机械毕业设计（论文）-弧面蜗杆加工专用数控机床及控制系统设计【全套图纸】

弧面蜗杆加工专用数控机床及控制系统设计 作 者 姓 名： 指 导 教 师： 单 位 名 称：沈阳理工大学应用技术学院 专 业 名 称： 东 北 大 学 2010 年 10 月 Arc-worm the numerical control processing of special tools and control system design by Zhou Li Ying Supervisor: Professor Wang Wei Northeastern University October 2010 东北大学毕业设计（论文） - ii 弧面蜗杆加工专用数控机床及控制系统设计 摘 要 根据设计任务书的要求，本设计说明书针对球面蜗杆专用数控机床的加工及控制 系统进行设计说明。主要内容包括三种球面蜗杆传动原理和加工特点，球面蜗杆专用 数控机床的机械结构及控制系统的总体设计方案，进给系统的机械结构设计和数控系 统的电路设计。 关键字关键字: 球面蜗杆 数控系统 设计 东北大学毕业设计（论文） - iii Arc-worm the numerical control processing of special tools and control system design Abstract According to the requirement of the design,this design aims at the machining of Arc- worm numerical control machine and the control system. The main contents include the transmission theory and machining characteristic of three kinds of Arc-worm ,the blue print of the engine configuration of Arc-worm numerical control machine and control system, the design of the feed systems transmission theory and the circuit design of numerical control system. Key word: Arc-worm numerical control system design 东北大学毕业设计（论文） -1- 目 录 任务书i 中文摘要ii ABSTRACT ii 第 1 章 绪论4 第 2 章 球面蜗杆涡轮的特点5 2.1 蜗杆蜗轮的形成、类型及其结构5 2.2 蜗杆传动的特点及其应用7 2.3球面蜗杆的加工8 2.4球面蜗轮的加工9 第 3 章球面蜗杆蜗轮数控专用机床球面蜗杆蜗轮数控专用机床13 3.1 加工球面蜗杆蜗轮传统机床13 3.11 在滚齿机上加工球面蜗杆和蜗轮13 3.1.2在改装车床上加工球面蜗杆14 3.2球面蜗杆加工专用机床设计15 第 4 章球面蜗杆数控专用机床总体结构方案设计球面蜗杆数控专用机床总体结构方案设计16 4.1 加工机床运动的基本要求16 4.2 球面蜗杆数控专用机床总体方案17 4.3专用球面蜗杆数控车床的基本结构18 第 5 章球面蜗杆数控专用机床的主传动系统设计球面蜗杆数控专用机床的主传动系统设计19 5.1 传动结构式和结构网的选择19 5.1.1 主传动的确定，和公比 的确定19 nmaxnmin 5.1.2 确定变速组和传动副数目19 5.1.3 确定传动顺序方案20 东北大学毕业设计（论文） -2- 5.1.3 确定扩大顺序方案20 5.1.4 结构网图20 5.2 转速图的拟订20 5.3 传动方案的拟订 21 5.4 齿轮传动部分的设计 23 5.5 轴的设计计算 28 5.5.1 轴的设计计算29 5.5.2 轴的设计计算 29 5.5.3 主轴的设计计算 35 第 6 章球面蜗杆数控专用机床的进给系统设计球面蜗杆数控专用机床的进给系统设计36 6.1 进给系统传动方案拟订36 6.2 纵向进给系统的设计计算36 6.2.1 纵向进给系统的设计36 6.2.2 纵向进给系统的设计计算 37 6.3 横向进给系统的设计计算41 6.4 齿轮传动间隙的消除 48 第 7 章球面蜗杆数控专用机床回转工作台设计球面蜗杆数控专用机床回转工作台设计49 第 8 章球面蜗杆数控专用机床控制系统的设计球面蜗杆数控专用机床控制系统的设计51 8.1 控制系统总体方案的拟定51 82 总控制系统硬件电路设计51 821 单片机的设计51 822 