本发明涉及一种大尺寸渐开线圆柱斜齿轮精加工的设备与方法，具体来讲，它涉及到一种外啮合无轴向进给珩磨大尺寸渐开线圆柱斜齿轮的机床和方法。
背景技术：
珩齿是对淬硬齿轮进行精加工的一种常用方法，借助涂有磨料的珩轮与被珩齿轮齿面间的压力和相对滑动摩擦完成切削量的去除。常见的珩齿方式包括外齿珩磨、内齿珩磨、蜗杆珩磨三种，最普通的是以外啮合形式，在“自由啮合”过程中加工。具有成本低、设备简单的突出优点，但齿形、齿向误差大，校正齿形误差能力较弱，造成齿轮加工的精度难以提高。而采用具有强制传动链的珩磨机床，可以克服上述缺点，如瑞士的法西尔
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术存在的问题和缺陷，提供了一种具有双伺服控制蜗杆型珩磨轮强制磨削后的齿轮具备高质量、高效率、低成本的无轴向进给齿轮珩磨床。同时也提供一种对淬硬齿轮进行珩磨精加工的一种行之有效的方法。
为解决上述问题，本发明是采用了如下技术方案实现的：
无轴向进给齿轮珩磨床，包括机床架(18)、工控箱、左齿面珩磨轮(3)、右齿面珩磨轮(22)、被加工齿轮放置台、左加工区冷却软管(19)、右加工区冷却软管(27)、工件轴(8)、左齿面珩磨轮传动轴(1)、右齿面珩磨轮传动轴(20)、第一伺服电机(7)、第二伺服电机(26)和空气压缩机；
左齿面珩磨轮传动轴(1)与右齿面珩磨轮传动轴(20)平行，
左齿面珩磨轮传动轴(1)通过第一珩磨轮传动轴轴承(5)和键槽机构与第一伺服电机(7)水平安装，第一伺服电机端盖(6)位于第一伺服电机(7)与第一珩磨轮传动轴轴承(5)之间，第一伺服电机端盖(6)与机床架(18)连接；
右齿面珩磨轮传动轴(20通过第二珩磨轮传动轴轴承(24)和键槽机构与第二伺服电机(26)水平安装，第二伺服电机端盖(25)位于第二伺服电机(26)与第二珩磨轮传动轴轴承(24)之间，第二伺服电机端盖(25)与机床架(18)连接；
轴距水平方向为a，工件轴(8)处于左齿面珩磨轮传动轴(1)与右齿面珩磨轮传动轴(20)之间，与左齿面珩磨轮传动轴(1)与右齿面珩磨轮传动轴(20)的空间交角均为90°、且垂直于被加工斜齿轮(12)放置台平面。工件轴(8)与左齿面珩磨轮传动轴(1)、右齿面珩磨轮传动轴(20)的轴距分别为a1、a2，且a1＝a2＝rb1+rb2、a＝a1+a2。左右两齿面珩磨轮传动轴垂直方向距离h。
式中rb2是被加工斜齿轮基圆半径，rb1是珩磨轮基圆半径(左齿面珩磨轮和右齿面珩磨轮形状尺寸均一致，为方便描述以珩磨轮作为简称)。
左齿面珩磨轮(3)和右齿面珩磨轮(22)分别安装在对应左齿面珩磨轮传动轴(1)与右齿面珩磨轮传动轴(20)尾端。左右齿面珩磨轮传动轴的尾端带有螺纹的锥轴设计，锥轴通过与珩磨轮的锥孔配合，并采用第一紧固螺母(2)和第二紧固螺母(21)对珩磨轮进行轴向的定位与固定。工件轴(8)上端用来安装被加工斜齿轮(12)，被加工斜齿轮(12)分别与左齿面珩磨轮(3)和右齿面珩磨轮(22)啮合。并形成左侧齿面磨削区和右侧齿面磨削区。