CN102513614A - 蜗杆副制造方法 - Google Patents

Abstract

一种蜗杆副制造方法，包括下列步骤：A、对平面二次包络环面蜗杆副进行优化设计和仿真，其步骤为：A1、输入蜗杆副的基本参数，中心距a、蜗杆头数z₁、蜗轮齿数z₂；A2、将前一步骤的数据导入目标函数公式进行参数计算，在所述目标函数计算过程中，采用复合形法的迭代和逼近，得出环面蜗杆副的几何参数以及工艺参数，所述几何参数和工艺参数为配套设置，其中，所述目标函数公式为：

其中，f(x)为目标函数，Ai为加权系数，ε为收敛系数，k为优化参数；A3、生成蜗杆的三维立体图形，通过所述蜗杆的三维立体图形来确认蜗杆没有根切和齿顶变尖；B、根据上述几何参数和工艺参数来分别加工制造所述蜗杆副的蜗杆和蜗轮。

Description

蜗杆副制造方法

技术领域

本发明属于机械传动范畴，涉及一种蜗杆副制造方法，尤其是一种平面二次包络蜗杆副的制造方法。本发明可应用于蜗杆传动装置，特别是宽厚板轧机的压下装置，对轧机的轧辊起压下作用。

背景技术

蜗杆传动是机械设备中常用的一种传动装置，其中的环面蜗杆传动具有承载能力大，传动效率高，使用寿命长的优点。通常，将中心距大于500mm的蜗杆副称为大中心距蜗杆副；蜗杆头数大于2的称为多头蜗杆副。

初期阶段，环面应用范围基本限制在原始型直线包络环面蜗杆，以倒坡修型为基本形式，修型就是有目的地按照一定规律改变环面蜗杆的齿厚，以提高蜗杆副性能(例如环面蜗杆副承载能力)的技术。长期以来，修型成为环面蜗杆加工制造的重要措施和改善环面蜗杆质量的关键技术。倒坡修型的依据完全是应用渐开线齿轮修形的理念，以减少蜗杆副啮合时因制造、安装的误差和受力、温升造成的变形所带来的不利影响，从提高传动的平稳性来提高承载能力。原始型的环面蜗杆的齿形特点是：在蜗杆的轴向截面内的齿廓为直线，在蜗轮分度圆的同心圆上的齿距、各齿齿厚相等。原始的环面蜗杆由于蜗轮齿面存在界限线，啮合区非常小，严重地限制了环面蜗杆能力的发挥。

“平面二包”蜗杆副是我国工程技术人员于上世纪70年代发明的一种新型的环面蜗杆副。它具有比原始环面蜗杆副和普通圆柱蜗杆副优异的性能。

现有“平面二包”蜗杆副在大传动比(传动比大于35)的条件下具有较好的性能，而在多头蜗杆(中小传动比)的情况下，如果参数不优化，性能会受到很大影响。除了受到根切和齿顶变尖因素的影响外，没有合理的齿面形状是其根本原因。国内探索采用其他形状的砂轮代替平面砂轮来磨削蜗杆，取得一定的进展，解决了根切和齿顶变尖的问题，可是，在提高承载能力方面并没有取得明显的进步。

近年来，虽然也出现了一些平面包络环面蜗杆设计及制造方面的技术文献，例如中国专利：ZL 200610023387.8一种用于环面蜗杆的三维实体建模方法；ZL200810101196.8硬齿面环面蜗杆渐开线齿轮副的环面蜗杆加工方法；ZL201020250672.5一种双锥面包络环面蜗杆数控磨床等，但依然没有根本上解决靠试验、经验设计蜗杆副，多头蜗杆副传动性能不稳定的问题。

以上原因造成了环面蜗杆设计制造困难，特别是大中心距、多头平面二次包络蜗杆副的设计制造工作。

在已有的环面蜗杆设计文献中，《机械传动》杂志2004年第6期中的文章《环面蜗杆修型的实质---兼论与渐开线齿轮修形的区别》<文章编号：1004-2539(2004)06-0048-04>提出了一种关于环面蜗杆修型的理论-曲率修型原理，本发明在此理论基础之上提供了一种蜗杆副的制造方法。

曲率齿形是根据大量试验、实践和深入理论研究而提出的一种先进的环面蜗杆齿形。它基于空间啮合原理，探索和发现了环面蜗杆相对运动方向的合理齿形，解决了平面二次包络环面蜗杆副的优化设计问题。可以大幅度提高“平面二包”蜗杆副的性能。根据对比实验，曲率齿形环面蜗杆与传统环面蜗杆相比，可以提高承载能力10～20％。

