車削R弧球道輔具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉井剛

（五礦礦業(yè)安徽開(kāi)發(fā)礦業(yè)有限公司，安徽 六安 237462）

車削R弧球道輔具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉井剛

（五礦礦業(yè)安徽開(kāi)發(fā)礦業(yè)有限公司，安徽 六安 237462）

車削大直徑R弧球道輔具的設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)計(jì)一套單級(jí)圓柱蝸桿、蝸輪減速器，采用手動(dòng)控制以實(shí)現(xiàn)在空間交錯(cuò)的兩軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，使刀具與蝸輪同步旋轉(zhuǎn)達(dá)到車削圓弧的目的。

大直徑球道；幾何尺寸；結(jié)構(gòu)尺寸；表面光潔度

1 緒論

在工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械加工過(guò)程中，加工如圖1所示大直徑環(huán)行軌道的R球道時(shí)，很難保證加工弧面的形位公差以及表面粗糙度。

圖1 環(huán)形

成形車刀是主要加工回轉(zhuǎn)體零件內(nèi)、外成形面的專用刀具，其切削刃形狀根據(jù)所加工零件的輪廓形狀設(shè)計(jì)制作，并由它將零件的輪廓形狀一次加工成形。 當(dāng)車削小直徑球道回轉(zhuǎn)零件時(shí)一般采用普通的成形車刀加工，溝道曲率半徑R在20mm以下時(shí)，較易滿足對(duì)車削加工工藝的要求，而對(duì)于R＞20mm的球道，由于加工中成形車刀工作刀刃加寬，切削阻力增大從而使成形車刀產(chǎn)生自激振動(dòng)，切削力大也容易使刀架、軸承及其他結(jié)合件之間產(chǎn)生間隙，降低機(jī)床工藝系統(tǒng)的剛度，引起切削狀態(tài)的波動(dòng)，且成型表面達(dá)不到技術(shù)指標(biāo)要求，顯然成形車刀已無(wú)法完成切削大直徑球道的加工。為了解決這一生產(chǎn)中的難題，綜合機(jī)械加工輔具設(shè)計(jì)要素分析，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出了R弧球道加工輔具。如圖2所示。

圖2

2 工藝過(guò)程分析

蝸桿為連續(xù)的螺旋齒，與蝸輪嚙合過(guò)程是連續(xù)的，因此蝸桿、蝸輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)平穩(wěn)，當(dāng)蝸桿導(dǎo)程角γ小于輪齒間的當(dāng)量摩擦角ρ′時(shí)，蝸桿具有可靠的自鎖性，這時(shí)只能以蝸桿為主動(dòng)件帶動(dòng)蝸輪傳動(dòng)，而不能由蝸輪帶動(dòng)蝸桿運(yùn)動(dòng)。車床加工工件要求傳動(dòng)平穩(wěn)，以獲得較高的表面成型及表面光潔度，因此選用蝸桿、蝸輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)制作加工輔具傳動(dòng)平穩(wěn)，容易獲得較高的表面質(zhì)量。根據(jù)蝸桿形狀的不同可分圓柱蝸桿傳動(dòng)，環(huán)面蝸桿傳動(dòng)。圓柱蝸桿傳動(dòng)主要有普通圓柱蝸桿傳動(dòng)和圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)，普通圓柱蝸桿傳動(dòng)又分為阿基米德蝸桿、漸開(kāi)線蝸桿、法向直廓蝸桿。根據(jù)各種形式蝸桿的綜合性能分析采用阿基米德蝸桿較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

3 零件主要參數(shù)分析確定和幾何尺寸的計(jì)算

（1）蝸桿、蝸輪的材料選擇。蝸桿采用45#鋼，調(diào)質(zhì)處理；蝸輪齒圈采用ZcuAL10Fe3；輪芯軸采用45#鋼調(diào)質(zhì)處理。

（2）確定蝸桿、蝸輪傳動(dòng)比i，蝸桿頭數(shù)z1和蝸輪齒數(shù)z2。由于該輔具在實(shí)際操作使用上要求具有自鎖性，當(dāng)蝸桿頭數(shù)z1＝1時(shí)自鎖性較好，因此選蝸桿頭數(shù)z1＝1。該蝸桿、蝸輪傳動(dòng)，采用手動(dòng)旋轉(zhuǎn)控制進(jìn)給量，要求傳遞大的轉(zhuǎn)矩且車削表面光潔度要高，所以z2盡量取大值。蝸輪齒數(shù)z2的多少，影響運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，并受到兩個(gè)限制：最少齒數(shù)應(yīng)避免發(fā)生根切與干涉，理論上應(yīng)使z2min≥17，當(dāng)z2＜26時(shí)，嚙合區(qū)顯著減小，影響平穩(wěn)性，而在z2≥30時(shí)，則可始終保持有兩對(duì)齒以上嚙合，因此通常選z2＞28。另一方面蝸輪齒數(shù)z2也不能過(guò)多，當(dāng)z2＞80時(shí)(對(duì)于動(dòng)力傳動(dòng))，蝸輪直徑將增大過(guò)多，在結(jié)構(gòu)上相應(yīng)就須增大蝸桿兩支承點(diǎn)間的跨距，影響蝸桿軸的剛度和嚙合精度；由于使用條件有要求,蝸輪直徑小于100mm，如z2取得過(guò)多，模數(shù)m就越小，將影響輪齒的彎曲強(qiáng)度；因此選蝸輪齒數(shù)z2=30。