左齿面珩磨轮传动轴(1)、右齿面珩磨轮传动轴(20)中间部分分别通过第一珩磨轮传动轴承(5)和第二珩磨轮传动轴承(24)安置在机床架(18)上。左齿面珩磨轮传动轴(1)、右齿面珩磨轮传动轴(20)的左端均通过键槽机构将第一伺服电机(7)、第二伺服电机(26)与左齿面珩磨轮传动轴(1)、右齿面珩磨轮传动轴(20)连接起来，并分别通过第一伺服电机端盖(6)和第二伺服电机端盖(25)将第一伺服电机(7)、第二伺服电机(26)与机床架(18)刚性连接。
机床静态结构如下：
(左齿面珩磨轮(3)和右齿面珩磨轮(22)、左齿面珩磨轮传动轴(1)和右齿面珩磨轮传动轴(20)、第一伺服电机(7)和第二伺服电机(26)形状尺寸均一致，且各自装配、固定的方法手段相同、为简化描述以左齿面珩磨轮(3)、左齿面珩磨轮传动轴(1)、第一伺服电机(7)为例)。第一伺服电机(7)与左齿面珩磨轮传动轴(1)依靠键槽装置完成装配，同时扭紧第三紧固螺栓(16)完成左齿面珩磨轮传动轴(1)轴向夹紧作业。第二紧固螺栓(21)将第一伺服电机(7)和第一伺服电机端盖(6)一端连接固定在一起，第四紧固螺栓(17)将第一伺服电机端盖(6)的另一端与机床架(18)的一端连接在一起，同时一对第一珩磨轮传动轴轴承(5)与左齿面珩磨轮传动轴(1)组成传动副置于机床架(18)内。机床架(18)另一端采用第一珩磨轮传动轴轴承端盖(4)进行密封，并依靠第一紧固螺栓(14)进行固定。左齿面珩磨轮传动轴(1)靠近机床工作台端为末端带有螺纹的锥形轴设计，与左齿面珩磨轮(3)的锥孔进行配合完成轴向定位，同时依靠第一紧固螺母进行紧固(2)。第二伺服电机(26)、右齿面珩磨轮(22)、右齿面珩磨轮传动轴(20)在机床上的安装定位同理所述。
机床床身工作台处开有阶梯孔，工件轴(8)与一对工件轴轴承(9)组成传动副置于工作台处的阶梯孔内，依靠工件轴(8)的偏下位置轴肩完成轴向定位，同时采用工件轴轴承端盖(10)完成密封，依靠第一紧固螺栓(14)实现紧固。工件托盘(11)与工件轴(8)配合，依靠工件轴(8)偏上轴肩实现轴向定位，被加工斜齿轮(12)平行放置于工件托盘(11)上，使工件托盘(11)上端面与被加工斜齿轮(12)下端面贴合，扭紧工件轴轴端固定螺母(13)完成工件的夹紧作业(冷却设备与伺服电机接线方式略)。
第一套技术方案与第二套技术方案所述的相互平行的左右两齿面珩磨轮传动轴相互平行，水平方向轴距均为a。垂直方向高度相差为h。且被加工斜齿轮上下两侧端面分别与左右两侧齿面珩磨轮传动轴轴线在垂直方向重合。
第一套技术方案左右两齿面珩磨轮均置于机床架的一侧，两珩磨轮右侧端面轴向距离为0。
第二套方案左右两齿面珩磨轮分别放置于机床架两侧，左齿面珩磨轮的右端面与右齿面珩磨轮的左端面最大轴向距离为wk。
最大轴向距离:
wk＝(mn1*cosan1[(k-0·5)*π+ztnvαt2]+2*x*mn1*stnαn1)/cosp2
式中：mn1.珩磨轮法向模数，z2.被加工斜齿轮齿数，αn1.珩磨轮法向压力角，αt2.被加工斜齿轮端面压力角，x.被加工斜齿轮变位系数，β2.被加工斜齿轮螺旋角，k.左右两侧齿面珩磨轮跨越齿数，wk.最大轴向距离。
