环形蜗杆磨削机床开题报告

开题报告

一，综述

磨床是金属切削机床的一个重要分支，随着加工精度的逐渐提高，磨床需求将逐渐增长。“十五”期间主要开发的产品有：数控外圆磨床（含端面外圆磨）、数控凸轮轴磨床、数控曲轴磨床、数控轧辊磨床、数控齿轮磨床、数控双端磨床、数控平面磨床、数控无心磨床及大量的各类专用磨床。

环面蜗杆传动的蜗杆齿面是不可展的螺旋面，根据齿面成形方法的不同，环面蜗杆可以分为直廓环面蜗杆，平面包络环面蜗杆，锥面包络环面蜗杆和渐开面包络环面蜗杆等四种类型。

环面蜗杆作为传递运动和动力的介质,具有传动比大、承载能力强、传动平稳、低噪声、自锁性等优点,得到了日益广泛的应用。环面蜗杆副传动,是多齿双线接触,齿面诱导法曲率较小,接触应力小;润滑角接近90°,有利于齿面间的弹性流体动力润滑;是一种承载能力大,使用寿命长,传动效率高的传动装置。

1、研究意义

蜗轮蜗杆传动是机械传动的基础件，是用来传递空间交错轴的运动和动力的运动机构，属于齿轮传动的范畴，其传动平稳，振动、冲击、噪声均很小，传动速比大，应用广泛，是机械传动的一种主要形式，它具有传动比范围宽(通常一级传动比即可达5一100)、结构紧凑、体积小、、运动平稳、噪声低等优点。此外，在运动传动中，它具有对传动系统上游误差缩敛作用，因而除被广泛应用于作动力传动外，一直是机床及精密仪器精密圆分度机构的首选部件，所以国内外许多机械韦糙厂和使用单位都非常重视对其的研究应用和发展。

环面蜗杆的磨削加工对蜗杆的精度、强度等都有着重要意义。在平面二包传动中，需要一一对应制作蜗轮滚刀，限制了该传动的广泛应用。车削成形的渐开线包络环面蜗杆的一包传动已经具有优良的性能，若能解决其环面蜗杆齿面的磨削问题，将使该传动的性能得到进一步提高。所以发展并改进环面蜗杆磨削机床势在必行。

另一方面, 目前国内许多厂矿加工环面蜗杆大都采用改装滚齿机或普通车床的方法,很少采用专用机床,对于设计简单经济的数控环面蜗杆磨床;具有不言而喻的优越性.

2、研究现状和成果

（1）、国外研究现状和成果

直齿平面蜗杆传动是由美国格里森公司wildharber 于1922 年发明的，适用于大传动比场合;斜齿平面蜗杆传动是由日本的佐藤于1952 年发明的，适用于中、小传动比，最小传动比i= 10。该平面包络蜗杆的形成过程称为第一次包络，如果以此包络环面蜗杆为产形轮再展成一个蜗轮， 其过程称为第二次包络;平面包络环面蜗杆与由它展成的蜗轮构成的传动，称为平面二次包络环面蜗杆传动(曾称SG- 71 型蜗杆传动)。

现在有很多四轴、五轴联动的环面蜗杆数控机床在国外使用。如美国德拉克公司五轴联动蜗杆磨床、美国（格里森）公司的TAG400蜗杆砂轮磨齿机、日本Kashifuji公司的KF200蜗杆砂轮磨齿机、日本OKMOTO公司的SHG400蜗杆砂轮磨齿机等。

（2）、国内研究现状和成果

1960 年左右，首钢公司开始在很多冶金设备上装备了各种规格的直廓环面蜗杆副和普通圆柱蜗杆等重载蜗杆减速器，由于普通圆柱蜗杆寿命短、易损坏， 而直廓环面蜗杆无备件，直接影响了冶金企业的连续生产。1970 年～1971 年，首钢机械厂张德华等同志在总结研制直齿平面蜗杆副的经验基础上，先后解决了两项关键问题，一是利用旧皮带车床改装出一台能加工中心距250mm 的环面蜗杆专用车床，一是设计制造出专用磨头。1971 年， 在制造斜齿平面蜗轮副的基础上，制造了我国第一套平面二次包络环面蜗杆副。

