YC3180滚齿机改造无侧隙双滚子包络环面蜗杆传动 机械专设计.doc

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1、中南大学毕业设计说明书 目 录摘要11绪论22无侧隙双滚子包络环面蜗杆副的传动原理32.1 蜗轮的组成结构及其工作原理32.2 蜗杆齿面的成形原理53 无侧隙双滚子包络环面蜗杆的加工设备63.1加工设备的特点63.2滚齿机的基本原理73.3 滚切直齿圆柱齿轮73.3.1 滚切直齿圆柱齿轮的传动原理图73.3.2 滚刀的安装93.4滚切斜齿圆柱齿轮93.4.1滚切斜齿圆柱齿轮的传动原理图93.4.2工件的附加转动103.4.3滚刀的安装113.5 滚齿机的分类113.6滚齿机及其他齿轮加工机床的应用和发展114 YC3180型滚齿机134.1 YC3180型滚齿机概述134.2 YC3180型滚

2、齿机的传动和运动分析134.2.1滚切直齿圆柱齿轮134.2.2滚切斜齿圆柱齿轮165 改装YC3180176 简析无侧隙双滚子包络环面蜗杆的工艺256.1 工艺流程266.2 切齿267 PRO/E概述及零件建模277.1 PRO/E的特点和优势287.2 PRO/E的主要模块及其功能297.2.1 Pro/Engineer307.2.2 Pro/ASSEMBLY307.2.3 Pro/DETAIL307.2.4 Pro/INTERFACE327.3 改装后的YC3180的主要零件建模举列33致谢词40参考文献41摘要无侧隙双滚子包络环面蜗杆传动是一种综合了精密传动和动力传动的新型蜗杆传动装

3、置，提出者期望利用该传动装置中双滚子的特殊传动以消除蜗杆传动的回程误差，从而使传动更加平稳，并提高传动精度。这种新型传动在诸多领域中具有较广的应用前景，然而这种传动目前还处于前期的试验阶段，因此针对这一新型无侧隙双滚子包络环面蜗杆进行加工的研究具有重要意义，且对于推广这种新型传动也具有重要的作用。为此，本次毕业设计以无侧隙双滚子包络环面蜗杆的加工设备为主要对象，简要介绍了滚齿机的原理，并依据已有的环面蜗杆制造技术制定了相应的加工方案，对蜗杆齿面加工中的工件装夹、对刀进行了简单分析，制定了无侧隙双滚子包络环面蜗杆副的制造工艺和解决了相关的关键制造技术，根据制造工艺要求，对YC3180型滚齿机进行

4、了改装，并对改装后的YC3180的主要零部件利用Pro/E软件进行三维建模，再将其组装。【关键词】无侧隙，蜗杆传动，制造工艺，YC3180，改装，三维建模AbstractThe anti-backlash double-roller enveloping hourglass worm gearing is a new kind of worm drive equipment which integrates precision drive with dynamic drive, this is a new promising drive with eliminated the backlash

5、, improved bearing contact, reduced level of transmission errors and lessened sensitivity to errors of alignment, driving reposefully and accurately, however it has been in pilot phase. For generalizing this worm drive, the paper study mainly the manufacturing technics of the anti-backlash double-ro

6、ller enveloping hourglass worm gearing, especially for the principle of the worm gearing, the theory of the YC3180 gear hobbling machine, etc. According to the machining technology of existing enveloping hourglass worm gearing, this paper investigates the corresponding craft and vital machining tech

7、nology of the anti-backlash double-roller enveloping hourglass worm gearing to ascertain the appropriate machining method, and moreover ,the author advanced the re-equipment of the YC3180 gear hobbling machine and investigates the key manufacture technology of the anti-backlash double-roller envelop

8、ing hourglass worm gearing .Finally, the paper also introduce the synopsis of Pro/E and its three-dimension modeling , further more, assemble the aforementioned three-dimension parts.【Key words】anti-backlash, worm gearing, manufacturing technics,YC3180, re-equipment, three-dimension modeling1绪论蜗杆传动是

9、在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动，两轴线间的夹角可为任意值，常用的为90（如图1）。蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成，一般蜗杆为主动件。蜗杆和螺纹一样有右旋和左旋之分，分别称为右旋蜗杆和左旋蜗杆。蜗杆上只有一条螺旋线的称为单头蜗杆，即蜗杆转一周，蜗轮转过一齿，若蜗杆上有两条螺旋线，就称为双头蜗杆，即蜗杆转一周，蜗轮转过两个齿1。图1 普通蜗杆传动蜗杆传动具有如下特点：1.传动比大，结构紧凑。蜗杆头数用Z1表示（一般Z1=14），蜗轮齿数用Z2表示。从传动比公式i=Z2/Z1可以看出，当Z1=1，即蜗杆为单头，蜗杆须转Z2转蜗轮才转一转，因而可得到很大传动比，一般在动力传动中，取传动比i=10