所述的使用无轴向进给齿轮珩磨床对圆柱斜齿轮进行磨齿的方法主要包括以下步骤：
一、安装工件—圆柱斜齿轮
通过调整左齿面珩磨轮(3)和右齿面珩磨轮(22)相位，使被加工斜齿轮(12)穿过工件轴(8)平行放置在工件放置台上，并拧紧工件轴轴端固定螺母(13)完成工件的装夹。
二、对刀—对左右两齿面珩磨轮执行对刀操作
开动机床，控制第一伺服电机(7)和第二伺服电机(26)带动左齿面珩磨轮传动轴(1)和右齿面珩磨轮传动轴(20)，使左右两齿面珩磨轮相位初始化，调整相位角度差为
三、珩磨被加工斜齿轮
(1)启动机床，控制第一伺服电机(7)和第二伺服电机(26)由零加速到磨削所需速度v1，且要求此过程控制左右两齿面珩磨轮累积相位差在
按公式v1＝v/rb1
式中：v.蜗杆式珩磨工艺所要求切削速度25—30m/s，rb1.蜗杆式珩磨轮基圆半径，v1.磨削所需速度。
(2)控制两台伺服电机带动左右两齿面珩磨轮传动轴同步转动，保持同步精度在
按公式
式中：fpt.齿轮单个齿距极限偏差，p0.珩磨轮轴向齿距，β2.被加工斜齿轮螺旋角，
(3)控制x轴(7号)伺服电机瞬时减速，使两伺服电机控制珩磨轮产生一次相位角度差为
按公式
式中：n.为珩齿过程轴向进给次数，
(4)重复过程(2)和(3)直至去除被加工斜齿轮(12)珩磨余量，停止珩磨，卸载已加工完成的斜齿轮，复位左右两齿面珩磨轮，关闭机床。进入下一个重复上述步骤的工作循环。
与现有技术相比本发明的有益效果：
1.采用本发明所述的无轴向进给齿轮珩磨床，被加工的渐开线圆柱斜齿轮的几何形状和精度主要取决珩磨轮的制造精度与两伺服电机所带动的两主轴同步精度。
2.本发明所采用的左右两齿面珩磨轮采取电镀cbn涂层处理，该涂层硬度高韧性好、切削能力强。cbn涂层耐高温、热稳定性好、磨削过程无粘削现象出现。涂层导热性好、对冷却要求较低。涂层化学惰性强不易与铁族元素产生化学反应。涂层磨削性能好能长期保持磨粒微刃的锋利性、使被加工齿轮加工精度和表面粗糙度值都能达到较为满意效果。且cbn砂轮耐磨性强寿命长，比普通刚玉、金刚石砂轮磨削比高。
3.本发明所述的无轴向进给齿轮珩磨床的机床运动极其简单，由两台伺服电机控制左右两齿面珩磨轮完成同步同转速磨削与差速转动实现珩磨轮相位角度差，完成传统机床定义的轴向进给。与瑞士
4.采用本发明所述的无轴向进给齿轮珩磨床加工渐开线圆柱斜齿轮无需径向走刀，且轴向进给由两伺服电机控制主轴相对相位角度
5.本发明所述的无轴向进给齿轮珩磨床工作功率小，有利于降低能耗，符合绿色制造理念。
6.本发明所述的无轴向进给齿轮珩磨床体积小、所需场地空间小。
7.本发明所述的无轴向进给齿轮珩磨床专用于成批量生产大尺寸渐开线圆柱斜齿轮。
8.本发明所述无轴向进给齿轮珩磨床可数字化显示珩齿加工的整个过程，便于监测加工精度，为后期检测加工效果提供数据支持。
附图说明
图1是交错轴线接触斜齿轮圆柱齿轮传动原理几何关系图。
图2是垂直交错轴线接触圆柱斜齿轮齿面产生原理图。
图3是无轴向进给齿轮珩磨床的机床结构原理示意图。
图4是珩磨轮与斜齿轮全齿宽磨削在斜齿轮基圆半径共切面线接触示意图。
