環面蝸桿加工方法的研究

黃應勇

（柳州職業技術學院，廣西 柳州 545006）

環面蝸桿加工方法的研究

黃應勇

（柳州職業技術學院，廣西 柳州 545006）

首先介紹了環面蝸桿的形成原理，然后介紹加工環面蝸桿機床應具備的基本運動、傳統加工環面蝸桿的方法；最后介紹應用兩軸數控車床加工環面蝸桿的方法。

環面蝸桿；加工方法；數控車床

環面蝸桿（如圖 1所示）具有較高的承載能力和較長的使用壽命，廣泛用于冶金工業、石油化工工業、輕工工業、造船工業、兵器工業、建筑工業、通用機械[1]等各機械行業當中，環面蝸桿與圓柱蝸桿比較有如下特點：（1）蝸桿包圍蝸輪，同時參與工作的蝸輪齒數多（一般是圓柱蝸桿傳動的2～3倍），有較大的重合度；（2）環面蝸桿傳動的接觸形式有利于共軛齒面間動壓油膜的形成，具有良好的潤滑狀態，磨損小，傳動效率高；（3）最小接觸長度增大，傳動誘導曲率半徑大，故共軛齒面間接觸應力明顯減小；（4）與承載能力相同的圓柱蝸輪蝸桿相比其體積更小，所占的空間小，在設計選型中更方便應用于各機械行業。鑒于以上的特點，環面蝸桿廣泛用于承載能力大，傳動效率要求高，工作要求平穩，振動較小的機械中，因為環面蝸桿的加工難度較大，這就制約了環面蝸桿的廣泛使用。因此本文討論應用二軸數控車床來加工環面蝸桿的方法。

圖1　環面蝸桿結構示意圖

1 環面蝸桿加工方法

1.1環面蝸桿形成原理

環面蝸桿的形成原理，如圖2所示，蝸桿繞其軸心線O1以角速度ω1自轉，與此同時在其軸心線平面內直線L以角速度ω2繞O2回轉，直線L在空間形成的包絡軌跡面，就是環面蝸桿的螺旋齒面。當螺旋齒面的母線是直線（或平面曲線）時，此為直線齒弧面蝸桿（常稱球面蝸桿）；當螺旋齒面的母面是平面（或曲面）時，則為平面齒包絡弧面蝸桿（簡稱包絡蝸桿）。直線齒弧面蝸桿難以用砂輪做成符合形成原理的精確磨削。因此，當蝸桿齒面淬火后，無法進行齒面磨削，影響其制造精度。包絡蝸桿是由平面包絡而成的，只要母面選擇得當，便可方便地對蝸桿齒面進行精確磨削，從而提高蝸桿蝸輪副的傳動精度。由于包絡蝸桿可以進行熱處理淬火后精確磨削，國內大部分廠礦都采用包絡弧面蝸桿。

圖2　環面蝸桿形成原理

1.2加工環面蝸桿應具有的基本運動

不管采用何種加工方法，根據環面蝸桿的形成原理，加工環面蝸桿的機床要有以下基本運動[2]（見圖 3）：（1）被加工環面蝸桿的旋轉運動ω1，即為機床的主切削運動。（2）刀架旋轉運動ω2，當環面蝸桿以ω1旋轉時，刀盤要以ω2速度相進行旋轉，且ω1和ω2之間應有準確的傳動比，即u=ω1/ω2=Z2/Z1，Z1為環面蝸桿的線數，Z2為蝸輪的齒數，被加工環面蝸桿和刀盤的旋轉方向應符合蝸桿蝸輪副的嚙合關系。ω1和ω2也可稱為齒廓形成運動或展成運動，ω1由主電動機來控制，ω2由進給伺服電動機來控制。（3）橫向切入運動為S1，即X軸進給切入運動。（4）調整運動S1、S2，分別用來調整刀具與蝸桿的縱向、橫向位置。

圖3　加工環面蝸桿機床基本運動

1.3常采用的加工環面蝸桿方法

目前國內加工環面蝸桿的方法[3]有：在經過改裝的普通車床或滾齒機上加工。基本上不采用專用數控機床來加工。

（1）用經過改裝的普通車床加工環面蝸桿的方法。具體改裝方法是：將原小拖板及轉盤拆掉，在中拖板上裝一個回轉刀架，刀盤裝在回轉刀架上，在大拖板后端面加裝一減速箱，還要配裝一個掛輪架，掛輪架固定在床身左端，分齒運動由主軸前端大齒輪經掛輪架上的掛輪、減速箱、蝸輪蝸桿帶動回轉刀架旋轉。被加工環面蝸桿裝在主軸頂尖與尾座上的頂尖之間，由主電機通過主軸帶動旋轉；如被加工環面蝸桿參數有所變化，僅需更換掛輪齒輪就能滿足加工要求。回轉刀架的縱向調整運動通過調整機床大拖板左右移動來實現，回轉刀架的橫向進給運動由機床中拖板進給運動來實現。由于普通車床的主軸最低的速度一般是14r/min，而加工環面蝸桿一般需要 4r/min，故在主電機與床頭箱這間還要加裝一減速箱，才能滿足加工需要。這種加工方法改造機床工作量大，使機床整體結構復雜化。

