平面包络环面蜗杆五轴联动砂轮磨削加工方法
【专利摘要】平面包络环面蜗杆五轴联动砂轮磨削加工方法，采用的加工机床是五轴联动数控机床，按照平面包络环面蜗杆的成型原理，通过机床五轴联动，使得砂轮磨削平面与虚拟齿轮的齿面重合，并绕虚拟齿轮旋转轴线旋转，同时工件蜗杆绕自身轴线旋转，两者的旋转速度和方向通过蜗杆副的旋向和传动比确定，虚拟齿轮轴线与工件蜗杆轴线距离等于蜗杆副中心距，从而利用砂轮平面包络磨削出平面包络环面蜗杆齿面。本发明第一次将五轴联动加工技术应用于平面包络环面蜗杆的磨削加工中，利用五轴加工机床的柔性和精密性，可大幅度提高平面包络环面蜗杆的磨削范围和磨削精度。
【专利说明】平面包络环面蜗杆五轴联动砂轮磨削加工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及蜗杆磨削加工领域，具体为平面包络环面蜗杆五轴联动砂轮磨削加工方法。
【背景技术】
[0002]平面包络环面蜗杆副是一种新型的蜗杆传动形式，如图1所示，它的形成原理是:以一个平面齿轮为产形轮绕其轴线旋转，同时令环面蜗杆坯件按照指定的传动比绕另一轴线旋转，齿轮平面所展成的包络面就是平面包络环面蜗杆齿面。
[0003]与普通的圆柱蜗杆传动相比较，平面包络环面蜗杆副具有传动时接触齿数多，承载能力大，润滑角大，润滑性能好，传动效率高等优点。因而在造船、采矿、机械、建筑、军工、化工等各行业中受到普遍欢迎，尤其在精密分度装置，例如，五轴数控机床摆头和旋转工作台、望远镜等装备中有着广泛的应用前景。
[0004]但是平面包络环面蜗杆齿面是一段在空间中不断运动变化的复杂曲面，从啮入端到啮出端，齿形都是不同的，齿厚在也不断变化，并且它的分度圆面是一个内凹的圆环面，这使得它在设计和加工中都存在许多难点。
[0005]传统的平面二次包络环面蜗杆的磨削精加工通常在改造的普通车床上加工，在车床上添加一个旋转台，并在上面按照环面蜗杆专用磨削头，通过专用磨削头调整斜齿轮倾角和中心距，通过旋转台和车床主轴的两轴联动实现平面包络环面蜗杆的范成法磨削加工，这种传统方式存在中心距调整范围有限导致加工范围有限、专用磨头调整繁琐且精度难保证、普通改造车床刚性差等问题
经对现有技术的文献检索发现，有一种用双锥面砂轮替代现有的平面砂轮和锥面砂轮磨削包络环面蜗杆以提高蜗杆磨削效率的方法(万芳美，包络环面蜗杆的高效磨削方法研究，重庆工学院学报1006-401X (2000) 03-0027-04)，提出用一较大直径的双面锥形砂轮作为工具母面，但是这种方法是用锥形砂轮近似平面砂轮，是一种近似的方法，加工出的蜗杆也是对平面二包蜗杆的近似。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一套用于平面包络环面蜗杆五轴联动平面砂轮磨削加工方法，实现平面二次包络环面蜗杆齿面的精确磨削加工，提高加工范围和加工精度。
[0007]本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现:
平面包络环面蜗杆五轴联动砂轮磨削加工方法，采用的加工机床是五轴联动数控机床，五轴联动数控机床的结构是单摆头单转台结构，包括X轴、Y轴、Z轴、旋转轴A、旋转轴B五个轴，磨削主轴装在旋转轴B轴上，砂轮磨削工作面是平面，砂轮跟随旋转轴B轴摆动，工件蜗杆轴线与旋转轴A轴轴线重合，随旋转轴A轴旋转，按照平面包络环面蜗杆的成型原理，通过机床五轴联动，使得砂轮磨削平面与虚拟齿轮的齿面重合，并绕虚拟齿轮旋转轴线旋转，同时工件蜗杆绕自身轴线旋转，两者的旋转速度和方向通过蜗杆副的旋向和传动比确定，虚拟齿轮轴线与工件蜗杆轴线距离等于蜗杆副中心距，从而利用砂轮平面包络磨削出平面包络环面蜗杆齿面。