10、80；在分度机构中，i可达1000。这样大的传动比如用齿轮传动，则需要采取多级传动才行，所以蜗杆传动结构紧凑，体积小、重量轻。 2. 传动平稳，无噪音。因为蜗杆齿是连续不间断的螺旋齿，它与蜗轮齿啮合时是连续不断的，蜗杆齿没有进入和退出啮合的过程，因此工作平稳，冲击、震动、噪音小。 3. 具有自锁性。蜗杆的螺旋升角很小时，蜗杆只能带动蜗轮传动，而蜗轮不能带动蜗杆转动。 4. 蜗杆传动效率低，一般认为蜗杆传动效率比齿轮传动低。尤其是具自锁性的蜗杆传动，其效率在0.5以下，一般效率只有0.70.9。因为上述特点，使得蜗杆传动作为机械传动中的重要传动方式在国防、冶金、造船、建筑、化工等行业得到广泛的应

11、用1。但是普通蜗杆传动具有以下显著缺点：普通蜗杆传动为了在啮合齿廓之间形成润滑油膜，避免因轮齿摩擦发热膨胀而卡死，其共轭的两个非工作齿廓之间必须留有间隙，此间隙称为齿间间隙，简称侧隙。为了保证蜗杆副正常啮合和传动此侧隙通常用以储藏润滑油并用来补偿传动所产生的热变性、弹性变形、制造和安装误差等。但是，齿侧间隙的存在会产生齿间冲击，同时影响传动的平稳性，其最大的缺陷在于明显降低了普通蜗杆的传动精度。普通蜗杆传动在传动过程中容易发生磨损，其原因在于传动副在共轭齿面处相对运动速度总大于蜗杆的圆周速度或者蜗轮的圆周速度，因此在任何位置接触点的相对运动速度都不会为零且始终处于滑动摩擦状态，即啮合齿轮间有较

12、大的相对滑动速度，从而会导致齿面的磨损、发热和能量的消耗，这就使得普通蜗杆传动的摩擦损耗功率较大，传动效率降低，齿面磨损快，精度寿命降低。为了减少齿面磨损，蜗轮蜗杆机构经常使用昂贵的材料和良好的润滑装置，显然这样大大增加了成本。由此可见，普通蜗杆传动的以上这些缺点使其很难满足现代工业中高精度、高效率传动的要求，尤其又是在一些需要频繁正反转的蜗杆传动伺服驱动系统中，啮合间隙的存在将会引起较大的累积误差，严重影响整个系统的传动精度、位置精度和动态响应特性。与此同时，普通蜗杆传动啮合齿面间的滑动摩擦，不可避免地存在齿面磨损较严重的问题。由于这种问题的存在，导致机器正常使用一段时间后，其啮合间隙明显增

13、大、传动精度降低，甚至整个系统无法使用。因此，这些系统特别需要一种传动间隙为零，最好是一种能自动消除由齿面磨损产生的齿侧间隙的新型蜗杆传动装置，并期望有较高精度寿命及高啮合效率的优点。为了解决蜗杆传动中的侧隙问题，国内外学者做出大量研究，本文所涉及蜗杆是由王进戈教授提出的一种无侧隙双滚子包络环面蜗杆传动。而本次毕业设计旨在根据王进戈教授等学者的研究，进一步拓展对无侧隙双滚子包络环面蜗杆的加工制造，并将现成的滚齿机YC3180进行合理的改装，使其能磨削加工无侧隙双滚子包络环面蜗杆的齿面，以期为这种新型蜗杆传动方式的推广起一定的促进作用。2无侧隙双滚子包络环面蜗杆副的传动原理无侧隙双滚子包络环面蜗

14、杆传动副其主要特征之一就是蜗杆齿面是以两个滚子面为原始母面一次包络而形成的环面蜗杆，而蜗轮轮齿为两个能绕自身轴线转动的滚子，滚子的形状可以为滚柱、滚锥、球状等，在滚子间可以加入回转轴，从而使啮合面间的相对滑动基本上全部转换成相对滚动3。2.1 蜗轮的组成结构及其工作原理无侧隙双滚子包络环面蜗杆传动机构，该传动机构的蜗轮由两半个蜗轮组成，滚子均匀分布在每半个蜗轮的周向，滚子可绕自身轴线转动（如图2和图3所示）；双排滚子错位布置，其中一排滚子与蜗杆左侧齿面啮合，另一排滚子与蜗杆右侧齿面接触；蜗杆左右齿面分别由位于主平面上方和下方适当位置C2处滚子包络f而成；通过调节两半个蜗轮轮体的安装位置，使滚子

