環(huán)面蝸桿加工方法的研究

黃應(yīng)勇

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006）

環(huán)面蝸桿加工方法的研究

黃應(yīng)勇

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006）

首先介紹了環(huán)面蝸桿的形成原理，然后介紹加工環(huán)面蝸桿機床應(yīng)具備的基本運動、傳統(tǒng)加工環(huán)面蝸桿的方法；最后介紹應(yīng)用兩軸數(shù)控車床加工環(huán)面蝸桿的方法。

環(huán)面蝸桿；加工方法；數(shù)控車床

環(huán)面蝸桿（如圖 1所示）具有較高的承載能力和較長的使用壽命，廣泛用于冶金工業(yè)、石油化工工業(yè)、輕工工業(yè)、造船工業(yè)、兵器工業(yè)、建筑工業(yè)、通用機械[1]等各機械行業(yè)當(dāng)中，環(huán)面蝸桿與圓柱蝸桿比較有如下特點：（1）蝸桿包圍蝸輪，同時參與工作的蝸輪齒數(shù)多（一般是圓柱蝸桿傳動的2～3倍），有較大的重合度；（2）環(huán)面蝸桿傳動的接觸形式有利于共軛齒面間動壓油膜的形成，具有良好的潤滑狀態(tài)，磨損小，傳動效率高；（3）最小接觸長度增大，傳動誘導(dǎo)曲率半徑大，故共軛齒面間接觸應(yīng)力明顯減??；（4）與承載能力相同的圓柱蝸輪蝸桿相比其體積更小，所占的空間小，在設(shè)計選型中更方便應(yīng)用于各機械行業(yè)。鑒于以上的特點，環(huán)面蝸桿廣泛用于承載能力大，傳動效率要求高，工作要求平穩(wěn)，振動較小的機械中，因為環(huán)面蝸桿的加工難度較大，這就制約了環(huán)面蝸桿的廣泛使用。因此本文討論應(yīng)用二軸數(shù)控車床來加工環(huán)面蝸桿的方法。

圖1　環(huán)面蝸桿結(jié)構(gòu)示意圖

1 環(huán)面蝸桿加工方法

1.1環(huán)面蝸桿形成原理

環(huán)面蝸桿的形成原理，如圖2所示，蝸桿繞其軸心線O1以角速度ω1自轉(zhuǎn)，與此同時在其軸心線平面內(nèi)直線L以角速度ω2繞O2回轉(zhuǎn)，直線L在空間形成的包絡(luò)軌跡面，就是環(huán)面蝸桿的螺旋齒面。當(dāng)螺旋齒面的母線是直線（或平面曲線）時，此為直線齒弧面蝸桿（常稱球面蝸桿）；當(dāng)螺旋齒面的母面是平面（或曲面）時，則為平面齒包絡(luò)弧面蝸桿（簡稱包絡(luò)蝸桿）。直線齒弧面蝸桿難以用砂輪做成符合形成原理的精確磨削。因此，當(dāng)蝸桿齒面淬火后，無法進行齒面磨削，影響其制造精度。包絡(luò)蝸桿是由平面包絡(luò)而成的，只要母面選擇得當(dāng)，便可方便地對蝸桿齒面進行精確磨削，從而提高蝸桿蝸輪副的傳動精度。由于包絡(luò)蝸桿可以進行熱處理淬火后精確磨削，國內(nèi)大部分廠礦都采用包絡(luò)弧面蝸桿。

