磨削主运动，通过第二旋转工作盘25可以调整第二平面砂轮27的角度。所述的回转机构为高精度双导程蜗轮蜗杆机构。
本实施例的磨削机床可以实现基于固定回转中心加工原理的平面包络环面蜗杆齿面双面高效精密磨削。第一旋转工作台11和第一旋转工作台22在磨削加工过程中只进行回转运动而不移动，且第一旋转工作台11和第一旋转工作台22的轴心连线与待加工平面包络环面蜗杆4的轴心垂直。
一种利用上述机床进行平面包络环面蜗杆齿面双面磨削的方法，所述待加工平面包络环面蜗杆绕其轴线旋转，两个平面砂轮对称布置于待加工平面包络环面蜗杆齿部两侧，利用包络展成加工原理同时磨削待加工平面包络环面蜗杆的左右两侧齿面，所述平面砂轮的旋转运动为磨削主运动，待加工平面包络环面蜗杆的旋转运动为磨削辅助运动。所述包络展成加工原理为定中心距加工原理。
通过两个平面砂轮的相位关系控制待加工平面包络环面蜗杆的齿厚。
所述两个平面砂轮的磨削起点位于待加工平面包络环面蜗杆的同一端，两个平面砂轮的磨削终点位于待加工平面包络环面蜗杆的另一端。
所述旋转工作台绕其自身轴心旋转运动，使得平面砂轮的外圆轨迹是以旋转工作台的回转中心为圆心的圆弧。
进一步讲：
第一旋转工作台11以W4为角速度、绕其轴心O4旋转，进而使得第一平面砂轮16的外圆轨迹是以O4为圆心、R1为半径的圆弧，并由第一主轴电机15带动第一平面砂轮16对待加工平面包络环面蜗杆4的一面进行磨削加工，从而满足待加工平面包络环面蜗杆齿面的磨削要求。
第二旋转工作台22以W5为角速度、绕其轴心O5旋转，进而使得第二平面砂轮27的外圆轨迹是以O5为圆心、R3为半径的圆弧，并由第二主轴电机26带动第二平面砂轮27对待加工平面包络环面蜗杆4的另一面进行磨削加工，从而满足待加工平面包络环面蜗杆齿面的磨削要求。
本实施例中，待加工平面包络环面蜗杆4绕其轴线O1O1以W1的角速度旋转，同时与第一旋转工作台11的W3转动，以及与第二旋转工作台22的W3转动，三个运动相互之间按几何约束关系联动，实现对待加工平面包络环面蜗杆4齿面的双面精密高效磨削。
本实施例中，在磨削过程中，通过调整第一移动工作台10进行第一平面砂轮16的磨削进给调整，通过调整第二移动工作台21进行第二平面砂轮27的磨削进给调整；通过调整第一平面砂轮16与第二平面砂轮27之间的角度A的大小，实现对待加工平面包络环面蜗杆42齿厚的精确控制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于固定回转中心的平面包络环面蜗杆齿面双面磨削机床，其特征在于：包括十字型床身、主轴单元和两组磨头加工单元，所述两组磨头加工单元分别位于主轴单元的两侧；
所述主轴单元包括主轴箱和尾座，所述主轴箱和尾座通过直线移动导轨对应安装于十字型床身的中部，并分别设有用于顶持待加工平面包络环面蜗杆的驱动顶针和尾座顶针；
所述磨头加工单元包括移动工作台、旋转工作台、升降机构、主轴电机和平面砂轮，所述移动工作台通过直线移动导轨安装于十字型床身上且能沿待加工平面包络环面蜗杆径向方向自由移动，旋转工作台旋转安装于移动工作台上，升降机构安装在旋转工作台上，主轴电机安装在升降机构上，平面砂轮固定于主轴电机的主轴上。
2.根据权利要求1所述的基于固定回转中心的平面包络环面蜗杆齿面双面磨削机床，其特征在于：所述升降机构的中轴线穿过旋转工作台的自转轴心。
3.根据权利要求2所述的基于固定回转中心的平面包络环面蜗杆齿面双面磨削机床，其特征在于：所述升降机构包括门形立柱和横梁，门形立柱固定在旋转工作台上，门形立柱内通过直线运动机构安装横梁，横梁能沿垂向自由移动。
4.根据权利要求3所述的基于固定回转中心的平面包络环面蜗杆齿面双面磨削机床，其特征在于：还包括旋转工作盘，该旋转工作盘安装在横梁上，旋转工作盘上安装回转机构，回转机构的输出轴通过连接块与主轴电机连接。
5.一种利用1-4任一项所述基于固定回转中心的平面包络环面蜗杆齿面双面磨削机床对蜗杆齿面进行磨削的方法，其特征在于：所述待加工平面包络环面蜗杆绕其轴线旋转，两个平面砂轮对称布置于待加工平面包络环面蜗杆齿部两侧，利用包络展成加工原理同时磨削待加工平面包络环面蜗杆的左右两侧齿面，所述平面砂轮的旋转运动为磨削主运动，待加工平面包络环面蜗杆的旋转运动为磨削辅助运动。
6.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：通过两个平面砂轮的相位关系控制待加工平面包络环面蜗杆的齿厚。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述两个平面砂轮的磨削起点位于待加工平面包络环面蜗杆的同一端，两个平面砂轮的磨削终点位于待加工平面包络环面蜗杆的另一端。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述包络展成加工原理为固定旋转中心原理。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述旋转工作台绕其自身轴心旋转运动，使得平面砂轮的外圆轨迹是以旋转工作台的回转中心为圆心的圆弧。
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