ZN蜗杆数控磨削工艺研究.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流ZN蜗杆数控磨削工艺研究.精品文档.ZN蜗杆数控磨削工艺的研究ee(ee)指导教师:ee 摘要ZN 蜗杆又称法向直廓蜗杆。现代工业产品对蜗杆蜗轮副在承载能力,传动效率和传动精度等方面提出了更高的要求,为满足这些要求,一方面是采用机械性能更好的材料和必要的热处理,另一方面是提高加工精度,如采用磨削加工来提高蜗杆螺旋面的形状精度和降低表面粗糙度值,因此蜗杆磨削的设计和研究有着重要的实际意义。 论文首先在深入研究微分几何和空间啮合原理的基础上,建立了法向直廓蜗杆的曲面方程,按照螺旋面的产生原理建立蜗杆的齿面方程,然后根据齿面空间啮合原理计算成形磨削
2、所需的砂轮截并应用建立的曲面方程和选定的一组符合国家标准的蜗杆参数在MATLAB编程,得出砂轮截型曲线,与理论轮廓作比较。因此对其砂轮进行修整,从而提高蜗杆的加工精度,操作方便,简单。 关键词:ZN 蜗杆,成形磨削,砂轮截型,砂轮修整ZN worm grinding process Researchee (ee)Tutor: ee Abstract: ZN worm is also called straight sided normal worm.Now days,worm gearing which has higher performance in bearing capacity,tr
3、ansmission efficiency and transmission precision is needed in moder industry products.In order to meet this demand,two measures can be taken to deal with it;one is to adopt new material with higher strength and to take heat treatment such as to improve worm shape precision or to deduce its surface r
4、oughness.So,worm grinding technology research and development has important and real meaning. Fistly,surface equation of straight sided normal worm is built on the basis of differential meshing theory.The shape section contour of grinding wheel was calculated by space meshing theory.The obtained sec
5、tion contour of grinding wheel was a series of discrete dots .Then this equation is used to set up solid model of the straight sided normal worm with a set of worm parameters which are derived from national standard.The modeling tools are used here is MATLAM,Wheel cut-type curves derived.Compared wi
6、th the theoretical outline.So its wheel trimmed,thereby improving processing accuracy of the worm,operating side, they simply. Key Words:ZN worm,Form Grinding,Wheel cut type,Grinding Wheel 目 录1 绪论11.1引言11.1.1课题研究的目的11.1.2课题研究的意义11.2与本课题相关的国内外研究情况11.2.1典型蜗杆的发展11.2.2蜗杆传动的发展趋势21.2.3蜗杆成型磨削的研究状况21.3本课题主要