冶金部和北京市于1971 年命名这种蜗杆副为“首钢(SG) —71 型蜗杆副”；1979 年获得国家科委颁发的“二等发明奖”；几乎与首钢的发明同时，日本出现过与之相同的技术，但没有象首钢是在1971 年就制造出产品。

1985 年为了解决多头小速比蜗杆传动， 在北京冶金设备研究所合作下，首钢机械厂又研制成功了锥面包络环面蜗杆传动磨削装置，并获国家专利，产品获北京市科技进步奖。平面包络环面蜗杆传动在我国问世以后，受到各方面的重视，许多高等院校、科研单位、工矿企业开展了对这种传动的研究、实验和试制工作，取得了很大成果。

1993 年首钢机械厂与重庆大学合作进行了锥面包络环面蜗杆失配啮合传动的研究， 该研究解决了包络环面蜗杆对制造误差的敏感性， 消除由制造误差造成的齿面边缘接触，以期获得对制造误差的不敏感，易于加工装配，经短期运行后能实现理想接触的新型环面蜗杆传动。

在精度检测方面，首钢机械厂与成都工具研究所于1989 年合作研制成功蜗杆精度测量仪，可以实现蜗杆分头误差、运动误差、螺旋线误差、周节累积误差、接触斑点等项目的检测。

平面二次包络环面蜗杆传动是在美国＂Cone\蜗杆（俗称球面蜗杆）和美国的威氏蜗杆及日本东京工业大学佐藤申一教授改进的＂斜平面蜗轮＂的基础上发展而来的。1974年由重庆大学与首钢机械厂合作研究，1976年正式获得成功，并公开发表。该传动比国际王牌产品美国＂Cone Drive\性能工艺性更好，蜗杆齿面可以用常规方法淬火并用砂轮磨削。蜗轮滚刀可以制作和重磨，蜗轮可以用滚刀直接滚切，不需人工铲刮，啮合质量高。再之，由于该蜗轮副齿面啮合瞬时呈双线接触，接触点的法向速度大，综合曲率半径大，接触应力小，易形成油膜，具有承载能力大、效率高，使用寿命长、好制造四大优点。经美国＂Cone Drive\公司测试承载能力为他们相应产品的2.2倍。在经济导报出版的《世界制造技术与装备市场》中被誉为“当代最优越的蜗杆传动”。

二、研究内容

1、研究方向

设计一个加工环面蜗杆的专用机床，完成环面蜗杆磨削机床总装、主轴及工作台系统结构设计；能够加工工件最大长度600mm，最大直径120mm，转速6~20rpm，模数2~8。要求砂轮转台直径不小于500mm，在已有的磨削机床上应用数控技术，解决环面蜗杆加工中存在的问题。

2、研究内容

环面蜗杆在工业中发挥着越来越重要的功能，而加工蜗杆的设备起着重大的作用。在研究传统加工环面蜗杆磨床的基础上，提出了一种由伺服电机控制主轴和回转台，实现联动的数控磨床，对环面蜗杆进行磨削加工。围绕这个任务，本课题主要完成以下几方面的内容：

（1）、机床总体结构设计

首先设计整体框架结构，通过计算分析，运动及受力分析，强度及尺寸计算，保证整体刚度和强度，以及稳定性，经济合理适用，画出总体装配图。以下提供了数控近代专用机床基本结构示意图，如图1所示。

机床总体布局是采用整体底座和床身，床身前端安装主轴箱，床身中部安装工作台，床身后端安装尾座，蜗杆副安装在工作台底部，中部回转工作台上安置砂轮。根据各部件间的运作要求，该数控磨削机床的总体方案可有以下两种可供选择：

单导轨副机床 ：主轴箱、回转工作台、尾座均分布在同一导轨副床身上。

双导轨副机床 ：主轴箱和尾座分布在其中一个导轨副上，而回转工作台单独置于另一导轨副上。横向和纵向进给、主轴的回转以及回转工作台的旋转。均由独立的伺服电机驱动，回转工作台和工件也就是主轴的联动由数控编程实现。