圖2　環(huán)面蝸桿形成原理

1.2加工環(huán)面蝸桿應(yīng)具有的基本運動

不管采用何種加工方法，根據(jù)環(huán)面蝸桿的形成原理，加工環(huán)面蝸桿的機床要有以下基本運動[2]（見圖 3）：（1）被加工環(huán)面蝸桿的旋轉(zhuǎn)運動ω1，即為機床的主切削運動。（2）刀架旋轉(zhuǎn)運動ω2，當(dāng)環(huán)面蝸桿以ω1旋轉(zhuǎn)時，刀盤要以ω2速度相進行旋轉(zhuǎn)，且ω1和ω2之間應(yīng)有準(zhǔn)確的傳動比，即u=ω1/ω2=Z2/Z1，Z1為環(huán)面蝸桿的線數(shù)，Z2為蝸輪的齒數(shù)，被加工環(huán)面蝸桿和刀盤的旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)符合蝸桿蝸輪副的嚙合關(guān)系。ω1和ω2也可稱為齒廓形成運動或展成運動，ω1由主電動機來控制，ω2由進給伺服電動機來控制。（3）橫向切入運動為S1，即X軸進給切入運動。（4）調(diào)整運動S1、S2，分別用來調(diào)整刀具與蝸桿的縱向、橫向位置。

圖3　加工環(huán)面蝸桿機床基本運動

1.3常采用的加工環(huán)面蝸桿方法

目前國內(nèi)加工環(huán)面蝸桿的方法[3]有：在經(jīng)過改裝的普通車床或滾齒機上加工。基本上不采用專用數(shù)控機床來加工。

（1）用經(jīng)過改裝的普通車床加工環(huán)面蝸桿的方法。具體改裝方法是：將原小拖板及轉(zhuǎn)盤拆掉，在中拖板上裝一個回轉(zhuǎn)刀架，刀盤裝在回轉(zhuǎn)刀架上，在大拖板后端面加裝一減速箱，還要配裝一個掛輪架，掛輪架固定在床身左端，分齒運動由主軸前端大齒輪經(jīng)掛輪架上的掛輪、減速箱、蝸輪蝸桿帶動回轉(zhuǎn)刀架旋轉(zhuǎn)。被加工環(huán)面蝸桿裝在主軸頂尖與尾座上的頂尖之間，由主電機通過主軸帶動旋轉(zhuǎn)；如被加工環(huán)面蝸桿參數(shù)有所變化，僅需更換掛輪齒輪就能滿足加工要求?；剞D(zhuǎn)刀架的縱向調(diào)整運動通過調(diào)整機床大拖板左右移動來實現(xiàn)，回轉(zhuǎn)刀架的橫向進給運動由機床中拖板進給運動來實現(xiàn)。由于普通車床的主軸最低的速度一般是14r/min，而加工環(huán)面蝸桿一般需要 4r/min，故在主電機與床頭箱這間還要加裝一減速箱，才能滿足加工需要。這種加工方法改造機床工作量大，使機床整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。

（2）用滾齒機加工環(huán)面蝸桿的方法。首先滾齒機具有加工環(huán)面蝸桿所需要的各項基本運動，但是，滾齒機不能用來直接加工環(huán)面蝸桿，因為其切削過程的一些相對運動操作及調(diào)整不適合加工環(huán)面蝸桿，要用其加工環(huán)面蝸桿，必須對其進行一定的技術(shù)改造。而且還要將環(huán)面蝸桿毛坯安裝在滾齒機刀架上，刀盤裝在滾齒機工作臺上才能加工環(huán)面蝸桿。這種加工方法改造機床工作量不大，機床整體結(jié)構(gòu)變化也不大。

以上兩種加工環(huán)面蝸桿的精度都不太高，其加工精度存在不能解決的缺陷，因為優(yōu)良的環(huán)面蝸桿傳動要以較高制造精度與安裝精度來保證，隨著數(shù)控機床成為現(xiàn)代制造業(yè)中不可缺少的加工設(shè)備，環(huán)面蝸桿的數(shù)控加工方式[4]將會替代傳統(tǒng)的加工方式。

2 應(yīng)用兩軸數(shù)控車床加工環(huán)面蝸桿方法

具備一定基本運動關(guān)系的專用數(shù)控車床才能加工環(huán)面蝸桿[5]，兩軸數(shù)控車床只有X軸與Z軸，不具備加工環(huán)面蝸桿所需要的基本運動關(guān)系，因此對其必須進行必要的改裝設(shè)計，否則無法滿足加工環(huán)面蝸桿。