15、与蜗杆齿面始终保持接触，从而实现无侧隙传动（如图4和图5）。就单排滚子齿而言，工作过程中存在侧隙，从而保证了传动的正常工作和良好的润滑，但对整体而言，通过采用双排错位布置该传动机构消除了传动的回程误差，使传动平稳，提高了传动精度，其结构简单，便于加工制造，成本低，经济性好，能够用于精密分度、精密传动和精密动力传动。所谓滚子是泛指回转体，可采用深沟球轴承、滚针轴承等4。图2 两个半蜗轮组成的蜗轮图3 蜗轮整体双滚子包络环面蜗杆传动的工作原理，如图3所示。该传动中蜗轮采用双排滚子错位布置，其中一排滚子与蜗杆左侧齿面啮合，另排滚子与蜗杆右侧齿面接触，蜗杆左右齿面分别是由位于中间平面上方和下方适当位置

16、C2处的滚子包络f而成，通过调节蜗轮轮体的安装位置，在蜗杆的齿槽内，使滚子与蜗杆齿面始终保持接触，从而实现无侧隙传动。就单排滚子齿而言，工作过程中存在侧隙，从而保证了传动的正常工作和良好的润滑，但对整体而言，通过采用双排错位布置，消除了传动的回程误差，使传动平稳，提高了传动精度。图4 啮合原理图5 双滚子包络环面蜗杆蜗轮的传动配合2.2 蜗杆齿面的成形原理无侧隙双滚子包络环面蜗杆齿面可以根据选择蜗轮齿形的不同分为圆柱砂轮磨削、圆锥砂轮磨削、球形砂轮磨削等，但其成形原理都一样，其蜗杆右齿面由一个与中间平面相距为C2的工具母面包络而成，左侧齿面由一个与中间平面相距为- C2的工具母面包络而成4。参

17、看图6 。图6 蜗杆齿面成形原理如图6所示，蜗杆左侧齿面与右侧齿面的成形原理基本相同，其不同之处在于其工作母面相对于中间平面的位置发生了变化，一个在中间的上方，一个在中间平面的下方，偏距都为C2，组成蜗轮轮齿的双滚子在其周向具有一个夹角，而定义=/2为蜗轮双滚子的齿周夹角，简称蜗轮齿距角。3 无侧隙双滚子包络环面蜗杆的加工设备针对无侧隙双滚子包络环面蜗杆的齿面的特殊情况：蜗杆齿面以两个滚子面为原始母面一次包络而形成，为环面蜗杆，且蜗杆的左右齿面与滚子始终接触，配合精度较高。故针对其蜗杆齿面的加工，宜采用磨削加工方式5。经对比研究以及结合现有的设备条件，可选用四轴联动数控机床和YC3180型滚齿

18、机进行加工，但如果选用四轴联动数控机床对蜗杆齿面进行加工，由于蜗杆齿面的程序较为复杂，且很难检测数控机床所做的插补运动是否满足设计要求，若要对齿面进行修形也较困难，这就不易保证无侧隙双滚子包络环面蜗杆齿面的加工质量4。故本次毕业设计采用滚齿机YC3180进行加工蜗杆齿面，并对其进行改装以符合蜗杆齿面的设计要求和工艺要求。3.1加工设备的特点滚齿机(Gear hobbing machine)是齿轮加工机床中应用最广泛的一种机床，在滚齿机上可切削直齿、斜齿圆柱齿轮，还可加工蜗轮、链轮等。 用滚刀按展成法加工直齿、斜齿和人字齿圆柱齿轮以及蜗轮的齿轮加工机床。这种机床使用特制的滚刀时也能加工花键和链轮

19、等各种特殊齿形的工件。普通滚齿机的加工精度为76级(JB179-83),高精度滚齿机为43级。最大加工直径达15米。滚齿机具有如下特点：1、适用于成批，小批及单件生产圆柱斜齿轮和蜗轮，尚可滚切一定参数范围的花健轴；2、调整方便，具有自动停车机构 ；3、具有可靠的安全装置以及自动润滑。滚齿机(gear hobbing machine)是齿轮加工机床中应用最广泛的一种机床，在滚齿机上可切削直齿、斜齿圆柱齿轮，还可加工蜗轮、链轮等；4、经过稍微改装还可以对蜗杆进行加工6。用滚刀按展成法加工直齿、斜齿和人字齿圆柱齿轮以及蜗轮的齿轮加工机床。这种机床使用特制的滚刀时也能加工花键和链轮等各种特殊齿形的工件

