CN117161485A - 一种加工角修形环面蜗杆的导轨式机床及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加工角修形环面蜗杆的导轨式机床及其加工方法，该导轨式机床包括机床本体，机床本体上设置可水平移动的对刀模块，对刀模块连接有可发生圆弧偏移运动及上下移动的刀座模块，刀座模块连接有可前后移动及翻转运动的砂轮模块，机床本体上还设置有用于夹装蜗杆毛坯的夹持模块，砂轮模块设置在蜗杆毛坯的侧面，刀座模块沿螺旋路径运动实现对蜗杆毛坯的角修形加工。与现有技术相比，本发明以轴线偏转角Δ∑来控制滑块移动，使刀座偏移到相应的加工位置，能实现砂轮在加工环面蜗杆时修形参数p_d的调整，使刀座沿螺旋路径运动实现环面蜗杆的角修形加工，还能实现砂轮倾角β的调整，从而有效提升加工效率，同时确保加工的精准可靠性。

Description

一种加工角修形环面蜗杆的导轨式机床及其加工方法

技术领域

本发明涉及环面蜗杆加工技术领域，尤其是涉及一种加工角修形环面蜗杆的导轨式机床及其加工方法。

背景技术

与圆柱蜗杆传动相比，环面蜗杆传动具备承载能力强、体积小、传动效率高等优势，目前普遍应用于高速重载的场合。但是，因为其特殊的双线接触方式，对于环面蜗杆副的啮合质量要求较高，需要改变蜗杆齿面的结构以优化接触区，从而提高其宏观啮合质量。因此，在生产环面蜗杆时往往需要对其进行齿面修形。

中国专利CN102310347A提出了一种双锥面二次包络环面蜗杆七轴数控磨削设备，该方案通过七轴联动的方式完成对环面蜗杆的加工，且配备有砂轮修整器，解决了砂轮磨头易磨损需要多次更换并重新对刀的问题。但是其砂轮角度控制器调整的是砂轮的产形面倾角β，目的仅仅是为了加工不同头数的环面蜗杆，这种七轴数控磨削设备无法进行刀座的角度控制，因此无法实现蜗杆螺旋面的角修形加工。中国专利CN101745703B则提出了一种角修正型双圆环面二次包络环面蜗杆副的制造方法，其刀座需要实现螺旋运动，且并未给出加工角修形环面蜗杆的具体实现手段。

目前在环面蜗杆加工领域，机床大多通过改变纵向进给来使中心距改变，从而实现中心距修形；通过改变工件转速与磨削砂轮的转速控制传动比实现传动比变位，以达到传动比修形的目的。可以说，现有技术对于带有角修形的环面蜗杆专用加工机床的研究还存在空白，无法高效、可靠地实现角修形环面蜗杆的加工制造。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种加工角修形环面蜗杆的导轨式机床及其加工方法，能够有效提升加工效率，同时能够确保加工的精准可靠性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种加工角修形环面蜗杆的导轨式机床，包括机床本体，所述机床本体上设置可水平移动的对刀模块，所述对刀模块连接有可发生圆弧偏移运动及上下移动的刀座模块，所述刀座模块连接有可前后移动及翻转运动的砂轮模块，所述机床本体上还设置有用于夹装蜗杆毛坯的夹持模块，所述砂轮模块设置在蜗杆毛坯的侧面，所述刀座模块沿螺旋路径运动实现对蜗杆毛坯的角修形加工。