图5是单侧式无轴向进给齿轮珩磨床主要机构轴测视图。
图6是双侧式无轴向进给齿轮珩磨床主要机构轴测视图。
图7是单侧式无轴向进给齿轮珩磨床主要机构与被加工斜齿轮成啮合加工状态轴侧视图。
图8是单侧式无轴向进给齿轮珩磨床主要部件左右齿面珩磨轮与被加工斜齿轮成啮合加工状态主视图。
图9是单侧式无轴向进给齿轮珩磨床主要部件左右齿面珩磨轮与被加工斜齿轮成啮合加工状态俯视图。
图10是单侧式无轴向进给齿轮珩磨床主要部件左右齿面珩磨轮与被加工斜齿轮成啮合加工状态左视图。
图11是无轴向进给齿轮珩磨床动力源伺服电机结构示意图。
图12是无轴向进给齿轮珩磨床动力源伺服电机驱动器接口示意图。
图13是左右齿面蜗杆珩磨轮传动轴示意图(两传动轴尺寸形状无差别)。
图14是工件轴示意图。
图中：1.左齿面珩磨轮传动轴，2.第一紧固螺母，3.左齿面珩磨轮，4.第一珩磨轮传动轴轴承端盖，5.第一珩磨轮传动轴轴承，6.第一伺服电机端盖，7.第一伺服电机，8.工件轴，9.工件轴轴承，10.工件轴轴承端盖，11.工件托盘，12.被加工斜齿轮，13工件轴轴端固定螺母，14第一紧固螺栓、15第二紧固螺栓、16第三紧固螺栓、17.第四紧固螺栓，18.机床架，19.左加工区冷却软管，20.右齿面珩磨轮传动轴，21.第二紧固螺母，22.右齿面珩磨轮，23.第二珩磨轮传动轴轴承端盖，24.第二珩磨轮传动轴轴承，25.第二伺服电机端盖，26.第二伺服电机，27.右加工区冷却软管，rb2.被加工斜齿轮基圆半径，rb1.珩磨轮基圆半径，b.珩磨轮端面与被加工斜齿轮轴距，a1.左齿面珩磨轮传动轴与工件轴水平方向轴距，a2.右齿面珩磨轮传动轴与工件轴水平方向轴距，a.左右齿面珩磨轮水平方向轴距，b.左右两齿面珩磨轮靠近工件侧端面与工件轴轴距，x1.齿轮ⅰ轴线，x2.齿轮ⅱ轴线，γ.两轴线夹角，ω1齿轮ⅰ绕x1轴线转动的角速度，ω2.齿轮ⅱ围绕x2轴线转动的角速度，p1.与x1平行且与两个分度圆柱相切的平面，p2.与x2平行且与两个分度圆柱相切的平面，β1.齿轮ⅰ分度圆螺旋角，β2.齿轮ⅱ分度圆螺旋角，λ.螺旋升角，xa.驱动器外接电源接口，xb.驱动器供给伺服电机电源接口，x4.驱动器与控制卡连接端口，x6.驱动器与伺服电机内置编码器连接端口。c.伺服电机编码器口，d.伺服电机电机电源接口，e.伺服电机连接法兰，f.伺服电机机壳，g.伺服电机油封，h.左右两齿面珩磨轮传动轴垂直方向距离，p.伺服电机安装孔。
具体实施方式
如图1至图14所示，无轴向进给齿轮珩磨床是一种用于大批量生产大尺寸的渐开线圆柱斜齿轮的一种精加工珩磨床。机床主要结构有床身18、左齿面珩磨轮传动轴1和右齿面珩磨轮传动轴20、工件轴8、第一伺服电机7及其配套驱动器和连接线缆、第二伺服电机26及其配套驱动器和连接线缆、被加工斜齿轮12、左齿面珩磨轮3、右齿面珩磨轮20、配套轴承、以及标准零配件紧固螺母、风冷软管、工业用风冷设备、控制系统。本发明的无轴向进给齿轮珩磨床可完成设计尺寸的渐开线圆柱斜齿轮的精加工珩磨、机床运动简单、制造容易、制造成本与加工成本低廉。两珩磨轮与被加工斜齿轮以线接触进行齿面珩磨，一次成型无需反复装夹工件，生产效率高，提高加工精度并显著降低成本。
