CN1031499A - 包络法形成齿廓大型齿轮磨床 - Google Patents

Abstract

本发明的包络法形成齿廓大型齿轮磨床，应用平 面包络原理在工件齿轮固定不动的条件下用磨轮端 平面磨削大直径大模数精密硬齿面直齿圆柱齿轮。 本磨齿机的结构几乎不受齿轮直径和模数大小的限 制，可比较方便地磨削任意修形齿面(包括齿高方向 和齿长方向)。本机床还将加工系统和精度检测系统 溶为一体组成为一个完整的工艺系统。这种磨齿方 法可提高齿面磨削表面质量和加工精度。具有加工 质量稳定，生产率较高，结构简单，成本低的优点。

Description

本发明属于大模数、大直径、硬齿面直齿圆柱齿轮磨齿新方法及新型磨齿机床的发明。

通过现有专利检索表明，国内外尚无与本发明类似的专利、产品，本发明采用了我国的专利CN-85101981作为工件齿轮的精密分度装置。

与本发明有关的专利及资料有：

一、欧洲专利局专利：

1.EPO-180747;2.EPO-74930;

3.EPO-26274;4.EPO-19075;

二、美国专利：

1.US-4628442;2.US-4547996;

3.US-4353271;4.US-3060642;

5.US-3091059;

三、瑞士MAAG公司样本：

1.ES-430    齿形检查仪（1987.5.19～27在北京展出）

2.ES-401    周节检查仪（1987.5.19～27在北京展出）

〔注：本专利申请已于1987年7月28日委托专利局审查部门检索服务处进行了检索，未发现与新颖性相关的文件;或与专题密切相关的文件。（附中国专利局审查部门检索报告复印件）〕

据现有资料，目前世界上最大的齿轮磨床为瑞士MAAG公司的HSS-460B齿轮磨床，其最大加工齿轮直径为4734mm;最大模数为36mm;我国所拥有的最大齿轮磨床为四川某厂60年代进口的一台MAAG    HSS-360齿轮磨床，其加工齿轮最大直径为3600mm，最大模数为20mm。目前工业设备日益向大型化方向发展，大型传动齿轮为了提高承载能力和延长使用寿命普遍采用硬齿面，急需大型硬齿面齿轮的精加工设备。现有齿轮磨床（包括已公开的现有专利）均采用展成法加工，机床所需传动链长，要保证加工精度，对传动件精度要求很高，因此成本十分昂贵。另一方面，现有齿轮磨床的基本设计思想是力图加工出标准渐开线齿面，但工业实践证明，当考虑实际齿轮传动时的受力变形和热变形以及齿轮制造和安装等误差，为了减少动载荷、冲击、干涉和降低传动噪声必须相应对齿廓修形，现有齿轮磨床的砂轮修整和机床调整都很复杂和消耗较多工时。此外，现有生产的齿轮精度测量仪可测量的最大齿轮的基圆直径为1900mm（如MAAG    SP-200）。

本发明的目的是为了解决上述存在的大型齿轮加工和检测的困难和问题将加工机床与精度检测设备溶为一体构成一个不可分割的完整的系统，并且能比较方便地满足各种不同齿廓修形的要求;为此提出一种采用包络法形成齿廓的大型磨齿机的新型技术方案。

本发明的技术方案是：用平面包络法形成齿面的新型磨齿机，它由工作台〔6〕，径向床身〔9〕，扇形导轨〔8〕，摇台〔7〕，立柱〔1〕，横梁〔2〕和带磨轮〔5〕的磨头〔4〕;以及分度系统和精度检测系统所组成。其特征是在磨齿时，安装在工作台〔6〕上的工件齿轮是固定不动的，通过带有磨头〔4〕的摇台〔7〕绕一个与工件齿廓曲线相关的，位置经过优选的固定在扇形导轨〔8〕上的枢轴〔27〕的摆动来完成磨轮〔5〕端平面的包络运动;同时在包络过程中必须保持P＝R±△R的数学关系，其中P为自枢轴〔27〕的轴线至磨轮〔5〕端平面的垂线长度，R为一常量，△R为一微小变量。按照给定的齿廓曲线及其加工精度要求，通过离散化计算，可求得一系列与任意摆动角θ_i相对应的△R_i。这样，在齿廓包络过程中，在磨轮〔5〕端面绕枢轴〔27〕以定半径R作简单回转运动的同时，附加一个△R的补充径向移动。补充运动△R是通过数控系统来实现的。装在摇台〔7〕上与枢轴〔27〕同轴的光栅编码器，按摇台摆动角θ_i的大小发出信号，通过预先输入微机的数据△R_i，发出一定的脉冲数控制步进电机〔3〕转动，从而控制磨轮〔5〕的补充移动△R_i（参看附图6）。