[0008]该方法包括以下加工程序:
(1)根据零件材料和结构选择合适的磨削砂轮；
(2)计算五轴联动磨削加工程序
1)建立坐标系，包括砂轮坐标系，虚拟齿轮坐标系，蜗杆坐标系，砂轮坐标下砂轮底部中心点坐标为[O, O, O, 1]T,砂轮轴矢量为[O, O, 1，ο]τ ;
2)进行坐标变换，砂轮坐标系通过先沿Y轴方向平移距离dv，沿Z轴方向平移距离du，再绕Y轴旋转倾斜角β，再沿X轴平移距离rb变换到虚拟齿轮坐标系，变换矩阵分别为Tl, Rl, T2 ;然后，如图5所示，砂轮绕虚拟齿轮坐标系Z轴旋转角度《1，变换矩阵为R2 ;然后砂轮沿X轴平移到蜗杆坐标系，变换矩阵为T3，；然后砂轮绕蜗杆坐标系Y轴旋转角度《2，变换矩阵为R3，最后得到变换公式:CL = Κ3(ω2) * T3(a) ^ Κ2(ω1) ? T2(rb) * Ri(P) * Tl(dv,du) ? [0,0,0,1]T
TA = Κ3(ω2-) * TB (a) * Κ2(ω?) * T2(rb) * Rl(P) * Tl(dv,du) * [0,OjI1JT其中CL指对应于一个蜗杆副啮合位置的砂轮底部中心点坐标矢量，TA指对应于一个蜗杆副啮合位置的砂轮轴位置坐标矢量；
3)刀位计算，根据蜗杆副工作起始角和工作角度，通过上述坐标变换公式，从起始角开始，每隔一定角度，计算一个刀位值，直到完成工作角度，通过一个循环计算，获得加工的刀位文件，其中具体的密集程度视蜗杆大小和要求而定；
另一侧齿轮的磨削，如图3所示，根据两齿面的夹角ω，将上述刀位绕X轴旋转(180° -ω ) *90角度，即可获得另一个齿轮的加工刀位；
4)后置处理，结合具体机床结构参数，通过后置处理过程，将刀位文件转换为机床加工NC代码；
(3)工件装夹与数控系统设置
将蜗杆工件通过顶尖和卡盘固定，校准使蜗杆轴线与A轴旋转轴线重合，砂轮安装的B轴上，由于编程工件坐标系原点位于蜗杆中心，因此加工前需要将砂轮中心与蜗杆工件中心的机床XYZ偏置值输入数控系统中进行偏置处理。
[0009]所述dv，是指砂轮圆周与虚拟齿轮齿顶圆重合时，砂轮中心与虚拟齿轮中心X轴方向的偏置值，通过公式可以求出，其中ra是蜗轮齿顶圆半径，rb是蜗轮主基圆半径，dO是砂轮直径。
[0010]所述du，是指砂轮圆周与虚拟齿轮齿顶圆重合时，根据蜗杆副理论接触线分布，调整砂轮在虚拟齿轮轴向上的位置而产生的砂轮中心与虚拟齿轮中心Y方向的偏置值。
[0011]所述砂轮，包括单斜边砂轮、蝶形砂轮、平形C型面砂轮等具有平面磨削的砂轮。
[0012]有益效果
本发明第一次将五轴联动加工技术应用于平面包络环面蜗杆的磨削加工中，利用五轴加工机床的柔性和精密性，可大幅度提高平面包络环面蜗杆的磨削范围和磨削精度。
[0013]
【专利附图】
【附图说明】
图1为平面包络环面蜗杆成型原理示意图； 图2为平面包络环面蜗杆五轴联动平面砂轮磨削示意图；
图3为平面包络环面蜗杆副蜗轮齿面几何示意图；
图4为平面包络环面蜗杆副砂轮模拟蜗轮齿面几何关系图；
图5为平面包络环面蜗杆副蜗轮蜗杆坐标系示意图；
图6为平面包络环面蜗杆砂轮磨削刀位线示意图。
[0014]
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0015]实施例1