本发明的主要理论支持是按交叉轴直线接触齿面确定珩磨轮轮齿工作面：
1.具体说明按交错轴线接触斜齿轮圆柱齿轮传动原理几何关系确定：
参阅图1图2所示，两齿轮传动轴空间上互不相交，两轴线之间夹角为γ。两斜齿轮绕自身轴线x1、x2转动的角速度分别是ω1、ω2，两斜齿轮分度圆半径分别为ο1ⅰ、ο2ⅰ，p1、p2与两轴线平行，且与分度圆半径相切，两条切线交于点i。假设mm’为两相互重合平面上的一条斜直线，它与切线δ1的夹角为β1，与切线δ2的夹角为β2，以角速度ω1，使齿轮ⅰ绕轴线x1转动，使切平面p1沿着f1方向运动，会带动直线mm’也朝着f1方向运动，同时mm’会给切平面p2、一个作用力，带动p2沿f2方向运动。切平面p2的平移将带动齿轮ⅱ以角速度ω2转动。其中β1、β2为两齿轮分度圆螺旋角。当齿轮ⅰ的基圆螺旋角βb1接近90°时，其每个轮齿可以在分度圆柱上绕几圈，形如蜗杆。以rb1基圆柱展开的右旋渐开螺旋面齿面σ1和以rb2为基圆柱的基圆螺旋角为βb2的齿轮齿面σ2在共切面q处相切，公切线为ml。此处ml即为螺旋渐开面的发生直母线。以σ1作为蜗杆型珩磨轮的螺旋磨削面，ml为珩磨轮的发生直母线，当平面q绕基圆柱rb2做纯滚动时，ml的轨迹为被加工斜齿轮的齿廓齿面。当两轴交角θ＝β1+β2＝90°时，用于实现垂直交叉磨削以σ1为齿面的斜齿轮。
2.具体说明单侧式无轴向进给齿轮珩磨床的珩磨轮与被加工齿轮几何关系确定：
参阅图3，两珩磨轮根据图1、图2传动原理图对被加工斜齿轮两侧齿面同时磨削，避免了单侧齿面磨削时的工件重新装夹或珩磨轮重新定位的步骤，极大的提高了加工效率同时改善了被加工斜齿轮的齿面加工质量。
参阅图4，珩磨轮与被加工斜齿轮在基圆半径共切面处线接触剖面图，a处为珩磨轮珩磨被加工斜齿轮齿根部分，b处为珩磨轮珩磨被加工斜齿轮齿顶部分。珩磨轮无需轴向进给亦可在全齿宽范围内磨削被加工斜齿轮时，要求珩磨轮最小半径与被加工斜齿轮齿轮宽度满足以下关系。
珩磨轮最小半径、被加工斜齿轮宽度、两珩磨轮在被加工斜齿轮轴向方向的轴向距离之间的关系：
式中：h.被加工斜齿轮齿宽，x.两珩磨轮在被加工斜齿轮轴向方向的轴向距离，rmin.珩磨轮最小半径，rb1.珩磨轮基圆半径。
3.具体说明无轴向进给齿轮珩磨床及被加工斜齿轮的布局、结构和几何关系：
参阅图5、6，基于交错轴线接触斜齿轮圆柱齿轮传动原理，无轴向进给齿轮珩磨床有珩磨轮单侧式和双侧式放置两种方式。
本发明以图7所示珩磨轮单侧式放置无轴向进给齿轮珩磨床加工方案为例进行详细阐述：
参阅图8、图9和图10所示，第一伺服电机7通过第二紧固螺栓15与6号第一伺服电机端盖6连接固，第一伺服电机7输出轴通过第三紧固螺栓16与左齿面珩磨轮传动轴1刚性连接，第一伺服电机端盖6通过第三紧固螺栓17与机床架18进行固定，左齿面珩磨轮传动轴1与成对第一珩磨轮传动轴轴承5配合安置在机床架18内，