本发明的磨削方式的另一特点是使磨轮〔5〕的平面与齿廓有一段可控制的接触线长度，这样，从齿的一端开始沿齿长方向逐段包络出全齿长（实际加工时相邻段均有一定的重叠）。磨齿时横梁〔2〕夹紧在立柱〔1〕上，当磨轮〔5〕经过几次往复摆动形成一段齿面后，横梁从立柱导轨上松开，使其沿立柱导轨垂直移动一段距离（小于接触线长度），然后又夹紧，磨轮〔5〕即可再作磨齿运动，依次逐段磨完全部齿宽。若在齿长方向逐渐微量改变半径R的值，即可实现沿齿长方向的齿面修形。

采用计算机辅助设计优化方法，可选定枢轴〔27〕轴线相对于工件齿轮的座标位置和定半径R值，优化条件是使包络出的齿廓按精度要求达到最佳条件。优化程序框图见附图2。

经过计算，在一般情况下，△R＜1mm;只是在极端情况下，即模数很大而齿数又很少时△R才稍大。如模数为40mm，齿数为20时，△R_max约等于2.5mm。较小的△R使机床数控装置得到简化，加工精度也比较容易提高。

目前世界上大型磨齿机的齿面形成方法主要是采用展成法，展成运动是由工件转动和直线运动组成，磨轮只作旋转运动和直线往复运动，工件的展成运动是使工件如同在固定的工具齿条上滚动一样，靠假想的工具齿条磨削作用加工出齿面来。这类磨齿机常带来一个无法解决的问题，展成运动中工件作等速转动，按渐开线展成原理，齿根部齿廓展成速度较慢，齿顶部齿廓展成较快，这样就造成了齿轮顶部齿面粗糙度大，表面质量差。由定速比传动链完成的展成运动在齿根处展成速度较慢而在齿顶处较快，这一矛盾是无法克服的。大家知道，在渐开线齿轮传动中，齿顶与齿根在相互啮合传动时，存在着沿齿廓方向的相对滑动，而最大滑动速度正好发生在齿顶与齿根啮合时，因而粗糙的齿顶表面会造成很大的摩擦损失，摩擦功转换成热量使摩擦面温度上升，会降低润滑油粘度致使润滑作用失效，在高温（瞬间闪现温度）、高压下，常使齿面产生刮伤或胶合失效。这会大大降低传动效率和缩短齿轮工作寿命。为了解决上述问题，本发明的特征在于采用一条长度可控制的窄带磨削接触区沿齿廓方向往复运动，形成连续的齿廓曲面，又可以保证包络速度比较均匀或按实际需要对齿廓任何一点包络速度进行调节和控制。所设想的机床所采用两个磨轮分别磨削齿的两面，运用这种单齿面磨齿方法可对轮齿两齿面加工质量和精度要求区别对待。因为绝大多数传动齿轮是单向传动的。担任主要传动任务的仅为轮齿的一侧面，因此应该对齿的两侧齿面提出不同的加工质量和精度要求。但由于现有齿轮加工方法中，齿轮工具（如双锥面砂轮、蜗杆砂轮）都是采用无齿侧间隙方式同时加工轮齿的两侧齿面，根本无法对两齿侧面加以区别对待。更有甚者，当用展成法同时磨削轮子齿两齿侧面时，由于磨轮工作面与轮齿两侧齿面同时磨削的接触点位置是经常不对称的，因而两边磨削力的大小和方向也是不同的，这种不均衡的变化极大地影响了磨齿精度。特别是对于大型齿轮，加工总面积很大，如对两齿侧面不加区别，则实际上有一半加工表面积是超过实际需要质量要求的，这就违背了经济原则。本发明的技术方案充分地考虑了这一因素，采用对齿面两侧分别加工的方法，既能满足实际要求，又减少了加工工作量，从而可带来很大经济效益。

综上所述，与现有磨齿机相比，本发明的磨齿机具有下述明显技术优点：

1.机床采用新的加工原理使机床避免采用传统的冗长的精度要求很高的展成运动机械传动链，从而极大地简化了机床结构，易于制造，便于达到较高的制造和装配精度。

2.采用了结构简单易于制造的先进静压技术，使主要运动部件在完全润滑条件下运动，并且具有很高的运动精度，也有很高的承载能力（如工作台、摇台等），又由于运动件几乎没有摩擦和磨损，因而不仅机械效率高而且工作寿命长，有很高的精度保持性，也免去了经常的维修工作量。