曲率修型原理的完整表述：

(1)环面蜗杆齿面相对运动方向的齿形是影响蜗杆副啮合性能的主要因素。

(2)环面蜗杆齿面相对运动方向的合理齿形曲线应是蜗杆齿面法曲率半径变化曲线。

(3)蜗杆齿形曲线的三要素(极值点、变化率和入口减薄量)直接影响接触线在蜗轮齿面上的位置。

发明内容

本发明的目的是，提供一种蜗杆副制造方法，以减少或避免前面所提到的问题。

具体是，本发明的目的是，提供一种蜗杆副制造方法，通过使其参数优化，从而使制造出的蜗杆副的性能得到提高。

本发明的技术方案包括下列步骤：

一种蜗杆副制造方法，包括下列步骤：

A、对平面二次包络环面蜗杆副进行优化设计和仿真，其步骤为：

A1、输入蜗杆副的基本参数，中心距a、蜗杆头数z₁、蜗轮齿数z₂；

A2、将前一步骤的数据导入目标函数公式进行参数计算，在所述目标函数计算过程中，采用复合形法的迭代和逼近，得出环面蜗杆副的几何参数以及工艺参数，所述几何参数和工艺参数为配套设置，其中，

所述目标函数公式为：

$\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{[f\left(x^{\left(0\right)}\right)-f\left(x^{\left(i\right)}\right)]}^2}\&le;\mathrm{\&epsiv;}$

其中，f(x)为目标函数，

$x=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_i{g}_i\left(k\right),(i=1,k=e_i;i=2,k=z_i;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;)$

Ai为加权系数，ε为收敛系数，k为优化参数；

A3、生成蜗杆的三维立体图形，通过所述蜗杆的三维立体图形来确认蜗杆没有根切和齿顶变尖；

B、根据上述几何参数和工艺参数来分别加工制造所述蜗杆副的蜗杆和蜗轮。

作为优选的实施方式，上述步骤B中，根据计算出的几何参数和工艺参数来加工制造所述蜗杆的加工的方法有中心距变位法、传动比变位法、变中心距法、变传动比法或复合法。

作为优选的实施方式，所述蜗杆的齿面在相对运动方向的齿形符合下面的条件：

de＝λdρ      λ≥0

上式中：

de——蜗杆齿面减薄量的微分，或变化率；

dρ——蜗杆齿面法曲率半径的微分，或变化率；

λ——系数。

作为优选的实施方式，所述蜗杆为曲率齿形平面包络环面蜗杆。

作为优选的实施方式，上述步骤B中，根据计算出的几何参数和工艺参数来加工制造所述蜗轮的加工的方法是，采用与上述蜗杆的齿面形状一致的滚刀，工艺蜗轮的齿数与实际蜗轮齿数一样的加工方法。

本发明实施例的特点和优点是：

1、所述蜗杆副制造方法对曲率齿形、多头大中心距平面二次包络蜗杆副装置几何参数和工艺参数进行了优化设计，解决了曲率齿形、多头大中心距平面二次包络蜗杆副装置几何参数和工艺参数的设计和计算问题；保证了参数的可靠性，比凭经验或试验得到的参数更加先进、合理，进而保证了蜗杆副性能的可靠性。

2、可以通过计算机仿真模拟，得到蜗杆的三维立体图形、接触线和根切曲线分布情况以及齿形曲线。避免中小传动比条件下的根切和齿顶变尖。

3、加工蜗轮的滚刀齿面与蜗杆齿面一致，工艺蜗轮齿数与实际蜗轮齿数一样(零齿差工艺蜗轮)。蜗杆齿面不用跑合就与理想齿形一致，同时，保证了蜗轮与蜗杆的共轭关系。

4、本发明实施例的蜗杆副的承载能力在多头蜗杆(中小传动比)的情况下，比普通平面包络环面蜗杆副蜗杆的提高10～20％；效率提高3～6％。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1是本发明实施例的蜗杆副装置的示意图。

图2是根据本发明的一个具体实施例的蜗杆齿面曲率半径图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。

首先对本文中的一些技术术语说明如下：

蜗杆入口：蜗杆为主动件，齿面最先与蜗轮接触的一端。

蜗杆出口：蜗杆为主动件，齿面最后与蜗轮齿面脱离接触的一端。

中心距变位：加工蜗杆与加工蜗轮时的中心距不一样，但在加工中不变化。

传动比变位：加工蜗杆与加工蜗轮时的传动比不一样，但在加工中不变化。

变中心距：在加工蜗杆时，中心距不是定值，随时根据工艺参数变化。

变传动比：在加工蜗杆时，传动比不是定值，随时根据工艺参数变化。

复合法：上述中心距变位法、传动比变位法、变中心距法和变传动比法这四种加工方法的任意组合。

根切：蜗杆加工过程中，齿根出现的非正常凹形区域。

齿顶变尖：蜗杆或蜗轮滚刀两端齿顶宽度小于规定数值，影响蜗杆或滚刀使用效果的现象。

“曲率修型原理”依据空间啮合原理推导出蜗杆齿形与齿面曲率半径的关系，它从理论上求证了环面蜗杆的最佳齿形，与实际的试验和使用结果完全一致。只要按照曲率齿形加工环面蜗杆，就能得到性能优异的蜗杆副。