20、。普通滚齿机的加工精度为76级(JB179-83),高精度滚齿机为43级。最大加工直径达15m。3.2滚齿机的基本原理滚齿机加工原理是根据展成法（Generation）原理加工齿轮轮齿的。用齿轮滚刀加工齿轮的过程，相当于一对螺旋齿轮啮合滚动的过程（图7-a）。将其中的一个齿数减少到一个或者几个，齿轮的螺旋倾角很大(图7-b)。开槽并铲背后，就成了齿轮滚刀(图7-c)。当机床使用滚刀和工件严格地按照一对螺旋齿轮的传动关系作相对旋转运动时，就可以在工件上连续不断地切出齿来。图7 滚齿原理齿轮表面可分解为母线和导线。母线和导线形成了，表面也就形成了，因此可以把表面的运动分析转化为对母线和导线形成的运

21、动分析，并由此确定所需要的传动链7。 3.3 滚切直齿圆柱齿轮3.3.1 滚切直齿圆柱齿轮的传动原理图图8为滚直齿的传动原理图，图中标“A”为直线运动、标“B”为旋转运动，滚刀、工件、电机、进给传动的丝杠螺母副及刀架均画成示意简图，而菱形小块则是一种可变传动比的换置器官符号。图8 滚切直齿圆柱齿轮的传动原理图1、形成母线（渐开线）的运动和传动链需要滚刀和工件之间的复合运动（图1中B1+B2）,称展成运动。由动力源（电机）到刀具主轴的传动链称为外联系传动链，即电机-1-2-iv-3-4-滚刀。由于滚刀的旋转B1是主运动，故这条传动链称为主运动传动链。联系滚刀和工件之间的传动链，称展成传动链。它用

22、以保持B1和B2之间的严格传动比关系，故称内联传动链，设滚刀的头数为K，工件的齿数为Z，则滚刀每转1/K转，工件应转1/Z转。图1中，这条传动链是：滚刀（B1）-4-5-ix-6-7-工件（B2）。2、形成导线（直线）的运动和传动链 形成直线导线运动是滚刀的旋转和滚刀（刀架）沿工件轴线方向的竖直进给运动。为了保证加工工件表面粗糙度要求，操作者真正关心的是工件每转时刀架的轴向移动量（mm/r）。因此，进给传动链为：工件-7-8-is-9-10-刀架升降丝杠-刀架。 综上所述，滚切直齿圆柱齿轮所需要的传动链为：两个外链-主运动传动链、进给运动传动链；一个内链-展称运动链。外链的功能是实现执行件的简

23、单运动，或把动力源接通到内链。内链唯一功能是实现执行件之间的复合（严格的传动比关系）运动。3.3.2 滚刀的安装 a) b） 图 9滚切直齿圆柱齿轮时安装角滚刀刀齿是沿螺旋线分布的，螺旋升角为 。加工直齿圆柱齿轮时，为了使滚刀刀齿方向与被切齿轮的齿槽方向一致，滚刀轴线与被切齿轮端面之间应倾斜一个角度 ，称为滚刀的安装角。它在数量上等于滚刀的螺旋升角。用右旋滚刀加工直齿的安装角如图9-a所示，用左旋滚刀时倾斜相反，如图9-b。图中虚线表示滚刀与齿坯接触一侧的滚刀螺旋线方向。 3.4滚切斜齿圆柱齿轮3.4.1滚切斜齿圆柱齿轮的传动原理图斜齿圆柱齿轮与直齿圆柱齿轮相比，端面齿廓均为渐开线，但齿长方向

24、不是直线，而是螺旋线。由于斜齿的齿长一般只是大导程螺旋线的一小段，故看上去轮齿是斜着排列，但不可忘记每个斜齿的导线都属于一条螺旋线。形成母线（渐开线）的运动和传动链与滚切直齿时相同（仅展成传动链中的合成机构有变化）。 由于形成的导线是螺旋线，即刀架的下降运动A和工件的旋转运动B3复合成螺旋运动。此前工件因参与展成运动与具有旋转运动B2，而工件只有一个自由度，所以B2和B3必须合成一个运动之后再传给工件才行，B3称为附加运动。刀架和工件之间的复合运动保证刀架直线移动一个螺旋线的导程T时，工件的附加转动为一转。这条内链即：刀架-丝杠-12-13-iy-14-15-合成-6-7-ix-8-9-工件，

25、习惯上称它为差动传动链。当它与另一条内链（展成链）要同时把两个运动传给工件时，将发生干涉。因此，必须在传动系统的恰滚齿机的合成机构是为一差动轮系，图中来自滚刀的运动和来自刀架的运动分别由5、15两点输入合成机构，运动合成后由点6输出，传给工件。当位置设一合成机构，如图10所示。图10 滚切斜齿圆柱齿轮的传动原理图如上所述，滚切斜齿圆柱齿轮时，除了滚切直齿的3个传动链外，只增加了1个差动链。滚齿机既要能加工直齿，又要能加工斜齿圆柱齿轮。因此，滚齿机是根据滚切斜齿轮的传动原理图设计的。当滚切直齿圆柱齿轮时，要将差动链断开（其换置器官iy不挂挂轮）使其不起作用；对合成机构的结构上稍作变动，把机构自由