1. 大拖板 2. 小拖板 3. 工用台 4、5. 小拖板 6. 动力磨头

图1数控近代专用机床基本结构示意图

（2）、主轴系统结构设计

主轴是数控机床的重要部件之一。它的回转精度，影响工件的加工精度；它的功率大小与回转速度，影响加工的效率；它的自动变速，影响机床的自动化程度。

主轴的结构，根据数控机床的规格，精度而采用不同的主轴轴承而异。

设计主要解决的问题是在保证技术要求的前提下，尽量使结构简化，保证经济实用性。 设计主轴尺寸及传动装置。画出主轴装配图。

（3)回转工作台结构设计

工作台是数控机床的重要部件。其形式尺寸往往表征数控机床的规格和性能。工作台的形式采用数控回转式，以便达到加工环面蜗杆的要求。

数控回转工作台的功能有：使工作台进行圆周进给，以完成磨削工作，并使工作台进行分度。数控回转工作台的结构（见图2）特点有：

没有鼠牙盘和定位销，其定位精度完全由控制系统决定。

开环系统中的数控转台的传动系统、间隙消除装置及蜗轮夹紧装置等组成。数控转 台接到回转指令后，首先松开蜗轮，然后按指令的方向速度位移量回转，最后将蜗轮夹紧定位。

图2 平面包络蜗杆加工原理图

机床采用整体底座和床身，床身前端安装主轴箱，床身中部安装有工作台，床身后端安装尾座，蜗杆副安装在工作台底部。减小了机床整体尺寸，提高了加工工艺性， 又保证了机床具有足够的强度和刚度。从根本上解决了环面蜗杆发展的一大障碍。另外，对于环面蜗杆来说，它两端入口出口处的齿轮比较薄，若单纯靠机械实现整个蜗杆的磨削还是比较困难的，所以用数控来解决这个问题，更好更方便地实现了环面蜗杆的磨削加工。

成果形式：总体装配图一张；主轴系统装配图一张；砂轮回转工作台装配图一张；机架、箱体、轴、齿轮类零件图若干涨。英文翻译5000汉字；调研报告、开题报告5000字；设计说明书：包括总体结构设计、机构原理，结构方案，运动及受力分析，强度及尺寸计算。

3、技术要求

⑴．工件最大长度600mm，最大直径120mm，转速6~20rpm，模数2~8。 ⑵．砂轮转台直径不小于500mm。

⑶．主轴转动由交流伺服电机驱动，砂轮转台回转由伺服电机驱动，砂轮转台移动由人工驱

动。主轴与转台的联动由数控系统实现。

三、实现方法及预期目标

1． 实现方法

原理分析：

(a) (b)

图3环面蜗杆形成原理

(1).环面蜗杆形成原理

由环面蜗杆的形成原理可知,蜗杆绕其轴心线O1以角速度ω1自转,同时,在其轴心线平面内直线L 以角速度ω2绕O2旋转,直线L在空间形成包络迹面,即环面蜗杆的螺旋齿面。当螺旋齿面的母线为直线时,是直廓环面蜗杆(见图3 ( a) ) ,称为球面蜗杆或圆弧面蜗杆;当螺旋齿面的母线是平面时,称为平面包络环面蜗杆(见图3 ( b) ) ,简称包络环面蜗杆。

环面蜗杆副传动,是多齿双线接触,齿面诱导法曲率较小,接触应力小;润滑角接近90°,有利于齿面间的弹性流体动力润滑;是一种承载能力大,使用寿命长,传动效率高的传动装置。直廓环面蜗杆用直线刀刃车刀加工而成,其轴向截面齿廓为直线,是不可展直纹面,难以用砂轮作符合形成原理的精确磨削加工。因此,蜗杆齿面淬火后,无法进行齿面磨削,影响其制造精度和使用寿命。平面包络而形成的平面包面包络蜗杆,可进行热处理淬火后精确磨削。所以,国内许多厂矿普遍采用平面包络环面蜗杆。近几年出现用锥面砂轮精磨蜗杆一侧螺旋面或用双锥面砂轮精磨蜗杆齿槽两侧螺旋面现象,前者称锥面包络环面蜗杆,后者称双锥面包络环面蜗杆。笔者讨论的专用机床,是以包络环面蜗杆加工原理为基础进行的。

图4加工环面蜗轮副磨床的基本运动

(2).环面蜗杆磨床的运动分析

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