一种动压油膜蜗杆蜗轮副主动确定方法与精密加工方法

本发明涉及蜗杆蜗轮副设计与加工领域，特别是涉及一种动压油膜蜗杆蜗轮副主动确定方法与精密加工方法。

背景技术：

1、蜗杆蜗轮副是传递运动和动力的关键基础件，具有传动比大、能自锁等优点，广泛应用于高档数控机床、大型天文望远镜等重大装备，直接决定装备的服役性能。由于蜗杆蜗轮副的齿面是相对滑动的运动形式，摩擦阻力大；同时为了减少齿面胶合，蜗轮的材料是铜合金，耐磨性较差；导致蜗杆蜗轮副的传动效率低、承载能力差、振动严重、噪声大、精度保持性差。现有的方法主要是通过对蜗杆蜗轮进行简单的修形，增加接触面积、避免偏载，提升蜗杆蜗轮副的啮合性能，无法从根本上改善啮合性能。

2、并且，齿面设计方法将导致蜗杆蜗轮副修形曲面复杂，加工难度极大。因为，蜗轮材料是铜合金，质地软，无法磨削，只能通过滚齿切削，滚削是展成加工，所以蜗轮展成包络加工中切削迹线固定，现有的包络工艺只最多能够通过将滚刀沿着蜗轮轴向少量窜刀，达到在蜗轮两端面附近更多去除更多材料的目的，因此只能够定性地实现更多齿面材料的去除，很难实现修形轨迹的精确控制，无法确保设计的敞口形状与表面宏微参数的准确创成，不能满足实际需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种动压油膜蜗杆蜗轮副主动确定方法与精密加工方法，能够准确设计蜗杆蜗轮副，实现修形轨迹的精确控制以及蜗杆蜗轮副的精密加工。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种动压油膜蜗杆蜗轮副主动确定方法，包括：

4、建立考虑粗糙形貌的蜗杆蜗轮副修形齿面精确三维数字化模型；

5、提出跨尺度的蜗杆蜗轮副啮合接触分析方法；

6、建立考虑修形齿面宏观形貌、齿面粗糙度和波纹度的蜗杆蜗轮副三维接触热弹流润滑模型并对模型进行求解得到摩擦系数、油膜厚度、油膜压力以及摩擦力；

7、以摩擦系数、油膜厚度、油膜压力以及摩擦力为目标，基于改进后的非支配排序遗传算法nsga-ii和主成分分析方法pca确定能够形成动压油膜的最佳的蜗杆蜗轮修形曲线、蜗杆齿厚分布、压力角、螺旋线升角、齿面粗糙度和波纹度；

8、根据最佳的蜗杆蜗轮修形曲线、蜗杆齿厚分布、压力角、螺旋线升角、齿面粗糙度和波纹度确定动压油膜蜗杆蜗轮副。

9、可选地，所述建立考虑粗糙形貌的蜗杆蜗轮副修形齿面精确三维数字化模型，具体包括：

10、基于共轭曲面空间啮合原理，建立蜗杆蜗轮副包络过程的空间坐标系统，运用运动学思想和坐标转换推导蜗杆齿面方程以及运用点矢量包络法推导蜗轮齿面廓形，进而得到蜗杆蜗轮齿面方程；

11、将粗糙表面视为随机过程，采用指数形式的自相关函数确定概率密度函数；进而根据概率密度函数，利用振幅和相角分量表征蜗杆蜗轮的粗糙表面，得到粗糙表面方程；

12、根据蜗杆蜗轮齿面方程，采用齿廓修形和齿向修形，得到修形后的蜗杆蜗轮齿面方程；

13、根据修形后的蜗杆蜗轮齿面方程和粗糙表面方程，得到蜗杆蜗轮副的三维数字化模型。

14、可选地，所述根据蜗杆蜗轮齿面方程，采用齿廓修形和齿向修形，得到修形后的蜗杆蜗轮齿面方程，具体包括：

15、利用公式确定最大修形量；其中，δparabolic表示抛物线修形曲线；δmax表示最大修形量；l表示双齿啮合区总长度；x表示啮合线上双齿啮合区内任意点到单双齿交替点的距离；

16、利用公式确定齿向修形后齿面点相较于修形前朝内侧偏移量；其中，em为修形前朝内侧偏移量，rc为鼓形齿起鼓半径，zm为离散点沿z轴方向的坐标；δe为起鼓圆中点与齿轮的中心点的偏差值；b为齿宽；cmax为最大起鼓量；

17、利用公式确定修形后的蜗杆蜗轮齿面方程；其中，表示修形后的齿面方程；xkc、ykc和zkc分别表示修形后齿面x、y、z坐标；xk、yk和zk分别表示修形前齿面x、y、z坐标；uk表示齿面轴向参数，表示加工旋转时的渐开线参数，emp为偏移量，为齿面点的展角。