26、度由二变为一，消除其合成功能，只起联轴器的作用即可。总之，由于滚齿机运动复杂，故传动系统的组成也较复杂。它既含有外链、内链，又含有合成机构。这比某些传动系统只含外链的机床（如普通铣床、钻床），或虽含外链、内链，但不含合成机构的机床（如普通车床），更具有运动分析的代表性。3.4.2工件的附加转动 滚切斜齿圆柱齿轮时，为了获得螺旋线齿线，要求工件附加转动B22与滚刀轴向进给运动A21之间必须保持确定的关系，即滚刀移动一个工件螺旋线导程T时，工件应准确地附加转过1转，对此，设工件螺旋线为右旋，当刀架带着滚刀沿工件轴向进给f，滚刀由a点到b点时，为了能切出螺旋线齿线，应使工件的b点转到b点，即在工件原

27、来的旋转运动B12的基础上，再附加转动bb。当滚刀进给至c点时，工件应附加转动cc。依此类推，当滚刀进给一个工件螺旋线导程T时，工件应附加转1转。附加运动B22的方向，与工件在展成运动中的旋转运动B12方向或者相同，或者相反，这取决于工件螺旋线方向、滚刀螺旋方向及滚刀进给方向。当滚刀向下送给时，如果工件与滚刀螺旋线方向相同时（即二者都是右旋，或都是左旋），B22和B12同向，计算时附加运动取+1转。反之，若工件与滚刀螺旋线方向相反时，B22和B12方向相反，则取-1转。 3.4.3滚刀的安装 就像滚切直齿圆柱齿轮那样，为了使滚刀的螺旋线方向和被加工齿轮的轮齿方向一致，加工前，要调整滚刀的安装角

28、。它不仅与滚刀的螺旋线方向及螺旋升角有关，而且还与被加工齿轮的螺旋线方向及螺旋角有关。当滚刀与齿轮的螺旋线方向相同（即二者都是右旋，或者都是左旋）时，滚刀的安装角=-；当滚刀与齿轮的螺旋线方向相反时，滚刀的安装角=+。 3.5 滚齿机的分类滚齿机按布局分为立式（图11-a）和卧式（图11-b）两类。大中型滚齿机多为立式，小型滚齿机和专用于加工长的轴齿轮的滚齿机皆为卧式。立式滚齿机又分为工作台移动和立柱移动两种。立式滚齿机工作时，滚刀装在滚刀主轴上，由主电动机驱动作旋转运动，刀架可沿立柱导轨垂直移动，还可绕水平轴线调整一个角度。工件装在工作台上，由分度蜗轮副带动旋转，与滚刀的运动一起构成展成运动

29、。滚切斜齿时,差动机构使工件作相应的附加转动。工作台(或立柱)可沿床身导轧移动,以适应不同工件直径和作径向进给。有的滚齿机的刀架还可沿滚刀轴线方向移动，以便用切向进给法加工蜗轮。大型滚齿机还设有单齿分度机构、指形铣刀刀架和加工人字齿轮的差动换向机构等。 a立式滚齿机 b 卧式滚齿机图11两类滚齿机3.6滚齿机及其他齿轮加工机床的应用和发展滚齿机用滚刀按展成法粗、精加工直齿、斜齿、人字齿轮蜗轮等，加工范围广，可达到高精度或高生产率；插齿机用插齿刀按展成法加工直齿、斜齿齿轮其他齿形件，主要用于加工多联齿轮内齿轮；铣齿机用成形铣刀按分度法加工，主要用于加工特殊齿形仪表齿轮；剃齿机用齿轮式剃齿刀精加工

30、齿轮一种高效机床；磨齿机用砂轮，精加工淬硬圆柱齿轮或齿轮刀具齿面高精度机床；珩齿机利用珩轮与被加工齿轮自由啮合，消除淬硬齿轮毛刺其他齿面缺陷机床；挤齿机利用高硬度无切削刃挤轮与工件自由啮合，将齿面上微小不平碾光，以提高精度光洁程度机床；齿轮倒角机对内外啮合滑移齿轮齿端部倒圆机床，生产齿轮变速箱其他齿轮移换机构不可缺少加工设备。圆柱齿轮加工机床还包括齿轮热轧机齿轮冷轧机等。故滚齿机广泛应用汽车、拖拉机、机床、工程机械、矿山机械、冶金机械、石油、仪表、飞机航天器等各种机械制造业。 齿轮加工机床加工各种圆柱齿轮、锥齿轮其他带齿零件齿部机床。齿轮加工机床品种规格繁多，有加工几毫米直径齿轮小型机床，加工