具體改裝方法是：將原機床電動四方刀架拆掉，在中拖板上裝上一個特制數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架，刀盤裝在特制數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架上，把原控制Z軸運動的數(shù)控裝置用于控制特制數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，且大拖板的左右位置運動改為手動調(diào)整，被加工環(huán)面蝸桿裝在機床主軸頂尖與后頂尖之間。被加工環(huán)面蝸桿參數(shù)改變了，只需改變編程參數(shù)就能滿足加工要求。特制數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的縱向位置調(diào)整運動由大拖板手動調(diào)整移動來實現(xiàn)，回轉(zhuǎn)工作臺的橫向進給運動由X軸進給運動來實現(xiàn)。

特制數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺如圖 4所示，該裝置用于兩軸數(shù)控車床上，并經(jīng)一定電氣線路改接，把Z軸的控制用于此裝置的回轉(zhuǎn)控制。伺服電動機1帶動同步帶輪7運動，同步帶輪7通過同步帶6帶動同步帶輪5運動，同步帶輪5帶動轉(zhuǎn)盤3轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)盤 3帶動裝在刀具夾持器上的車刀轉(zhuǎn)動，即可加工環(huán)面蝸桿。調(diào)整螺釘用于調(diào)整車刀的旋轉(zhuǎn)半徑以滿足加工要求。

圖4　數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺原理示意圖

3 結(jié)語

多軸數(shù)控車床且要帶有回轉(zhuǎn)刀盤的設(shè)備才能加工環(huán)面蝸桿，但是這種設(shè)備的投入大，很多企業(yè)都沒有這種多軸數(shù)控車床。

因此，應(yīng)用兩軸數(shù)控車床加工環(huán)面蝸桿尤其重要。由于采用高精度、低摩擦的滾珠絲桿作為主要傳動件及采用靈敏的伺服電動機驅(qū)動作為控制，且傳動路線短，可大大提高加工機床的控制精度；在數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架裝上刀具，可對環(huán)面蝸桿進行粗加工、半精加工；在數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架上裝精密磨削頭，可磨削經(jīng)淬火后的環(huán)面蝸桿齒面，這樣可對環(huán)面蝸桿進行精加工，因而大大提高這種環(huán)面蝸桿的制造精度。應(yīng)用兩軸數(shù)控車床加工環(huán)面蝸桿因設(shè)備投入少，所以還能大大降低環(huán)面蝸桿的加工成本，使環(huán)面蝸桿能更廣泛地應(yīng)用于各行機械行業(yè)當(dāng)中。由此可見，應(yīng)用兩軸數(shù)控車床加工環(huán)面蝸桿具有很好的使用價值，可為廣大機械工程設(shè)計人員及技術(shù)人員提供一種加工環(huán)面蝸桿的方法及參考使用。

[1] 齊麟.蝸桿傳動設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,1987.

[2] 顏松樺,張迎衛(wèi),顏柏樺.環(huán)面蝸桿加工專用數(shù)控機床設(shè)計研究[J].機械研究與應(yīng)用,2006,19(3):25-26.

[3] 杜厚金.平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動制造工藝[M].成都:四川科技出版社,1988.

[4] 趙近宜,管文華.弧面蝸桿加工數(shù)控專用機床設(shè)計[J].現(xiàn)代制造工程,2005, (5):139-140.

[5] 張建鋼.數(shù)控技術(shù)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2000.

Study of annulus-worm and its processing method

In this paper, the forming principle of the annulus-worm is introduced, then the basic movement of the machine tool for the machining of the annulus-worm and the method of traditional machining annulus-worm is introduced. Finally, this paper introduced the application of two axis CNC lathe machining annulus-worm method.

Annulus-worm; processing method; CNC machine

TG71659

A

1008-1151(2015)12-0046-03

2015-11-10

黃應(yīng)勇（1962-），男，廣西賓陽人，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院高級工程師，研究方向為數(shù)控機床應(yīng)用技術(shù)。