18、可选地，所述根据修形后的蜗杆蜗轮齿面方程和粗糙表面方程，得到蜗杆蜗轮副的三维数字化模型，具体包括：

19、将修形后的蜗杆蜗轮齿面方程和粗糙表面方程耦合，并利用matlab软件编写程序对考虑粗糙形貌和修形的蜗杆蜗轮齿面廓形进行求解，得到蜗杆蜗轮齿面廓形的离散点集；

20、利用solidworks创建毛坯并将离散点集的坐标点进行插入，得到齿面曲线；根据齿面曲线得到考虑粗糙形貌和修形的蜗杆蜗轮副的三维数字化模型。

21、可选地，所述提出跨尺度的蜗杆蜗轮副啮合接触分析方法，具体包括：

22、基于齿面方程推导接触点与齿面间隙，计算齿间载荷分布获得齿面接触力学性能；所述齿面方程包括：修形后的齿面方程。

23、可选地，所述建立考虑修形齿面宏观形貌、齿面粗糙度和波纹度的蜗杆蜗轮副三维接触热弹流润滑模型并对模型进行求解得到摩擦系数、油膜厚度、油膜压力以及摩擦力，具体包括：

24、平均reynolds方程：

25、式中，表示油膜平均压力，μ为润滑油粘度，h为油膜厚度，u为卷吸速度，表示x方向的压力流量因子，表示y方向的压力流量因子，表示接触因子，表示剪切流量因子；

26、油膜厚度方程h(x,y)：

27、式中，rx,ry为当量曲率半径，e'为当量弹性模量，h0为一个常量，包含刚体中心膜厚和一个待定常数c，δ(x,y)为两表面的等效粗糙度，v(x,y)为弹性变形；

28、润滑油粘度方程μ：

29、μ＝η0exp{(lnη0+9.67)[(1+5.1×10-9p)z-1]}；式中，η0为大气压力下的粘度，z为常数，α为粘压系数；

30、润滑油密度方程ρ：

31、式中，ρ0为大气压力下温度为t0时的密度；

32、载荷平衡方程w：

33、w＝∫∫ω[p(x,y)+pc(x,y))]dxdy；式中，p(x,y)为润滑膜单位面积所受载荷，pc(x,y)为表面微凸体单位面积所受载荷，ω为积分区域；

34、卷吸速度v：

35、式中，v1n为蜗杆啮合点速度沿接触线法线方向的分量，v2n为蜗轮啮合点速度沿接触线法线方向的分量；

36、油膜厚度热修正系数ct：

37、式中，k为润滑油热传导系数，β为粘温系数。

38、一种动压油膜蜗杆蜗轮副的精密加工方法，基于所述的一种动压油膜蜗杆蜗轮副主动确定方法，利用双导程变齿厚滚刀进行蜗轮齿面的精密加工，具体包括：

39、确定一种双导程变齿厚滚刀；双导程变齿厚滚刀包括基准刀面螺旋升角γ1和变厚刀面螺旋升角γ2，通过改变螺旋线升角实现不同滚刀刀刃厚度；

40、在滚齿机上使用双导程变齿厚滚刀的标准刀刃厚度位置进行加工：采用标准齿厚位置进行按照标准滚齿加工方法对蜗杆蜗轮副进行切削，直到蜗杆蜗轮副的齿面滚齿余量仅为最后一刀的加工余量时停止加工；

41、在当前径向进给位置进行双导程变齿厚滚刀窜刀加工：将双导程变齿厚滚刀沿着刀具轴向窜刀，使用齿厚更大的双导程变齿厚滚刀刀刃进行切削，双导程变齿厚滚刀的轴向窜刀量等于设定值l；

42、双导程变齿厚滚刀反向窜刀，回到标准切削厚度位置。

43、双导程变齿厚滚刀径向进给，完成最后一刀余量的切削。

44、可选地，所述设定值l根据单边敞口量d进行确定。

45、可选地，所述利用公式确定设定值l；

46、其中，q为滚刀分度圆直径系数，mn为法向模数，l为最小单位窜刀量，z为滚刀头数，k为滚刀槽数。

47、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

48、本发明所提供的一种动压油膜蜗杆蜗轮副主动确定方法与精密加工方法，建立考虑粗糙形貌和修形的蜗杆蜗轮副的三维数字化模型，为后续基于三维数字化模型的润滑仿真和优化提供精确的模型基础；开发摩擦系数、油膜厚度、油膜压力和摩擦力等啮合性能的多目标优化方法，形成动压油膜啮合的蜗杆蜗轮副，从原理上提升啮合性能；本发明在蜗杆蜗轮齿面修形设计时，主动的通过对蜗杆蜗轮副齿面进行修形实现在啮入端和啮出端形成敞口形状(楔形角度)，方便润滑油进入啮合区域，形成动压油膜；优化表面微观形貌，控制蜗杆蜗轮粗糙接触表面的粗糙峰高度，促进动压油膜厚度提升进入完全润滑，实现啮合性能根本提升。