31、十几米直径齿轮大型机床，还有大量生产用高效机床加工精密齿轮高精度机床6。 古代齿轮用手工修锉成形。1540年，意大利托里亚诺制造钟表时，制成一台使用旋转锉刀切齿装置；1783年，法国勒内制成了使用铣刀齿轮加工机床，并有切削齿条内齿轮附件；1820年前后，英国怀特制造出第一台既能加工圆柱齿轮又能加工圆锥齿轮机床。具有这一性能机床到19世纪后半叶又有发展。 1835年，英国惠特沃思获得蜗轮滚齿机专利；1858年，席勒取得圆柱齿轮滚齿机专利；以后经多次改进，至1897年德国普福特制成带差动机构滚齿机，才圆满解决了加工斜齿轮问题。制成齿轮形插齿刀后，美国费洛斯于1897年制成了插齿机。二十世纪初由于汽

32、车工业需要，各种磨齿机相继问世。1930年左右美国制成剃齿机；1956年制成珩齿机。60年代以后，现代技术一些先进圆柱齿轮加工机床上获得应用，比如大型机床上采用数字显示指示移动量切齿深度；滚齿机、插齿机磨齿机上采用电子伺服系统数控系统代替机械传动链交换齿轮；用设有故障诊断功能可编程序控制器，控制工作循环变换切削参数；发展了数字控制非圆齿轮插齿机适应控制滚齿机；滚齿机上用电子传感器检测传动链运动误差，并自动反馈补偿误差等。 1884年美国比尔格拉姆发明了采用单刨刀按展成法加工直齿锥齿轮刨齿机；1900年，美国比尔设计了双刀盘铣削直齿锥齿轮机床。 由于汽车工业需要，1905年美国制造出带有两把刨刀

33、直齿锥齿轮刨齿机，又于1913年制成弧齿锥齿轮铣齿机；1923年，出现了准渐开线齿锥齿轮铣齿机；30年代研制成能把直齿锥齿轮一次拉削成形拉齿机，主要用于汽车差动齿轮制造。 40年代为适应航空工业需要，发展了弧齿锥齿轮磨齿机。1944年，瑞士厄利康公司制成延长外摆线齿锥齿轮铣齿机；从50年代起，又发展了用双刀体组合式端面铣刀盘，加工延长外摆线齿锥齿轮铣齿机。 4 YC3180型滚齿机4.1 YC3180型滚齿机概述YC3180型滚齿机能加工的工件最大直径为800mm，最大模数为10mm，最小工件齿数为8。这种滚齿机除具备普通滚齿机的全部功能外，还能采用硬质合金滚刀对高硬度齿面齿轮用滚切工艺进行半

34、精加工或精加工，以部分地取代磨齿。为此，机床工作精度较高，有较好的刚度和抗振性。图12是YC3180的外形图。图中立柱固定在床身上。刀架可沿立柱上的导轨上下移动，还可以绕自己的水平轴线转位，以调整滚刀和工件间相对位置（安装角），使其相当于一对轴线交叉的交错轴斜齿轮副啮合，滚刀安装在滚刀主轴上，作旋转运动。工件安装在工件心轴上，随同工作台一起旋转。后立柱和工作台装在同一溜板上，可沿床身的导轨作水平方向移动，用于调整工件的径向位置或作径向进给运动7。 图12 YC3180外形4.2 YC3180型滚齿机的传动和运动分析4.2.1滚切直齿圆柱齿轮 YC3180型滚齿机的传动系统如图13所示。分析一个

35、传动系统，首先分析其运动的组成，有几个简单运动，几个复合运动，需要几条传动链。每一条传动链应按下列次序分析：确定末端件。列出计算位移，即两末端件的运动关系。对照传动系统图，列出运动平衡式。计算换置式。 图13 YC3180型滚齿机传动系统（1）主运动传动链 两末端件 电动机（电机转动）滚刀主轴（滚刀转动）。 计算位移 电动机转速n电（1500rmin），滚刀主轴转速n（rmin）。记作 :1500rmin（电动机）n（主轴） 运动平衡式 1500uv是传动链中9速变速箱的传动比。 导出换置公式 转速调整可由 9速变速箱来实现，9速变速箱的可变传动比为： 滚刀的转速选定后，可以由换置公式计算出u

36、v的值，并由此确定变速箱中变速齿轮的啮合位置，即可得到所需的滚刀转速。 （2）展成运动传动链 两末端件 滚刀主轴（滚刀转动）工作台（工件转动）。 计算位移 滚刀主轴转一转时，工件转k/z转。k为滚刀头数，z为工件齿数，记作 :1（滚刀）k/z（工件） 运动平衡式 u合成1是合成机构的传动比。加工直齿圆柱齿轮时，合成机构被锁住，故 u合成1=1。 换置公式 24 即上式中e/f挂轮，用于工件齿数z在较大范围内变化时调整ux的数值，使其数值适中，以便于选取挂轮，根据值k/z，e/f可以有如下三种选择：通常取 k=l或2。 当工件齿轮8z20时，24 k/z有可能大于1，为避免在挂轮架处升速，增加噪