3.机床结构不受工件直径增大的限制，机床尺寸、重量也不会随工件直径增加而成比例地增大，机床实际工作部分尺寸仅仅与齿轮模数大小有关，从而可大大减少机床的总重量，又便于拆卸和安装，对特大型齿轮的加工可让机床运往齿轮装配现场进行就地加工。

4.本机床实现了工件在位检测，不需卸下工件就可随时检测工件加工精度，检测结果又为机床的精确调整提供了可靠的指导性数据，从而为提高齿轮加工精度创造了条件。因此整个机床构成了加工与检测配套的完整工艺系统。

5.齿轮齿面由磨轮端面作为切平面包络而成，磨轮和齿廓的接触为一条长度可以控制的窄带磨削接触区，它沿齿廓方向往复运动可形成连续的齿廓曲面，避免了传统磨齿时在齿面上产生的棱度。又由于包络速度可以任意调整，解决了传统展成加工法中齿根展成速度慢而齿顶展成速度快而无法克服的矛盾。

6.对齿廓的包络速度可以很容易地通过微机进行控制和调节，这样就可以在不影响生产率的情况下，降低齿廓齿顶表面的粗糙度，又可避免磨削烧伤和由此产生的磨削裂纹，降低表面残余拉应力，从而保证了齿面的表面完整性，有利于提高齿轮的工作寿命和可靠性。

7.可以比较容易地满足轮齿的修形要求，这可通过微机输入相应修形参数来实现，不用专门制作样板或靠模去修整磨轮工作面，因此对磨削修形齿廓具有很好的柔性。

8.新磨齿机可对轮齿两侧面分别加工，可提高主要工作面的精度，同时亦可适当降低次要工作齿面的精度，故可区别对待，从而可提高磨齿生产率，获得较好的经济效益。

图1：本发明的工作原理图。其中：〔5〕-磨轮。

图2：本发明中磨齿机选取座标原点的优化程序框图。

图3：本发明磨齿机结构示意图的主视图。其中：〔1〕-立柱;〔2〕-横梁;〔3〕-步进电机;〔4〕-磨头;〔5〕-磨轮;〔6〕-工作台;〔7〕-摇台;〔8〕-扇形导轨;〔9〕-径向床身;〔27〕摆动枢轴。

图4：本发明磨齿机结构示意图的侧视图。

图5：本发明磨齿机结构示意图的俯视图。

图6：本发明中实现磨轮轴向移动的结构示意图。其中：〔10〕-精密滚珠丝杠螺母机构;〔11〕-楔块机构;〔12〕-磨头主轴。

图7：磨头结构示意图。其中：〔13〕-推力静压轴承;〔14〕-径向静压轴承;〔15〕-节流器兼端盖;〔16〕-皮带轮。

图8：本发明中组合式磨轮结构示意图的主视图。其中：〔17〕-磨块;〔18〕-磨轮基体。

图9：本发明中组合式磨轮结构示意图的剖视图。

图10：本发明中摇台底面油腔分布图。

图11：本发明的工件齿轮分度机构示意图的主视图。其中：〔19〕-分度仪（带光电准直仪或光电对准装置;）〔20〕-平面反射镜;〔21〕-分度仪桥式梁;〔22〕-圆立柱。

图12：本发明的工件齿轮分度机构示意图的俯视图。

图13：精度检测系统示意图。其中：〔23〕-周节检查仪;〔24〕-齿形检查仪;〔25〕-齿向检查仪;〔26〕-径向支架。

图14：目前世界上采用展成法磨齿形成齿面过程的示意图。

图15：本发明采用平面包络法磨齿形成齿面过程的示意图。

本发明新型磨齿机床主要由以下主要部件组成（参看附图3、4、5）。

1.工作台〔6〕，它既是工件齿轮的支承和定位部件又是精度检测的回转工作台。

本发明工作台的特征在于在磨齿过程中是固定不动的（由夹紧机构夹紧）。这对于提高齿轮的加工精度，特别是分齿精度至关重要。在每磨完一齿后作分度回转运动。工作台的回转由直流伺服电机通过行星传动齿轮系来驱动。为提高工作台的回转精度和减少它的转动阻力，特别是在低速或微动时，保证不出现爬行现象，以提高其定位精度，工作台的主轴采用静压轴承，端面支承件采用静压圆导轨。