7、研究内容32 法向直廊蜗杆的啮合理论42.1建立坐标系和坐标转换42.1.1建立坐标系42.1.2各坐标系间的坐标变换42.2 ZN蜗杆螺旋面方程的建立53 蜗杆成形磨削的砂轮截型93.1空间啮合点计算93.2成型砂轮截型计算103.3砂轮截型的曲线拟合113.3.1双圆弧拟合法123.3.2双圆弧拟合的算法123.4利用MATLAB软件进行数据的计算133.4.1MATLAB软件的简介133.4.2蜗杆的基本参数的定义143.4.3成型砂轮的截形143.5本章小结174蜗杆的磨削的研究184.1法向直廊蜗杆的磨削184.2砂轮的选择204.3本章总结205成型砂轮的修整215.1砂轮修整器2
8、15.2砂轮轮廓修整方法215.3砂轮修整的工艺方法225.4修整的意义235.5本章小结236全文总结与展望246.1全文总结246.2展望24致谢25参考文献261 绪论1.1引言 蜗杆传动是传递空间交错轴之间运动和转矩的一种机构,两轴线之间的夹角可为任意值,但最常用的是两轴在空间互相垂直,轴交角为9001。在蜗杆传动中,普遍以蜗杆带动蜗轮传动,即蜗杆作为主动件蜗轮为从动件,少数情况下蜗轮也可作为主动件用来增速,如离心器中的蜗杆传动2。本文主要研究蜗杆的工艺磨削的研究。蜗杆传动的种类虽多,但他们的基本工作原理都是相同的,按蜗杆分度曲面的形状不同,蜗杆传动可分为:圆柱蜗杆传动,环面蜗杆传动和
9、锥蜗杆传动。圆柱蜗杆传动又可分为:普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆柱蜗杆传动,其中普通圆柱蜗杆的齿面一般是在车床上用直线刀刃的车刀车制而成的(ZK型蜗杆除外),根据车刀安装位置的不同,所加工出的蜗杆齿面在不同截面中的齿廓曲线也不同,根据不同的齿廓曲线,普通圆柱蜗杆可分为:阿基米德圆柱蜗杆(ZA蜗杆),法向直廓圆柱蜗杆(ZN蜗杆),渐开线圆柱蜗杆(ZI蜗杆)和锥面包络圆柱蜗杆(ZK蜗杆)等四种3。蜗杆蜗轮机构是机械设备中的重要传动元件,它具有减速比大、结构紧凑等特点,广泛应用在各种传动装置和分度机构中,尤其是近年来随着精密机床的需求不断增多,高精度蜗杆机构的制造越来越受到重视。提高蜗杆机构的工作性能有两
10、个重要的途径,一是采用综合机械性能好的材料和必要的热处理工艺,另一个是提高制造精度,如采用磨削来提高蜗杆齿面的形状精度和表面性能。在重要应用场合的蜗杆蜗轮蜗杆机构,常需要具有修缘齿形的蜗杆,对蜗杆的磨削加工提出更高要求。成形砂轮的修整是成形磨削的重要技术之一,因此当前的高档成形磨床,都配有数控砂轮修整系统。然而在蜗杆成形磨削这一领域,尤其是对齿形修缘蜗杆的高精度磨削,国内的研究与国外相比有明显的差距4-7。1.1.1课题研究的目的本研究课题为法向直廓蜗杆磨削工艺的研究,蜗杆的应用越来越广泛,精度要求也越来越高。磨削是提高此类零件加工精度的关键,磨削用砂轮截型的精确计算是保证精度的前提。文中提出
11、一种蜗杆磨削用砂轮截型的计算方法。利用计算机图形学理论模拟蜗杆磨削的空间运动,通过空间几何的相对变换,推导砂轮的截型数据以得到砂轮的精确截型。 1.1.2课题研究的意义现代工业技术对蜗轮副在承载能力,传动效率和传动精度等方面提出了更高的要求。为满足这些要求,一方面是采用综合机械性能好的材料和必要的热处理,另一方面是提高制造精度,如采用磨削加工来提高蜗杆螺旋面的形状精度和降低表面粗糙度值(当然也包括加工蜗轮的蜗杆滚刀),因此蜗杆磨削的设计和研究有着重要的实际意义。而从当今研究现状可以看出,蜗杆传动在理论和加工方面都有较为深入的研究,但大部分的的研究对象都是环面蜗杆副,如标准型双圆环面二次包络环面