进一步地，所述对刀模块包括设置在机床本体底部的水平导轨，所述水平导轨上安装有水平溜板，所述刀座模块滑动连接于水平溜板的上方。

进一步地，所述水平溜板顶部两侧设置有用于连接刀座模块的溜板导轨。

进一步地，所述刀座模块包括圆弧导轨，所述圆弧导轨上安装有滑块，通过滑块位置的改变，带动刀座发生倾斜，以调整刀座回转轴线与蜗杆轴线的夹角；

所述滑块连接有可上下移动的回转工作台，用于实现砂轮模块在加工环面蜗杆时修形参数的调整。

进一步地，所述回转工作台的底部连接有升降装置。

进一步地，所述砂轮模块包括连接于回转工作台顶部的纵向溜板，所述纵向溜板上安装有与砂轮连接的连接筒，通过转动连接筒来调整砂轮倾角。

进一步地，所述连接筒的两端分别连接有磨头以及用于驱动砂轮的电机。

进一步地，所述夹持模块包括相对设置且间距可调的尾座和主轴箱，所述尾座连接有顶针，所述顶针与主轴箱之间夹装有蜗杆毛坯。

进一步地，所述尾座连接有轴向溜板，所述轴向溜板安装在轴向导轨上，所述轴向导轨设置于机床本体的顶部。

进一步地，所述尾座的一端连接有调整手柄，用于调整尾座与主轴箱之间的间距。

一种加工角修形环面蜗杆的导轨式机床的加工方法，包括以下步骤：

S1、利用夹持模块将蜗杆毛坯夹装在机床本体的相应位置并发生回转运动；

S2、控制对刀模块移动至蜗杆毛坯的侧面位置，控制刀座模块移动靠近蜗杆毛坯；

S3、根据设定的轴线偏转角Δ∑，控制刀座模块内滑块沿圆弧导轨发生移动，带着刀座发生倾斜、偏移至相应加工位置；

控制刀座模块内连接筒发生转动，以调整砂轮倾角β，用以加工不同头数的环面蜗杆；

根据蜗杆毛坯转角φ，控制刀座模块内回转工作台的高度Δd，以调整砂轮在加工环面蜗杆时修形参数p_d＝Δd/φ，使得刀座沿螺旋路径运动实现环面蜗杆的角修形加工。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明通过在机床本体上设置可水平移动的对刀模块，将对刀模块连接有可发生圆弧偏移运动及上下移动的刀座模块、刀座模块连接有可前后移动及翻转运动的砂轮模块，并在机床本体设置有用于夹装蜗杆毛坯的夹持模块。由此通过控制调整对刀模块、刀座模块、砂轮模块的工作状态，即可使得刀座模块沿螺旋路径运动实现对蜗杆毛坯的角修形加工，能够有效提升加工效率，确保加工精度、改善蜗杆副的啮合质量。

二、本发明以轴线偏转角Δ∑来控制滑块移动，使刀座偏移到相应的加工位置，滑块上还安装有可上下升降的回转工作台，通过实时调节回转工作台上的刀座高度，实现砂轮在加工环面蜗杆时修形参数p_d的调整，此外，还通过连接筒的转动来实现砂轮倾角β的调整，用以加工不同头数的环面蜗杆。由此能够充分确保加工过程的自动、高效及准确性。

三、本发明在夹持模块设计相对设置且间距可调的尾座和主轴箱，将尾座连接有顶针，在顶针与主轴箱之间夹装蜗杆毛坯，从而能够稳定夹装不同尺寸的待加工蜗杆毛坯。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中产形面倾角(即砂轮倾角)的原理示意图；

图3为本发明中轴线偏转角的原理示意图；

图中标记说明：1、机床本体；2、水平导轨；3、水平溜板；4、圆弧导轨；5、滑块；6、升降装置；7、回转工作台；8、纵向溜板；9、主轴箱；10、蜗杆毛坯；11、磨头；12、连接筒；13、电机；14、顶针；15、尾座；16、调整手柄；17、轴向导轨；18、轴向溜板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种加工角修形环面蜗杆的导轨式机床，包括机床本体1，其中，机床本体1上设置可水平移动的对刀模块，对刀模块连接有可发生圆弧偏移运动及上下移动的刀座模块，刀座模块连接有可前后移动及翻转运动的砂轮模块，机床本体1上还设置有用于夹装蜗杆毛坯10的夹持模块，砂轮模块设置在蜗杆毛坯10的侧面，刀座模块沿螺旋路径运动实现对蜗杆毛坯10的角修形加工。

具体的，对刀模块包括设置在机床本体1底部的水平导轨2，水平导轨2上安装有水平溜板3，刀座模块滑动连接于水平溜板3的上方，水平溜板3顶部两侧设置有用于连接刀座模块的溜板导轨。