如图2所示，平面包络环面蜗杆五轴联动砂轮磨削加工方法，采用的加工机床是五轴联动数控机床，五轴联动数控机床的结构是单摆头单转台结构，包括X轴、Y轴、Z轴、旋转轴A、旋转轴B五个轴，磨削主轴装在旋转轴B轴上，砂轮磨削工作面是平面，砂轮跟随旋转轴B轴摆动，工件蜗杆轴线与旋转轴A轴轴线重合，随旋转轴A轴旋转，按照平面包络环面蜗杆的成型原理，通过机床五轴联动，使得砂轮磨削平面与虚拟齿轮的齿面重合，并绕虚拟齿轮旋转轴线旋转，同时工件蜗杆绕自身轴线旋转，两者的旋转速度和方向通过蜗杆副的旋向和传动比确定，虚拟齿轮轴线与工件蜗杆轴线距离等于蜗杆副中心距，从而利用砂轮平面包络磨削出平面包络环面蜗杆齿面。
[0016]该方法包括以下加工程序:
(1)根据零件材料和结构选择合适的磨削砂轮
选用加工材料为W6Mo5Cr4V2高速钢，经整体淬火后硬度达62HRC，本实施例中的平面包络环面蜗杆传动的参数是:传动比是90,蜗杆头数是I,中心距是220mm,模数是3,蜗轮倾角7°，蜗杆齿形参数是:齿槽底部宽度2.2mm，齿高7mm，齿形角21°，因此选用的砂轮为:单斜边砂轮，材质为绿色碳化硅或者白刚玉，精磨粒度80，具体型号为3 150X13X32X68X2WA 80 J 5 V 35 或 3 150X13X32X68X2 GC 80 J 5 V 35 ；
(2)计算五轴联动磨削加工程序
如图4、5所示，建立坐标系，砂轮坐标系Σ0，虚拟齿轮坐标系Σ1，砂轮的底部中心点和砂轮轴矢量坐标分别是[0，O, O, 1]T, [O, O, I, O]T ;砂轮坐标系通过先沿Y方向平移距离dv,沿Z方向平移距离du，再绕Y轴旋转倾斜角β，再沿X轴平移距离rb变换到虚拟齿轮坐标系，变换矩阵分别为Tl，Rl, T2 ;然后，如图5所示，砂轮绕虚拟齿轮坐标系Z轴旋转角度ω 1，变换矩阵为R2 ;然后砂轮沿X轴平移到蜗杆坐标系，变换矩阵为Τ3，；最后砂轮绕蜗杆坐标系Y轴旋转角度ω 2，变换矩阵为R3 ;根据蜗杆副工作起始角和工作角度；
起始角为53度，工作角为36刀位计算，通过上述坐标变换公式，从起始角开始，每隔一定角度，计算一个刀位值，直到完成工作角度，通过一个循环计算，获得加工的刀位文件，其中具体的密集程度视蜗杆大小和要求而定；
如图6所示，每隔0.001度去一个到位点，生成刀位，结合具体机床结构参数，通过后置处理过程，将刀位文件转换为机床加工NC代码；
如图3所示，另一侧齿轮的磨削，根据两齿面的夹角ω，将上述刀位绕X轴旋转(180° -ω ) *90角度，即可获得另一个齿轮的加工刀位；
(3)工件装夹与数控系统设置
将蜗杆工件通过顶尖和卡盘固定，校准使蜗杆轴线与A轴旋转轴线重合，砂轮安装的B轴上，由于编程工件坐标系原点位于蜗杆中心，因此加工前需要将砂轮中心与蜗杆工件中心的机床XYZ偏置值输入数控系统中进行偏置处理。
[0017]对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
[0018]此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
【权利要求】