2.磨头〔4〕安装在横梁〔2〕上，磨头左、右各有一个，分别磨削轮齿的两个齿面。磨轮〔5〕固定安装在磨头主轴上，主轴支承在两静压轴承上。步进电机〔3〕通过精密滚珠丝杠螺母副〔10〕和楔块机构〔11〕使主轴沿轴向作微小移动△R（参看附图6），最小移动步距为0.5μm。

磨齿时，首先将磨头在横梁上作水平移动，使磨轮端面与摇台〔7〕的摆动中心距（与枢轴〔27〕的距离）为R+S（S等于齿廓单边加工余量），然后将磨头夹紧在横梁上，即可进行磨齿。

附图6为磨头结构剖面图。

（1）、动力传递：由电机通过皮带传动带动主轴和磨轮〔5〕旋转产生切削运动。

（2）、轴向补充运动：由步进电机〔3〕→滚珠丝杠〔10〕→楔块机构〔11〕→推力轴承〔13〕→主轴〔12〕使磨轮〔5〕作轴向微量移动△R。

本发明构想的磨轮〔5〕采用组合式结构（参看附图8、9）。

目前一般磨齿机磨轮均采用悬臂配置，主要是为了使磨轮的装卸及调整方便，但这时磨轮的刚性差，对提高磨齿精度不利，在本发明的机床中磨头主轴采用双支承结构，这就大大提高了主轴刚度。磨轮〔5〕由金属基体〔18〕和磨块〔17〕组合而成，便于更换磨块。磨块工作面上还可开槽，实行间断磨削，使磨削液易于进入磨削区，以降低磨削区温度。本磨轮采用立方氮化硼磨料，这种磨轮的特点是磨粒硬度高，不易磨损，磨削力小，磨削温度低，磨削后工件表面完整性好。

3.横梁〔2〕是磨头〔4〕的支持部件，磨头〔4〕在其上可作水平移动（快速移动、机动或手动微调）以调节尺寸R（通过精密光栅尺数字显示）。横梁本身安装在立柱〔1〕上，并可沿立柱导轨作垂直移动。

4.立柱〔1〕是横梁〔2〕的支持件，它固定于摇台〔7〕上，摇台带着它可在摇台的扇形导轨〔8〕上摆动。

5.摇台〔7〕与立柱〔1〕固联在一起，它既是立柱〔1〕的支承件，又是形成包络运动的机构主件。摇台〔7〕可绕下面扇形导轨〔8〕的中心枢轴〔27〕摆动。摇台在枢轴处的轴承亦采用静压轴承以提高回转精度。摇台〔7〕用油缸驱动可实现磨轮进给运动的均匀变化（使齿顶处较慢，齿根处较快）、运动平稳并能实现无级变速。摇台摆动到两端位置时有缓冲机构和可调限位装置（如挡块）来限制摇台的摆动角。

摇台〔7〕在扇形导轨上的摆动也采用静压支承，摇台底面的油腔分布情况如附图10所示。图中字母相同的油腔是配对的，如A-A，a-a，……等，每一对油腔的供油压力用一个可调滑阀节流器连接。大写英文字母油腔如A-A，……等，用于调整摇台因为由立柱、横梁、磨头等组成的工作部分重心位置的变化以及磨削力的大小变化而产生的绕Y轴的偏转。小写英文字母油腔如a-a，……等则用于调整整个工作部份在磨齿时绕X轴的偏转。其目的在于使摇台在工作时保持在十分接近于一个理想水平面内摆动。

附图5表示机床顶视平面图，这时摇台处于最接近工作台中心的位置（磨小齿轮时）。摇台总共可摆动约45°角。

6.扇形导轨〔8〕是摇台〔7〕及其上层结构的支承件，它的上面有弧形和圆形（与摆动枢轴〔27〕同轴）平面导轨与摇台底面的油腔相对应。它的下面有导轨面支承在径向床身〔9〕上。

7.径向床身〔9〕是扇形导轨〔8〕的支承件。扇形导轨〔8〕可沿径向床身的导轨作径向水平移动，以调整摆动枢轴〔27〕的轴心相对于工件齿轮轴心的距离，以适应工件齿轮的大小和取得摇台〔7〕摆动的最佳位置。为了磨制较小的齿轮，径向床身〔9〕延伸到工作台的下面。

8.分度系统（参看附图11，12）主要由误差自动补偿钢球盘（专利号CN85101981）分度仪〔19〕（带有光电准直仪或光电对准装置）和固定于工件齿轮上的平面反射镜〔20〕组成。分度仪装在桥式梁〔21〕的下面。桥式梁可沿两根圆柱〔22〕作水平位置的高度调整，以适应不同尺寸的工件。必须指出，分度仪与工件齿轮的轴线的微小偏心误差丝毫不会影响分度精度和轮齿周节误差及周节累积误差。