刀座模块包括圆弧导轨4，即圆弧导轨4沿溜板导轨发生移动，圆弧导轨4上安装有滑块5，通过滑块5位置的改变，带动刀座发生倾斜，以调整刀座回转轴线与蜗杆轴线的夹角，即以轴线偏转角Δ∑来控制滑块5移动，使刀座偏移到相应的加工位置；

滑块5连接有可上下移动的回转工作台7，用于实现砂轮模块在加工环面蜗杆时修形参数的调整，本实施例在回转工作台7的底部连接有升降装置6，通过升降装置6实时调节回转工作台7上的刀座高度，实现砂轮在加工环面蜗杆时修形参数p_d的调整，刀座沿螺旋路径运动实现环面蜗杆的角修形加工。

砂轮模块包括连接于回转工作台7顶部的纵向溜板8，即利用纵向溜板8控制砂轮刀座前后进给，纵向溜板8上安装有与砂轮连接的连接筒12，通过转动连接筒12来调整砂轮倾角，用以加工不同头数的环面蜗杆。连接筒12的两端分别连接有磨头11以及用于驱动砂轮的电机13。

夹持模块则包括相对设置且间距可调的尾座15和主轴箱9，尾座15连接有顶针14，顶针14与主轴箱9之间夹装有蜗杆毛坯10。尾座15连接有轴向溜板18，轴向溜板18安装在轴向导轨17上，轴向导轨17设置于机床本体1的顶部。尾座15的一端连接有调整手柄16，用于调整尾座15与主轴箱9之间的间距，确保能稳定装夹不同尺寸的被加工件。

将上述机床应用于实际，其具体加工方法过程包括以下步骤：

S1、利用夹持模块将蜗杆毛坯夹装在机床本体的相应位置并发生回转运动；

S2、控制对刀模块移动至蜗杆毛坯的侧面位置，控制刀座模块移动靠近蜗杆毛坯；

S3、根据设定的轴线偏转角Δ∑，控制刀座模块内滑块沿圆弧导轨发生移动，带着刀座发生倾斜、偏移至相应加工位置；

控制刀座模块内连接筒发生转动，以调整砂轮倾角β，用以加工不同头数的环面蜗杆；

根据蜗杆毛坯转角φ，控制刀座模块内回转工作台的高度Δd，以调整砂轮在加工环面蜗杆时修形参数p_d＝Δd/φ，使得刀座沿螺旋路径运动实现环面蜗杆的角修形加工。

本实施例应用上述技术方案，以一四头的环面蜗杆角修形加工为例，其加工中心距a＝160mm，环面蜗杆毛坯与刀座之间的加工传动比i_1d＝10。具体实施方案如下：在机床本体1上设置水平导轨2，水平导轨2上安装有可移动的水平溜板3，实现对刀功能；水平溜板3上还安装有可沿水平溜板3上导轨移动的圆弧导轨4，圆弧导轨4上安装有滑块5，并以轴线偏转角Δ∑来控制滑块5移动，使刀座偏移到相应的加工位置，滑块5上还安装有可上下升降的回转工作台7，回转工作台7使刀座能在修形过程中自由转动，通过升降装置6调节回转工作台7上刀座的高度Δd，实现砂轮在加工环面蜗杆时修形参数p_d的调整。

为研究加工过程中修形参数p_d的具体情况，如图2所示，图中O_d为刀座的回转轴心，φ_d为刀座转角，砂轮磨头产形面与半径为r_b的蜗轮主基圆相切，β则表示在蜗杆任意加工位置Q上产形面与刀座回转轴线之间的夹角。在刀座的转动过程中选择一组位置作为基准点，其刀座转角分别为φ_d1＝0.288rad、φ_d2＝0.345rad、φ_d3＝0.431rad、φ_d4＝0.502rad、φ_d5＝0.665rad，此时对应的蜗杆毛坯转角φ＝φ_d×i_1d，分别为φ₁＝2.88rad、φ₂＝3.45rad、φ₃＝4.31rad、φ₄＝5.02rad、φ₅＝6.65rad，刀座上升高度分别是：Δd₁＝6.5758mm、Δd₂＝4.9800mm、Δd₃＝4.0845mm、Δd₄＝4.1475mm、Δd₅＝5.7961mm，修形参数p_d＝Δd/φ，分别为：p_d1＝2.283mm/rad、p_d2＝1.443mm/rad、p_d3＝0.948mm/rad、p_d4＝0.826mm/rad、p_d5＝0.872mm/rad。其它位置的刀座转角φ_d及对应位置的修形参数p_d按照线性插值法计算即可。