（2）用滾齒機加工環面蝸桿的方法。首先滾齒機具有加工環面蝸桿所需要的各項基本運動，但是，滾齒機不能用來直接加工環面蝸桿，因為其切削過程的一些相對運動操作及調整不適合加工環面蝸桿，要用其加工環面蝸桿，必須對其進行一定的技術改造。而且還要將環面蝸桿毛坯安裝在滾齒機刀架上，刀盤裝在滾齒機工作臺上才能加工環面蝸桿。這種加工方法改造機床工作量不大，機床整體結構變化也不大。

以上兩種加工環面蝸桿的精度都不太高，其加工精度存在不能解決的缺陷，因為優良的環面蝸桿傳動要以較高制造精度與安裝精度來保證，隨著數控機床成為現代制造業中不可缺少的加工設備，環面蝸桿的數控加工方式[4]將會替代傳統的加工方式。

2 應用兩軸數控車床加工環面蝸桿方法

具備一定基本運動關系的專用數控車床才能加工環面蝸桿[5]，兩軸數控車床只有X軸與Z軸，不具備加工環面蝸桿所需要的基本運動關系，因此對其必須進行必要的改裝設計，否則無法滿足加工環面蝸桿。

具體改裝方法是：將原機床電動四方刀架拆掉，在中拖板上裝上一個特制數控回轉刀架，刀盤裝在特制數控回轉刀架上，把原控制Z軸運動的數控裝置用于控制特制數控回轉工作臺，且大拖板的左右位置運動改為手動調整，被加工環面蝸桿裝在機床主軸頂尖與后頂尖之間。被加工環面蝸桿參數改變了，只需改變編程參數就能滿足加工要求。特制數控回轉工作臺的縱向位置調整運動由大拖板手動調整移動來實現，回轉工作臺的橫向進給運動由X軸進給運動來實現。

特制數控回轉工作臺如圖 4所示，該裝置用于兩軸數控車床上，并經一定電氣線路改接，把Z軸的控制用于此裝置的回轉控制。伺服電動機1帶動同步帶輪7運動，同步帶輪7通過同步帶6帶動同步帶輪5運動，同步帶輪5帶動轉盤3轉動，轉盤 3帶動裝在刀具夾持器上的車刀轉動，即可加工環面蝸桿。調整螺釘用于調整車刀的旋轉半徑以滿足加工要求。

圖4　數控回轉工作臺原理示意圖

3 結語

多軸數控車床且要帶有回轉刀盤的設備才能加工環面蝸桿，但是這種設備的投入大，很多企業都沒有這種多軸數控車床。

因此，應用兩軸數控車床加工環面蝸桿尤其重要。由于采用高精度、低摩擦的滾珠絲桿作為主要傳動件及采用靈敏的伺服電動機驅動作為控制，且傳動路線短，可大大提高加工機床的控制精度；在數控回轉刀架裝上刀具，可對環面蝸桿進行粗加工、半精加工；在數控回轉刀架上裝精密磨削頭，可磨削經淬火后的環面蝸桿齒面，這樣可對環面蝸桿進行精加工，因而大大提高這種環面蝸桿的制造精度。應用兩軸數控車床加工環面蝸桿因設備投入少，所以還能大大降低環面蝸桿的加工成本，使環面蝸桿能更廣泛地應用于各行機械行業當中。由此可見，應用兩軸數控車床加工環面蝸桿具有很好的使用價值，可為廣大機械工程設計人員及技術人員提供一種加工環面蝸桿的方法及參考使用。

[1] 齊麟.蝸桿傳動設計[M].北京:機械工業出版社,1987.

[2] 顏松樺,張迎衛,顏柏樺.環面蝸桿加工專用數控機床設計研究[J].機械研究與應用,2006,19(3):25-26.

[3] 杜厚金.平面二次包絡環面蝸桿傳動制造工藝[M].成都:四川科技出版社,1988.

[4] 趙近宜,管文華.弧面蝸桿加工數控專用機床設計[J].現代制造工程,2005, (5):139-140.

[5] 張建鋼.數控技術[M].武漢:華中科技大學出版社,2000.

Study of annulus-worm and its processing method

In this paper, the forming principle of the annulus-worm is introduced, then the basic movement of the machine tool for the machining of the annulus-worm and the method of traditional machining annulus-worm is introduced. Finally, this paper introduced the application of two axis CNC lathe machining annulus-worm method.

Annulus-worm; processing method; CNC machine

TG71659

A

1008-1151(2015)12-0046-03

2015-11-10

黃應勇（1962-），男，廣西賓陽人，柳州職業技術學院高級工程師，研究方向為數控機床應用技術。