1.平面包络环面蜗杆五轴联动砂轮磨削加工方法，采用的加工机床是五轴联动数控机床，五轴联动数控机床的结构是单摆头单转台结构，包括X轴、Y轴、Z轴、旋转轴A、旋转轴B五个轴，磨削主轴装在旋转轴B轴上，砂轮磨削工作面是平面，砂轮跟随旋转轴B轴摆动，工件蜗杆轴线与旋转轴A轴轴线重合，随旋转轴A轴旋转，其特征是，按照平面包络环面蜗杆的成型原理，通过机床五轴联动，使得砂轮磨削平面与虚拟齿轮的齿面重合，并绕虚拟齿轮旋转轴线旋转，同时工件蜗杆绕自身轴线旋转，两者的旋转速度和方向通过蜗杆副的旋向和传动比确定，虚拟齿轮轴线与工件蜗杆轴线距离等于蜗杆副中心距，从而利用砂轮平面包络磨削出平面包络环面蜗杆齿面。
2.根据权利要求1所述的平面包络环面蜗杆五轴联动砂轮磨削加工方法，其特征是，该方法包括以下加工程序: (1)根据零件材料和结构选择合适的磨削砂轮； (2)计算五轴联动磨削加工程序 1)建立坐标系，包括砂轮坐标系，虚拟齿轮坐标系，蜗杆坐标系，砂轮坐标下砂轮底部中心点坐标为[O, O, O, 1]T,砂轮轴矢量为[O, O, 1，0]Τ ; 2)进行坐标变换，砂轮坐标系通过先沿Y轴方向平移距离dv，沿Z轴方向平移距离du，再绕Y轴旋转倾斜角β，再沿X轴平移距离rb变换到虚拟齿轮坐标系，变换矩阵分别为Tl, Rl, T2 ;然后，如图5所示，砂轮绕虚拟齿轮坐标系Z轴旋转角度《1，变换矩阵为R2 ;然后砂轮沿X轴平移到蜗杆坐标系，变换矩阵为T3，；然后砂轮绕蜗杆坐标系Y轴旋转角度《2，变换矩阵为R3，最后得到变换公式:CL = Ε3(ω2)?T3(a) * R2(wl) * T2(rb).Rl(P) - fl(dv,dii)._’CU]TTA = R3(w2j *T3{a)*R2(?l) *T2(rb)^ Ri(|)*Tl(dv,du) - [0,04,0]! 其中CL指对应于一个蜗杆副啮合位置的砂轮底部中心点坐标矢量，TA指对应于一个蜗杆副啮合位置的砂轮轴位置坐标矢量； 3)刀位计算，根据蜗杆副工作起始角和工作角度，通过上述坐标变换公式，从起始角开始，每隔一定角度，计算一个刀位值，直到完成工作角度，通过一个循环计算，获得加工的刀位文件，其中具体的密集程度视蜗杆大小和要求而定； 另一侧齿轮的磨削，如图3所示，根据两齿面的夹角ω，将上述刀位绕X轴旋转(180° -ω ) *90角度，即可获得另一个齿轮的加工刀位； 4)后置处理，结合具体机床结构参数，通过后置处理过程，将刀位文件转换为机床加工NC代码； (3)工件装夹与数控系统设置 将蜗杆工件通过顶尖和卡盘固定，校准使蜗杆轴线与A轴旋转轴线重合，砂轮安装的B轴上，由于编程工件坐标系原点位于蜗杆中心，因此加工前需要将砂轮中心与蜗杆工件中心的机床XYZ偏置值输入数控系统中进行偏置处理。
3.根据权利要求2所述的加工程序，其特征是，所述dv是指砂轮圆周与虚拟齿轮齿顶圆重合时，砂轮中心与虚拟齿轮中心X轴方向的偏置值，通过公式dv = Vra- - rb2 — de可以求出，其中ra是蜗轮齿顶圆半径，rb是蜗轮主基圆半径，d0是砂轮直径。
4.根据权利要求2所述的加工程序，其特征是，所述du，是指砂轮圆周与虚拟齿轮齿顶圆重合时，根据蜗杆副理论接触线分布，调整砂轮在虚拟齿轮轴向上的位置而产生的砂轮中心与虚拟齿轮中心Y方向的偏置值。
5.根据权利要求2所述的加工程序，其特征是，所述砂轮为具有平面磨削的砂轮。
【文档编号】B23F13/08GK104139219SQ201310604608
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2013年11月26日 优先权日:2013年11月26日
【发明者】毕庆贞, 钟磊 申请人:上海拓璞数控科技有限公司