回转工作台7的旋转可使平面磨头达到不同加工位置，其上还安装有控制砂轮刀座前后进给的纵向溜板8；纵向溜板8上装有用来连接砂轮的连接筒12；连接筒12上装有磨头11及砂轮驱动电机13。加工过程各工件坐标运动情况如图3所示，图中O_od与O_d分别代表刀座的静坐标系与动坐标系，O₁代表环面蜗杆坐标系，a为加工中心距，Δd为刀座轴线方向的位移，与蜗杆毛坯转角φ成正比，修形参数p_d＝Δd/φ，而刀座轴线与砂轮轴线之间的夹角为Δ∑+90°，其中Δ∑为刀座轴线偏转角。刀座与动坐标σ_d(O_d；i_d,j_d,k_d)相固接，相对于静坐标σ_od(O_od；i_od,j_od,k_od)做螺旋运动，环面蜗轮滚刀毛坯与动坐标σ₁(O₁；i₁,j₁,k₁)相固接，相对于静坐标系σ_o1(O_o1；i_o1,j_o1,k_o1)做回转运动。其中刀座轴线k_od的正向与环面蜗杆毛坯轴线k_o1正向的夹角为90°加上轴线偏转角Δ∑，本实施例中轴线偏转角Δ∑＝2.359°，并根据其大小来调整刀座回转轴线的偏转程度。连接筒12的转动能够实现砂轮倾角β的调整，本实施例中产形面倾角β＝22.5°。

此外，机床本体1上安装的轴向导轨17上设有可沿导轨移动的轴向溜板18，轴向溜板18与尾座15相连，尾座15上装有顶针14，与机床本体1另一侧安装的主轴箱9共同作用夹装蜗杆毛坯10，可通过操作调整手柄16调整尾座15与主轴箱9之间的间距，确保能稳定装夹不同尺寸的被加工件，本实施例中被加工环面蜗杆的工作长度Lw＝90mm。

综上可知，本方案设计加工角修形环面蜗杆的专用机床时，考虑到刀座的两个特殊功能：一个是刀座回转轴线与蜗杆轴线夹角为90°+Δ∑，即要求能根据Δ∑调整刀座轴线的夹角；另一个是当产形面倾角β确定以后，刀座的高度需要按修形参数p_d沿刀座轴线方向进行调整。因此，根据角修形加工原理，本方案在上述的加工角修形环面蜗杆导轨式机床中，通过圆弧导轨上滑块位置的改变，带动滑块上刀座发生倾斜，来控制刀座回转轴线与蜗杆轴线的夹角。设定刀座回转轴线与蜗杆轴线之间的夹角为90°+Δ∑，并根据Δ∑的大小来调整滑块的具***置；同时通过升降装置调节刀座的高度Δd，实现砂轮在加工环面蜗杆时修形参数p_d的调整，刀座沿螺旋路径运动实现环面蜗杆的角修形加工；连接筒转动实现产形面倾角β的调整，用以加工不同头数的环面蜗杆。

现有技术在使用平面砂轮加工环面蜗杆时，通常在完成单侧蜗杆齿面加工后，须翻转砂轮加工面或调转蜗杆加工另一侧齿面，单侧面加工导致受力不均，影响加工质量，而本方案所提出的导轨式机床稳定性高，不仅能满足受力均匀的双锥面包络环面蜗杆的加工，更适用于受力不均的平面包络环面蜗杆的加工。与现有的技术相比，本方案所提加工角修形环面蜗杆的导轨式加工机床所具备的独特修形工艺及加工性能，能够有效提升加工效率，改善蜗杆副的啮合质量，且该机床结构简单，操作方便，解决了现有环面蜗杆加工机床无法进行角修形且加工过程需要多次装夹、操作繁琐的问题，能够实现一次装夹完成环面蜗杆的角修形加工、改善砂轮单侧磨削时的受力不均，适用于平面二次包络环面蜗杆的加工，具备很高的实际生产价值。