37、声，取e=56， f=28，这时:；当工件齿数21z161时，取e=f=42，这时:24 ；当工件齿数z161时，挂轮架的被动轮太大。取2=28，f=56。这时:。(3）轴向进给传动链 两末端件工作台（工件转动）刀架（滚刀移动）。 计算位移工作台每转一转时，刀架进给移动量f(mm)，记作 :1（工作台）f(滚刀架） 运动平衡式 换置公式 轴向进给量f是根据工件材料、加工精度及表面粗糙度等条件选定。 4.2.2滚切斜齿圆柱齿轮 滚切斜齿圆柱齿轮时，机床的主运动传动链和轴向进给运动传动链与加工直齿圆柱齿轮时相同7。 (1）展成运动传动链 展成运动传动链与滚切直齿圆柱齿轮相同，但合成机构不被锁住。展

38、成运动从行星轮传入，从另一行星轮传出。两行星轮转速相同，但转向相反，故传动比为-1。其换置公式为 由于使用合成机构后轴的旋转方向改变，所以在安装展成运动传动链挂轮时，必须按机床说明书规定配加惰轮。 (2）差动传动链 滚切斜齿圆柱齿轮时，进给是复合运动，需要一条内联系传动链来保证螺旋线的导程。即差动传动链（或称附加运动传动链）。 两末端件 滚刀刀架（滚刀移动）工作台（工作台附加转动） 计算位移 当滚刀刀架沿工件轴向移动一个螺旋线导程T时，工件应附加转1转。 记作： T（滚刀刀架）1（工件） 运动平衡式 式中3轴向进给丝杠的导程，单位为 mm； u合成2运动合成机构在附加运动传动链中的传动比，u合

39、成2； 展成运动挂轮传动比,；T被加工齿轮螺旋线的导程，单位为mm:；m法向模数，单位为 mm； 被加工齿轮螺旋角，单位为度。 换置公式 合成机构是一个锥齿轮差动机构。差动链中，系杆为主动，行星轮为被动，将u合成2代入运动平衡式，得换置公式： 5 改装YC3180根据前面对YC3180型滚齿机的介绍，不难看出YC3180对于加工直齿、斜齿、人字齿轮、蜗轮等，不论粗加工还是精加工都具有一定的优势，比较经济，效率也较高。但是对于蜗杆的加工，又特别是对无侧隙双滚子包络环面蜗杆的加工却不适合。对于无侧隙双滚子包络环面蜗杆的加工，针对蜗杆既成的环面加工齿面，主要是磨削加工方式，因此我们必须对YC3180

40、型滚齿机进行改装。首先，我们必须要将滚齿机的转速降下来以适应磨削的需要，所以我们在电机与滚齿机间连接有一传动比为1/40的蜗轮减速器及一级V带传动，使滚齿机的转速降为36r/min左右，其结构如下（图15）所示：其次，需要在滚齿机回转工作台上加相应的工装，其工装要求如下图16所示：蜗杆的回转中心轴线L1必须与YC3180型滚齿机的回转工作台中心轴线L2垂直相交，且同时满足经过蜗杆喉部的水平线L3同时与蜗杆的回转中心轴线L1和滚齿机的回转工作台中心轴线L2两两垂直相交。其中经过蜗杆喉部的水平线的长度L3应等于蜗杆与蜗轮的中心距。图15 蜗轮减速器的连接位置图16 改装后的YC3180的工装要求最

41、后，根据前面所叙述的原理和加工方法，为了确保加工质量，使改装后的滚齿机能准确完整地磨削蜗杆的齿面，那么改装时，需要在YC3180型滚齿机回转工作台上加一分度盘来调整磨头的周向进给，再在电主轴的支承体上安装一丝杠滑板磨头作为轴向进给装置，砂轮磨头装在电主轴（如图17）的可旋转端。a整体 b接电和接地端 c 电主轴装配图17 电主轴蜗杆齿面按滚柱包络环面的成形原理在YC3180型滚齿机上进行加工，砂轮头采用镀立方氮化硼（CBN），其粒度为120，本处采用了不同外径的砂轮，例如对于设计滚柱半径为5mm的蜗杆，则采用半径为3.5mm，4.5mm，5.0mm的砂轮进行粗磨、半精磨、精磨。由于磨削时，电主