不同的环面蜗杆采用不同的加工方法，需要不同的几何参数和工艺参数。对平面包络环面蜗杆来说，需要特殊的几何参数和工艺参数才能得到理想的曲率齿形。图2是根据本发明的一个具体实施例的曲率齿形曲线。

为得到曲率齿形，本发明所提出了一种蜗杆副制造方法，包括下列步骤：

A、对平面二次包络环面蜗杆副进行优化设计和仿真，例如可采用计算机优化设计软件来对平面二次包络环面蜗杆副进行优化设计和仿真，其步骤为：

A1、输入蜗杆副的基本参数，中心距a、蜗杆头数z₁、蜗轮齿数z₂；

A2、将前一步骤的数据导入目标函数公式进行参数计算，在所述目标函数计算过程中，采用复合形法的迭代和逼近，得出环面蜗杆副的几何参数以及工艺参数，所述几何参数和工艺参数为配套设置，其中，

所述目标函数公式为：

$\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{[f\left(x^{\left(0\right)}\right)-f\left(x^{\left(i\right)}\right)]}^2}\&le;\mathrm{\&epsiv;}$

其中，f(x)为目标函数，

$x=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_i{g}_i\left(k\right),(i=1,k=e_i;i=2,k=z_i;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;)$

Ai为加权系数，ε为收敛系数，k为优化参数；

A3、生成蜗杆的三维立体图形，通过所述蜗杆的三维立体图形来确认蜗杆没有根切和齿顶变尖；

B、根据上述几何参数和工艺参数来分别加工制造所述蜗杆副的蜗杆和蜗轮。

本发明实施例的上述蜗杆副制造方法，解决了曲率齿形、多头大中心距平面二次包络蜗杆副装置的设计和制造问题；保证了蜗杆副性能的可靠性。进一步而言，本发明实施例与传统平面二次包络环面蜗杆副制造技术的区别在于，可应用先进的计算机优化仿真技术，采用新型的曲率齿形和零齿差工艺蜗轮的加工方法，实现提高多头(中小传动比)平面包络环面蜗杆副性能的目的。

所述蜗杆副制造方法可用于曲率齿形平面包络环面蜗杆的制造。

根据本发明的一个实施方式，根据上述优化的蜗杆副的几何参数及工艺参数，加工蜗杆的方法可有中心距变位法、传动比变位法、变中心距法、变传动比法或复合法。所述加工蜗杆的上述方法可适应多种加工设备，用户可以根据具体情况加以选用，可以保证实现优化设计的结果。其中中心距变位法和传动比变位法较为简单，在普通环面蜗杆加工机床上就可以实施。本实例选用了中心距变位法。

根据本发明的一个实施方式，根据计算出的几何参数和工艺参数来加工制造所述蜗轮的加工的方法是，蜗轮采用与蜗杆齿面形状一致的滚刀加工，工艺蜗轮的齿数与实际蜗轮齿数一样(零齿差工艺蜗轮)，以保证蜗轮齿面与蜗杆齿面的共轭关系。具体是，本实施例的蜗轮可采用对偶法加工。首先制作法向镶齿滚刀，为保证蜗轮与蜗杆的共轭关系，滚刀的主要加工参数与加工蜗杆的一致。工艺蜗轮的齿数与蜗轮实际齿数一样(零齿差工艺蜗轮)。

本实施例中，根据上述步骤加工出的平面包络环面蜗杆副(如图1所示)具有以下特点：

(1)蜗杆齿面不用经过跑合即与理想齿面形状一样，并与蜗轮齿面啮合良好。

(2)蜗杆齿面没有根切和齿顶变尖。

(3)在蜗轮齿面上，蜗杆入口第一条接触线在蜗轮齿面的入口边缘；出口最末一条接触线在蜗轮齿面中部。保证蜗杆有最大的工作长度，即最多的啮合齿数。

(4)蜗杆副具有良好的诱导法曲率。

(5)蜗杆齿面在相对运动方向(齿长方向或螺旋线方向)的齿形符合下面的条件：

de＝λdρ(λ≥0)