同时，第一珩磨轮传动轴轴承端盖4对由左齿面珩磨轮传动轴14和成对第一珩磨轮传动轴轴承5组成的轴承传动副通过第一紧固螺栓14固定在机床架18上完成密封。左齿面珩磨轮3依靠锥孔和左齿面珩磨轮传动轴1配合完成定位，第一紧固螺母2与左齿面珩磨轮传动轴1尾端螺纹紧固完成对左齿面珩磨轮3的轴向固定。左加工区冷却软管19安装在机床架18上，依靠工业用空气冷却泵提供空气达到冷却加工工件的效果。工件轴8和成对工件轴轴承9组成轴承传动副置于机床架18内。工件轴8远离工件端由机床架工作台处阶梯孔进行定位，靠近工件端由工件轴轴承端盖10依靠第一紧固螺栓14与机床架18进行固定完成轴承传动副的密封。工件托盘11与工件轴8配合装配，采用轴肩定位，工件轴末端攻有螺纹，固定工件时，被加工斜齿轮一端端面与工件托盘端面贴合，另一端依靠工件轴轴端固定螺母13紧锁完成定位。
4.具体说明无轴向进给齿轮珩磨床动力源的线路连接图：
参阅图11、图12，伺服电机用连接器与驱动器xb接口相连，c编码器连接器与x6接口相连，驱动器xa接口外接220v电源，驱动器x4接口与工控机连接。
设计、计算两珩磨轮与被加工斜齿轮的主要参数，步骤如下：
通常被加工斜齿轮给定法向模数为mn、法向的分度圆压力角为αn、齿数为z2、分度圆螺旋角为β2、齿宽为g、被加工斜齿轮轴向与珩磨轮轴向轴交角为θ、旋向等主要参数。
被加工渐开线圆柱斜齿轮：mn＝6mm、αn＝20°、βb2＝1°、z2＝45、β＝1°、g＝12mm、旋向(右旋)。
计算被加工斜齿轮的其他参数：
蜗杆型珩磨轮：mn＝6mm、z1＝1(头数)、αn＝20°、λ＝1°。
计算珩磨轮的其它参数：
珩磨轮与被加工斜齿轮轴交角：θ＝90°
两珩磨轮传动轴在机床水平方向轴距:
a＝db1+db2＝573.7564mm
两珩磨轮传动轴竖直方向上轴向距离：
h＝g＝12mm
采用无轴向进给齿轮珩磨床精加工渐开线圆柱斜齿轮的方法与步骤：
一、安装工件—圆柱斜齿轮
通过调整左齿面珩磨轮(3)和右齿面珩磨轮(22)相位，使被加工斜齿轮(12)穿过工件轴(8)平行放置在工件放置台上，并拧紧工件轴轴端固定螺母(13)完成工件的装夹。
二、对刀—对左右两齿面珩磨轮执行对刀操作
开动机床，控制第一伺服电机(7)和第二伺服电机(26)带动左齿面珩磨轮传动轴(1)和右齿面珩磨轮传动轴(20)，使左右两齿面珩磨轮相位初始化，调整相位角度差为
三、珩磨被加工斜齿轮
(1)启动机床，控制第一伺服电机(7)和第二伺服电机(26)由零加速到磨削所需速度v1，且要求此过程控制左右两齿面珩磨轮累积相位差在
按公式v1＝v/rb1
式中：v.蜗杆式珩磨工艺所要求切削速度25—30m/s，rb1.蜗杆式珩磨轮基圆半径，v1.磨削所需速度。
(2)控制两台伺服电机带动左右两齿面珩磨轮传动轴同步转动，保持同步精度在
按公式
式中：fpt.齿轮单个齿距极限偏差，p0.珩磨轮轴向齿距，β2.被加工斜齿轮螺旋角，
(3)控制x轴第一伺服电机瞬时减速，使两伺服电机控制珩磨轮产生一次相位角度差为
按公式
式中：n.为珩齿过程轴向进给次数，
(4)重复过程(2)和(3)直至去除被加工斜齿轮(12)珩磨余量，停止珩磨，卸载已加工完成的斜齿轮，复位左右两齿面珩磨轮，关闭机床。进入下一个重复上述步骤的工作循环。