Claims (10)

1.一种加工角修形环面蜗杆的导轨式机床，其特征在于，包括机床本体(1)，所述机床本体(1)上设置可水平移动的对刀模块，所述对刀模块连接有可发生圆弧偏移运动及上下移动的刀座模块，所述刀座模块连接有可前后移动及翻转运动的砂轮模块，所述机床本体(1)上还设置有用于夹装蜗杆毛坯(10)的夹持模块，所述砂轮模块设置在蜗杆毛坯(10)的侧面，所述刀座模块沿螺旋路径运动实现对蜗杆毛坯(10)的角修形加工。

2.根据权利要求1所述的一种加工角修形环面蜗杆的导轨式机床，其特征在于，所述对刀模块包括设置在机床本体(1)底部的水平导轨(2)，所述水平导轨(2)上安装有水平溜板(3)，所述刀座模块滑动连接于水平溜板(3)的上方。

3.根据权利要求2所述的一种加工角修形环面蜗杆的导轨式机床，其特征在于，所述水平溜板(3)顶部两侧设置有用于连接刀座模块的溜板导轨。

4.根据权利要求1所述的一种加工角修形环面蜗杆的导轨式机床，其特征在于，所述刀座模块包括圆弧导轨(4)，所述圆弧导轨(4)上安装有滑块(5)，通过滑块(5)位置的改变，带动刀座发生倾斜，以调整刀座回转轴线与蜗杆轴线的夹角；

所述滑块(5)连接有可上下移动的回转工作台(7)，用于实现砂轮模块在加工环面蜗杆时修形参数的调整。

5.根据权利要求4所述的一种加工角修形环面蜗杆的导轨式机床，其特征在于，所述回转工作台(7)的底部连接有升降装置(6)。

6.根据权利要求4所述的一种加工角修形环面蜗杆的导轨式机床，其特征在于，所述砂轮模块包括连接于回转工作台(7)顶部的纵向溜板(8)，所述纵向溜板(8)上安装有与砂轮连接的连接筒(12)，通过转动连接筒(12)来调整砂轮倾角，所述连接筒(12)的两端分别连接有磨头(11)以及用于驱动砂轮的电机(13)。

7.根据权利要求1所述的一种加工角修形环面蜗杆的导轨式机床，其特征在于，所述夹持模块包括相对设置且间距可调的尾座(15)和主轴箱(9)，所述尾座(15)连接有顶针(14)，所述顶针(14)与主轴箱(9)之间夹装有蜗杆毛坯(10)。

8.根据权利要求7所述的一种加工角修形环面蜗杆的导轨式机床，其特征在于，所述尾座(15)连接有轴向溜板(18)，所述轴向溜板(18)安装在轴向导轨(17)上，所述轴向导轨(17)设置于机床本体(1)的顶部。

9.根据权利要求7所述的一种加工角修形环面蜗杆的导轨式机床，其特征在于，所述尾座(15)的一端连接有调整手柄(16)，用于调整尾座(15)与主轴箱(9)之间的间距。

10.一种应用如权利要求6所述加工角修形环面蜗杆的导轨式机床的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用夹持模块将蜗杆毛坯夹装在机床本体的相应位置并发生回转运动；

S2、控制对刀模块移动至蜗杆毛坯的侧面位置，控制刀座模块移动靠近蜗杆毛坯；

S3、根据设定的轴线偏转角Δ∑，控制刀座模块内滑块沿圆弧导轨发生移动，带着刀座发生倾斜、偏移至相应加工位置；

控制刀座模块内连接筒发生转动，以调整砂轮倾角β，用以加工不同头数的环面蜗杆；

根据蜗杆毛坯转角φ，控制刀座模块内回转工作台的高度Δd，以调整砂轮在加工环面蜗杆时修形参数p_d＝Δd/φ，使得刀座沿螺旋路径运动实现环面蜗杆的角修形加工。