42、轴的转速很高，最高可达30000r/min，因此对其运转的平稳性以及与其支承箱体的同轴度必须严格保证，为了磨头的回转轴中心线的水平和电主轴高速转动时位置精度，我们对支承电主轴的箱体上盖、下箱体支座采用如下工艺（图18）：在半圆箱体内侧中部再加深一段2mm深的圆弧凹槽，以保证上述要求，同时保证无侧隙双滚子包络环面蜗杆的加工质量。a 箱体上盖b 下箱体支座图18 支承箱体同时，考虑加工时，电主轴所连接的磨头在高速转动，在加工不同规格、不同传动比的蜗杆时，电主轴需要在水平面内略微调整一点角度，故电主轴的下箱体支座采取燕尾槽造型与下面基部连接，同时还使用楔形镶条(图19-a)与调整螺栓配合以调节不同的

43、加工需求，如下图19所示。a 楔形镶条b抽出表示c整体表示图19 楔形镶条的位置和作用根据前述可以得知，磨削时，电主轴的转速很高。故电主轴发热量较大，需要散热和润滑。所以，我们在箱体上盖钻了一个小的散热孔（如图20），又在连接箱体上盖和下箱体支座的右端盖切了一个方形槽以便插入润滑油管道，如图21。磨削润滑液使用优质5号油，其运动粘度（40o）为：4.55.5mm2/s,倾点为-40o，闪点为140o，电主轴与之配套的专用变频器驱动，在磨削过程中可以根据实际情况控制电主轴的转速。图20 箱体上盖图21 右端盖前面叙述过：为了保证蜗杆的加工符合要求，必须使得蜗杆的回转中心轴线与YC3180型滚齿机

44、的回转工作台中心轴线垂直相交，且同时满足经过蜗杆喉部的水平线同时与蜗杆的回转中心轴线和滚齿机的回转工作台中心轴线两两垂直相交。此外，还必须满足砂轮磨头的回转中心线L3与蜗杆工件的回转中心线L1在同一水平面内(图22)，这就必须满足装配好的电主轴体与下面整个连接基体有精准的定位和精密的配合，所以，本次采用了定位键连接燕尾导轨和下面的工字型基体，下图23中，可以看出为了达到前述目的，我们在燕尾导轨与工字型基体的两端均安装了定位键。 图22 L1和L3都在DTM1平面内定位键图23 定位键的安装位置其实，在正式加工之前还必须用百分表检测滚齿机回转工作台的回转中心线和无侧隙双滚子包络环面蜗杆的回转中心

45、线，看两线是否在同一水平面内，再利用YC3180自身的手柄调节回转工作台在机床导轨方向（X方向）的运动来调整蜗轮蜗杆的中心距，利用刀具工作台在竖直方向（Y方向）的距离来调整砂轮滚子的偏距C2。待一切都检测、调整好以后，便可以对无侧隙双滚子包络环面蜗杆的齿面进行磨削加工了。但是加工过程中需要对砂轮磨头进行轴向进给运动和周向进给运动，为了解决这种问题，本次改装中，采取了在分度头上安装一丝杠来保证磨头的轴向进给，再在滚齿机的回转工作台上安装了一分度盘以调整磨头的周向进给，下图24所示。图24-a 丝杠的作用及其布置图24-b 丝杠和分度盘的布置对无侧隙双滚子包络环面蜗杆进行磨齿面加工之前，还需要对其

46、进行高精度的定位和夹紧，因为此前已经对蜗杆进行了车、切、铣、钳等加工，若要保证蜗杆的回转中心线与水平面平行，我们必须采取一定的措施。针对此次无侧隙双滚子包络环面蜗杆的特殊情况：蜗杆的两端外环面已经精车加工，一端平面已经钻了螺纹孔（图25-a），我们采取了在蜗杆一端加高精度铜套（图25-b）配合固定，另一端利用其螺纹孔与拉杆上的螺纹配合（图25-c），以保证蜗杆与其的同轴度从而达到使蜗杆回转轴线平行于水平面的目的。a 蜗杆端面螺纹孔 b铜套位置及整体配合c蜗杆与拉杆的配合图25 蜗杆的装夹根据前述YC3180型滚齿机各部分细节的改良，以及无侧隙双滚子包络环面蜗杆加工精度的保证，综合现有的设备和各

47、种状况，现将YC3180型滚齿机改装如下图26所示（因页面限制部分细节和零件无法全部展示）。图26改装后的YC3180型滚齿机6 简析无侧隙双滚子包络环面蜗杆的工艺本次毕业设计中，针对无侧隙双滚子包络环面蜗杆的具体情况，并结合现有的加工设备，且参照滚锥包络环面蜗杆副的制造技术，可确定出加工蜗杆的方案大致如下：蜗杆的外环面采用车削加工，先粗车加工后再进行表面热处理，使工件获得良好的综合机械性能（如强度、塑性和韧性），本次可以采用淬火和高温回火双重热处理方式即调质处理，工件有了良好的性能后再进行半精加工和精加工其环面，然后再磨削出高精度的工艺基准以便后续加工，后面便可以继续诸如切齿、铣齿、磨齿面、渗氮、抛光、铣键槽等加工。6.1 工