9.精度检测系统（参看附图13）：由于目前尚无大于2000mm直径的齿轮检测仪，同时大型齿轮的高离机检测是不可取的。这是因为：（1）大型齿轮成本高，不允许报废，所以必须实现在位检测以保证加工精度。（2）齿轮离开机床进行精度检测若发现不合格时需要返修，这时工件重新安装到机床上，其定位精度很难保证。所以本机床采用工件在位检测方式，实现了机仪合一。附图13中A区为加工区，B区为检测区。检测系统主要由周节检查仪〔23〕、齿形检查仪〔24〕和齿向检查仪〔25〕组成。机床工作台就是检测系统的工作台。三台检测仪用可作径向移动的支架〔26〕来支持和固定以适应不同直径的齿轮测量。

检测周节误差时，工件作缓慢连续转动，带弹性支承的双触头测头作往复运动，逐齿测量处于同一半径位置上相邻两齿侧面。测量数据经微机处理后可自动打印出逐齿的误差值，同时经微机处理后可打印出周节最大误差值和周节累积误差值。齿形检查仪的特征在于采用本发明加工齿廓的同一工作原理，检测数据通过微处理机同样可自动打印或用图形显示。由于工件是直齿齿轮，所以齿向检测仪较易达到较高的测量精度。

根据需要在检测区还可安置双面啮合检查仪或单面啮合检查仪和齿面接触斑点检查仪。

根据本发明的工作原理将平面铣刀盘代替磨轮即可成为大型齿轮铣齿机，用直线刀刃的插刀加上适当的让刀机构也可成为插齿机床。

本发明的工作原理也同样可应用于中、小模数齿轮的加工机床。

Claims (4)

1、本发明是一种用平面包络法形成齿面的新型磨齿机，它由工作台[6]，径向床身[9]，扇形导轨[8]，摇台[7]，立柱[1]，横梁[2]和带磨轮[5]的磨头[4]，以及分度系统和精度检测系统所组成。其特征是在磨齿时，安装在工作台[6]上的工作齿轮是固定不动的，通过带有磨头[4]的摇台[7]绕一个与工件齿廓曲线相关的，位置经过优选的固定在扇形导轨[8]上的枢轴[27]的摆动来完成磨轮[5]端平面的包络运动；同时在包络过程中必须保持P=R±△R的数学关系，其中P为自枢轴[27]的轴线至磨轮[5]端平面的垂线长度，R为一常量，△R为一微小变量。这样，在齿廓包络过程中，在磨轮[5]端面绕枢轴[27]以定半径R作简单回转运动的同时，附加一个△R的补充径向移动。形成齿面的另一特点是使磨轮[5]的平面与齿廓有一段可控制的接触线长度，这样从齿的一端开始沿齿长方向逐段包络出全齿长。磨齿时横梁[2]夹紧在立柱[1]上，当磨轮经过几次往复摆动形成一段齿面后，横梁从立柱导轨上松开，使其沿立柱导轨垂直移动一段距离(小于接触线长度)，然后又夹紧，磨轮[5]即可再作磨齿运动，依次逐段磨完全齿宽。若在齿长方向逐渐微量半径R的值，即可实现沿齿长方向的齿面修形。

2、如权利要求1所述的磨齿方法，补充运动△R是通过数控系统来实现的。按照给定的齿廓曲线及其加工精度要求，通过离散化计算，可求得一系列与任意摆动角θ_i相对应的△R_i。装在摇台〔7〕上与枢轴〔27〕同轴的光栅编码器，按摇台摆动角θ_i的大小发出信号，通过预先输入微机的数据△R_i，发出一定的脉冲数控制步进电机〔3〕转动，经过滚珠丝杠〔10〕推动楔块机构〔11〕使磨轮〔5〕得到微小的补充轴向移动△R_i。采用计算机辅助设计优化方法，可选定枢轴〔27〕轴线相对于工件齿轮的座标位置和定半径R值，优化条件是使包络出的齿廓按精度要求达到最佳条件。优化程序框图见附图2。

3、如权利要求1所述磨齿方法将平面铣刀盘代替磨轮即可成为大型齿轮铣齿机，用直线刀刃的插刀加上适当的让刀机构也可以成为插齿机床。

4、如权利要求1所述磨齿方法的工作原理，也同样可应用于中、小模数齿轮的加工机床。

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