12、蜗杆传动啮合性能的研究8-10、滚锥齿超环面行星蜗杆传动啮合特性分析11、平面内齿轮包络凸环面蜗杆传动啮合性能分析12等,而法向直廓蜗杆这类圆柱蜗杆的相关研究却比较少见。因此,为了今后的发展,进而提高产品质量,来研究法向直廊蜗杆的工艺磨削。 目前,随着数控技术的普及,采用成型砂轮磨削圆柱蜗杆的优势越来越明显。一方面,可以提高蜗杆齿面硬度,延长蜗杆的使用寿命;另一方面,采用数控技术修型砂轮可以使蜗杆的型面精度高、质量稳定。但是,磨削用砂轮的修型质量直接决定了磨削后的蜗杆质量。1.2与本课题相关的国内外研究情况1.2.1典型蜗杆的发展 关于蜗杆传动最早的研究应是古希腊学者阿基米德,据亚历山大时代的
13、Pappus与Hieron的记,当时出现了一个蜗轮与九个齿轮的省力装置,使得人们可以用130公斤的力量举起26吨的重物,大约放大200倍的效能。根据Pappus的记载,阿基米德曾经利用前述装置,以仅仅少数奴隶就将一艘大战舰Syrakusia推入海中,并引起当时社会巨大的回响。理解各种省力装置的巨大效能之后,难怪阿基米德会说:只要给我一个适合的支点,我可以搬动整个大地。另外,前述的Hieron和巧Vitruvius曾在自己的著作中提及以蜗轮作为测量距离的量程机构,可见在当时齿轮传动的准确性已为人所熟知。1765年英国人Hindley首次提出弧面蜗杆传动“Hourglass Worm Gearin
14、g”;此后经过一百多年,到1928年美国人做了重大改进,逐步发展到今天,成为目前世界著名的“one Worm”。1922 年美国研制成被誉为威氏蜗杆“Wildhaber Worm”的平面直齿蜗杆传动;五十年代,日本人发展了此项技术,就是 面蜗杆传动“Plana Worm”。我国自二十世纪六十年代开展了平面蜗轮副的研究工作,先后应用于转炉倾动装置、滚齿机工作台分度蜗轮副、天文望远镜分度蜗轮副等机构中。1971 年首都钢铁公司机械厂制成我国首套平面包络环面蜗杆副,1977 年由北京市和原冶金工业部命名为“首钢(SG)-71型蜗杆副”。至此以平面包络环面蜗杆传动后受到多方面的重视,许多高等院校和科研
15、单位,如重庆大学、北京科技大学、郑州机械研究所等,对此做了许多研究、试验和样机试做工作,同样取得了很多成果13。理论研究成就推动了平面二次包络蜗杆传动在我国的推广及应用,目前我国生产环面蜗杆副大型厂家不下于百家,年产量不低于 10000 台套。在引进技术和设备方面也取得了重大的成果,橡胶轮胎定性硫化机中主动件原为日本的尼曼蜗杆及美国的 cone drive 蜗杆,而国内生产的轮胎硫化机中则成功的使用了 SG-71 型蜗杆减速器将其代替,并已能够批量生产且向国外出口14。至于法向直廓蜗杆,由于其端面上的齿廓为延伸渐开线,轴向剖面上的齿廓为凸形曲线,齿或齿槽在法向剖面为直边齿廓,可以用砂轮端面磨削
16、齿形。因而能够制造啮合平稳,耐磨性好,且传动效率高的高精度蜗杆蜗轮。这种齿廓的蜗杆副,广泛应用于各种精密机械传动的分度元件。在机床工业中,用作各种齿轮加工机床,刻线机,分度转台等的分度蜗杆蜗轮。重庆机床厂研制的YG3780型蜗轮母机即是法向直廓蜗杆的一个应用典范,曾获得1978年的全国科学大会奖。随着蜗杆传动的快速发展,现阶段蜗杆在结构方面的研究已经达到了瓶颈,人们开始把注意里集中于蜗杆传动的微观部分,如蜗杆传动的误差分析15、蜗杆的受力分析16以及蜗杆传动的参数化设计17等。蜗杆传动逐渐与计算机辅助设计相结合,运用软件来模拟其传动过程、加工过程等,并且能够对其虚拟模型进行人们所需要的各方面的
17、分析18-21。通常情况下人们对蜗杆实体的研究,不仅实验的样品蜗杆副需要达到一定的精度,复杂实验过程也需要花费大量的时间和精力,而蜗杆传动模型的数字化发展就良好的解决了这些问题。1.2.2蜗杆传动的发展趋势目前,蜗杆传动的发展趋势主要表现在对改善蜗杆传动质量的途径与措施的研究,主要发展趋势有:1)研究蜗杆加工的可视化和仿真理论,包括运动的仿真,数控加工的仿真等,使蜗杆的研究可视化,是深入研究啮合理论等的基础应用工具。2)研究砂轮修整技术及修整对加工精度的影响。3)改善蜗杆副啮合瞬时接触线的形状,增大齿面接触点处的诱导曲率半径。近年出现的各种新型蜗杆传动及变态蜗杆传动,都是朝着这方面努力的结果。