上式中：

de——蜗杆齿面减薄量的微分，或变化率。

dρ——蜗杆齿面法曲率半径的微分，或变化率。

λ——系数

下面就上述蜗杆副的制造方法给出具体的实施例。

步骤A：对平面二次包络环面蜗杆副进行优化设计和仿真，具体步骤为：

A1：设定中心距a＝910mm，蜗杆头数z₁＝4，蜗轮齿数z₂＝74。选择蜗杆种类为曲率齿形；

A2：将上述步骤A中的数据导入目标函数公式进行参数计算。设定优化目标可以有：

(1)蜗杆齿面的啮合长度大于95％。

(2)蜗轮齿面的啮合面积大于90％。

(3)蜗杆边齿顶厚度大于0.4倍模数。

(4)蜗杆齿面没有根切。

(5)蜗杆具有曲率齿形。

并在计算过程中，采用复合形法的迭代和逼近，得出前面所述的环面蜗杆副的几何参数以及工艺参数，具体是，得到的主要基本参数有：

蜗杆计算圆直径d₁；

蜗杆包围蜗轮齿数：z’；

主基圆直径：d_b；

修型参数：δ；

蜗轮宽度：B；

蜗杆齿顶圆弧偏心量：e₁。

其余参数由上述基本参数决定，可以根据上述参数计算得到。

A3：在计算机屏幕上查看蜗杆的三维立体图形，还可进一步查看其接触线和根切曲线图以及齿形图，确认符合优化设计目标，例如确认蜗杆没有根切和齿顶变尖。

步骤B：根据计算出的几何参数和工艺参数来加工制造蜗杆副。

计算机优化出的几何参数和工艺参数是配套的，不能任意修改其中的参数。

加工出的实例蜗杆副完全达到上述优化目标的指标。

本发明提供的一种蜗杆副制造方法，通过利用目标函数计算，经迭代和逼近，得出环面蜗杆副参数以及工艺参数；对曲率齿形、多头大中心距平面二次包络蜗杆副装置几何参数和工艺参数进行了优化设计，解决了曲率齿形、多头大中心距平面二次包络蜗杆副装置几何参数和工艺参数的设计和计算问题；保证了参数的可靠性。比凭经验或试验得到的参数更加先进、合理。

本领域技术人员应当理解，虽然本发明是按照多个实施例的方式进行描述的，但是并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案。说明书中如此叙述仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，并将各实施例中所涉及的技术方案看作是可以相互组合成不同实施例的方式来理解本发明的保护范围。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种蜗杆副制造方法，包括下列步骤：

A、对平面二次包络环面蜗杆副进行优化设计和仿真，其步骤为：

A1、输入蜗杆副的基本参数，中心距a、蜗杆头数z₁、蜗轮齿数z₂；

A2、将前一步骤的数据导入目标函数公式进行参数计算，在所述目标函数计算过程中，采用复合形法的迭代和逼近，得出环面蜗杆副的几何参数以及工艺参数，所述几何参数和工艺参数为配套设置，其中，

所述目标函数公式为：

$\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{[f\left(x^{\left(0\right)}\right)-f\left(x^{\left(i\right)}\right)]}^2}\&le;\mathrm{\&epsiv;}$

其中，f(x)为目标函数，

$x=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_i{g}_i\left(k\right),(i=1,k=e_i;i=2,k=z_i;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;)$

Ai为加权系数，ε为收敛系数，k为优化参数；

A3、生成蜗杆的三维立体图形，通过所述蜗杆的三维立体图形来确认蜗杆没有根切和齿顶变尖；

B、根据上述几何参数和工艺参数来分别加工制造所述蜗杆副的蜗杆和蜗轮。

2.根据权利要求1所述的蜗杆副制造方法，其特征在于，上述步骤B中，根据计算出的几何参数和工艺参数来加工制造所述蜗杆的加工的方法有中心距变位法、传动比变位法、变中心距法、变传动比法或复合法。

3.根据权利要求2所述的蜗杆副制造方法，其特征在于，所述蜗杆的齿面在相对运动方向的齿形符合下面的条件：

de＝λdρ      λ≥0

上式中：

de——蜗杆齿面减薄量的微分，或变化率；

dρ——蜗杆齿面法曲率半径的微分，或变化率；

λ——系数。

4.根据权利要求1所述的蜗杆副制造方法，其特征在于，所述蜗杆为曲率齿形平面包络环面蜗杆。

5.根据权利要求1所述的蜗杆副制造方法，其特征在于，上述步骤B中，根据计算出的几何参数和工艺参数来加工制造所述蜗轮的加工的方法是，采用与上述蜗杆的齿面形状一致的滚刀，工艺蜗轮的齿数与实际蜗轮齿数一样的加工方法。

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