因此該蝸桿、蝸輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比即確定：傳動(dòng)比為i=z2/z1=30/1=30。

（3）確定蝸桿、蝸輪的模數(shù)m和壓力角α。在中間平面中，為保證蝸桿蝸輪傳動(dòng)的正確嚙合，蝸桿的軸向模數(shù)ma1和壓力角αa1應(yīng)分別等于蝸輪的法面模數(shù)mt2和壓力角αt2。 根據(jù)蝸輪輪齒齒面接觸強(qiáng)度查模數(shù)m標(biāo)準(zhǔn)值表確定：ma1=mt2=m=2，αa1=αt2=20°。

（4）確定蝸桿的分度圓直徑d1,蝸輪的分度圓直徑d2。由常用的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m和蝸桿分度圓直徑d1匹配表確定：d1=22.4mm由此計(jì)算得出d2=m z2=2×30=60。

（5）導(dǎo)程角γ 。蝸桿的形成原理與螺旋相同，所以蝸桿軸向齒距pa與蝸桿導(dǎo)程pz的關(guān)系為pz＝z1patanγ=pz／πd1＝z1 pa／πd1＝z1 m／d1＝2/22.4。

由此得出：導(dǎo)程角γ= 5.102°

設(shè)計(jì)要求導(dǎo)程角γ的范圍為3.5°～33°，經(jīng)過(guò)計(jì)算看出此設(shè)計(jì)符合要求。

4 傳動(dòng)總效率計(jì)算

5 蝸桿、蝸輪傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)分析及受力分析

（1）運(yùn)動(dòng)分析：如圖3所示。

右旋蝸桿為主動(dòng)，以200r/min速度回轉(zhuǎn)，蝸輪將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，n1，n2分別為蝸桿、蝸輪的轉(zhuǎn)速，V1，V2分別為蝸桿、蝸輪在節(jié)點(diǎn)C的圓周速度。滑動(dòng)速度Vs= V1/cosγ=πd1n1/60×1000 cosγ= 3.14×22.4×120/60×1000×cos5.102°=0.141m/s。查表蝸桿傳動(dòng)當(dāng)量摩擦角ρ′≈6.4°

圖3 蝸輪、蝸桿滑動(dòng)速度分析

圖4 蝸輪、蝸桿受力分析

（2）受力分析：如圖4所示。

作用在齒面上的法向力可分解為三個(gè)相互垂直的分力：圓周力Ft、徑向力Fr、和周向力Fa ，（T1、T2分別為作用在蝸桿、蝸輪上的轉(zhuǎn)矩單位N/mm）假設(shè)手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)在蝸桿上的作用力F為500N，

則 T1=FL=500×80=40000N/mm (L為手柄到蝸輪中心的力矩)

T2= T1 iη=40000N/mm×30×0.504=604800 N/mm

F t1=－F at2=2T1/d1=3571.4N

F a1=－F t2=2T2/d2=20160N

F r1=－F r2=F t2/ tana=55389.1N

經(jīng)計(jì)算看出：

（1）作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩604800 N/mm足以滿足切削進(jìn)給力。

（2）蝸桿導(dǎo)程角γ=5.102°小于輪齒間的當(dāng)量摩擦角ρ′=6.4°蝸桿具有可靠的自鎖性。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在5m立車上使用該輔具加工礦用濃縮機(jī)中心轉(zhuǎn)盤軌道零件，經(jīng)檢測(cè)完全滿足了加工技術(shù)指標(biāo)要求。實(shí)踐證明采用蝸桿、蝸輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)制作的輔具，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊且傳動(dòng)平穩(wěn),在普通車上，配套使用該輔具加工轉(zhuǎn)盤軌道，可以獲得高質(zhì)量的表面形位尺寸，表面光潔度可達(dá)到1.6um。該輔具適用于配合各種型號(hào)機(jī)床用來(lái)加工回轉(zhuǎn)體球道、球弧等，與3.5m或5m立車配合使用可滿足大型球溝道軸承的球道加工。

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TQ320.66+7

A

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