18、1.2.3蜗杆成型磨削的研究状况很多学者对一些常用类型蜗杆的成形磨削进行了研究。韩云鹏、孟剑锋22等通过建立包含砂轮修整参数的 ZK 蜗杆齿面数学模型,研究砂轮直径变化对蜗杆齿形误差的影响规律,分析了其齿形误差与蜗杆头数、蜗杆模数和蜗杆直径等参数之间的关系。并根据优化设计理论,将计算出的砂轮最佳修整参数加入蜗杆方程的计算中,提出了砂轮廓形的智能化修整的原理,对 ZK 蜗杆磨削的砂轮智能化修整提供了重要的理论参考。蔡磊、李志23等对法向直廓蜗杆磨削运动的仿真进行了研究,在 MATLAB和 CATIA 中建立蜗杆和砂轮的实体模型,并将模型导入到 OpenGL 中编程,实现了砂轮磨削蜗杆的运动仿真。
19、文献中对法向直廓蜗杆进行了详细的建模分析,利用金刚笔对砂轮廓形修整对 ZN 蜗杆的磨削研究有一定的指导意义,但是没有对工程中常用的修缘齿形 ZN 蜗杆进行讨论分析。 1.2.4砂轮修整器的研究状况 国产C8955铲床上的修砂轮工具,其所修整的砂轮,一般只能磨小螺旋角蜗杆,对大螺旋角蜗杆磨削,存在齿形干涉等问题无法解决,只能手工修整,用样板检查齿形,这样,不仅需技术较熟练的工人,而且质量不易保证。为此,很据英国蜗杆磨床的砂轮修整工具工作原理,制造了一个砂轮修整工其,所修整的砂轮,可对阿基米德蜗扦、齿槽法向直廓蜗杆、齿纹法向直脚蜗杆等大螺旋角蜗杆磨削,工具操作方便,容易掌握,可保证加工质量,使用效
20、果较好。利用金刚石笔修整砂轮的方法对机床的机械系统指标要求较高,且刀具的精度不稳定,易产生修整误差。随着磨削技术的发展,在成型磨削中利用金刚石轮来修整砂轮的方法越来越多地被生产厂家采纳,例如任小中、邓效忠24等利用渐开线的插补原理,研制一种利用金刚轮作为修整工具的成形砂轮修整装置,并在数控成形磨齿上完成了砂轮修整实验。1.3本课题主要研究内容课本题重点根据根据砂轮修整器的结构,研究ZN蜗杆的磨削工艺,了解蜗杆的精加工方法,对蜗杆的磨削机理进行分析与计算、依据空间齿面啮合原理建立蜗杆磨削模型,推导蜗杆加工时的砂轮的理论廓形。用蜗杆法向齿廓参数建立蜗杆螺旋面数学模型,并引入齿形修缘参数;依据蜗杆成
21、形磨削时蜗杆齿面与砂轮回转面之间的空间啮合关系,计算成形砂轮的截形数据;依据计算数据,在数控砂轮修整器上修整砂轮;用砂轮磨削蜗杆并检验。主要做以下几个方面:(1)建立蜗杆坐标系并生成蜗杆母线;(2)在蜗杆坐标系中,旋转 、平移蜗杆母线生成蜗杆螺旋面方程;(3)根据砂轮和蜗杆磨削模型,建立砂轮杆坐标系和砂轮轴截型平面;(4)将蜗杆坐标系中的蜗杆螺旋面(母线所有位置的集合)变换到砂轮坐标系中;(5)将蜗杆所对应的母线沿着砂轮的旋转方向进行旋转投影;(6)将投影线进行包络,得到所需的砂轮的轴截面中的截型;(7)模型建立之后将数据导入MATLAB软件中进行分析重新计算成形砂轮截形,生成加工程序代码,之
22、后对砂轮进行修整和蜗杆的重磨,最终实现齿形修缘 ZN 蜗杆的高精度磨削。 2.电机选择2.1电动机选择2.1.1选择电动机类型2.1.2选择电动机容量电动机所需工作功率为:工作机所需功率为:传动装置的总效率为:传动滚筒 滚动轴承效率 闭式齿轮传动效率 联轴器效率 代入数值得:所需电动机功率为:略大于 即可。选用同步转速1460r/min ;4级 ;型号 Y160M-4.功率为11kW2.1.3确定电动机转速取滚筒直径1.分配传动比(1)总传动比(2)分配动装置各级传动比取两级圆柱齿轮减速器高速级传动比则低速级的传动比2.1.4 电机端盖组装CAD截图图2.1.4电机端盖2.2 运动和动力参数计
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- ZN 蜗杆 数控 磨削 工艺 研究
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