系统的扩展54 823 键盘、显示器接口设计59 824 步进电机控制电路设计61 825 光电隔离电路设计63 东北大学毕业设计（论文） -3- 826 其他接口电路设计64 827 部分控制程序65 828 控制系统的软件设计 69 第 9 章球面蜗杆蜗轮主要参数与润滑油的选用球面蜗杆蜗轮主要参数与润滑油的选用74 91 蜗杆与蜗轮主要参数及几何计算 74 9.2 数控机床的润滑油 78 结束语80 参考文献81 致 谢82 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 东北大学毕业设计（论文） -4- 第一章 绪论 机床作为工作母机和维修工具，早已成为各个工业领域不可或缺的必要装备。 数控机床的产生与发展，更是制造高质量、高效率、高一致性产品的有力保障。 随着人类社会的飞速发展与进步，各种新材料、新技术、新工艺、新结构、新配 件不断涌现，各个领域不断提出新的要求，这一切都使得机床的结构、性能千变 万化。计算机技术的高速发展又使得机床数控系统正在以更短的周期更新。面对 如此的形势，机床制造者在不断努力跟踪时代的步伐，机床的使用者、维修者也 要努力跟上。为使读者及时了解球面蜗杆专用数控机床及控制系统的技术与知识， 加深球面蜗杆专用数控机床及控制系统使用与维修理念上的认识，编辑了此设计 说明书，力图对读者有所帮助。 本设计说明书以大量图例来说明球面蜗杆专用数控机床及控制系统设计的思路。 设计中得到颜竟成教授的悉心指导，在此向他表示诚挚的感谢。由于编者的水平 和经验有限，加之设计时间较短、资料收集较困难，说明书中难免有缺点和错误， 在此恳请读者谅解，并衷心希望广大读者提出批评意见，使本设计说明书能有所 改进。 编者 年 月 东北大学毕业设计（论文） -5- 第第 2 2 章章 弧面蜗杆蜗轮的特点弧面蜗杆蜗轮的特点 2.12.1蜗杆蜗轮的形成、类型及其结构蜗杆蜗轮的形成、类型及其结构 1、蜗轮蜗杆的形成 蜗杆蜗轮传动是由交错轴斜齿圆柱齿轮传动演变而来的。小齿轮的轮齿分度圆柱 面上缠绕一周以上，这样的小齿轮外形像一根螺杆，称为蜗杆。大齿轮称为蜗轮。为 了改善啮合状况，将蜗轮分度圆柱面的母线改为圆弧形，使之将蜗杆部分地包住，并 用与蜗杆形状和参数相同的滚刀范成加工蜗轮，这样齿廓间为线接触，可传递较大的 动力。 蜗杆蜗轮传动的特征： 其一，它是一种特殊的交错轴斜齿轮传动，交错角为90，z1 很少，一般 z114； 其二，它具有螺旋传动的某些特点，蜗杆相当于螺杆，蜗轮相当于螺母，蜗轮部分 地包容蜗杆。 2、蜗杆传动的类型 杆形状的不同可分： 圆柱蜗杆传动-普通圆柱蜗杆（阿基米德蜗杆、渐开线蜗杆、法向直廓蜗杆、锥 面包络蜗杆）和圆弧蜗杆。 普通圆柱蜗杆 东北大学毕业设计（论文） -6- 圆弧蜗杆 环面蜗杆传动 环面蜗杆 锥蜗杆传动 锥蜗杆动 3、蜗轮蜗杆结构 东北大学毕业设计（论文） -7- 蜗杆结构： 蜗杆通常与轴为一体，采用车制或铣制，结构分别见下图 蜗轮结构： 蜗轮常采用组合结构，由齿冠和齿芯组成。联结方式有：铸造联结、过盈配合联结 和螺栓联接，结构分别见下图。蜗轮只有在低速轻载时采用整体式。 2.22.2 蜗杆传动的特点及其应用蜗杆传动的特点及其应用 1、蜗杆传动的特点 在动力传动中，一般传动比i5-80；在分度机构或手动机构的传动中，传动比可 达300；若只传递运动，传动比可达1000。由于传动比大，零件数目又少，因而结构十 分紧凑。 在蜗杆传动中，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮齿是逐渐进入啮合及逐 渐退出啮合的，同时啮合的齿对又较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低。 当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动便具有自锁性。这时，只 能以蜗杆为主动件带动蜗轮传动，而不能由蜗轮带动蜗杆运动。 蜗杆传动与螺旋齿轮传动相似，在啮合处有相对滑动。当滑动速度很大，工作条件 不够良好时，会产生较严重的摩擦与磨损，从而引起过分发热，使润滑情况恶化。因 此摩擦损失较大，效率低；当传动具有自锁性时，效率仅为04左右。为保证有一定 东北大学毕业设计（论文） -8- 使用寿命，蜗轮常须采用价格较昂贵的减磨材料，因而成本高。 蜗杆轴向力较大，致使轴承摩擦损失较大。 2、蜗杆传动的应用 由于蜗杆蜗轮传动具有以上特点，故常用于两轴交错、传动比较大、传递功率不太 大或间歇工作的场合。当要求传递较大功率时，为提高传动效率，常取z124。此 外，由于当1较小时传动具有自锁性，故常用在卷扬机等起重机械中，起安全保护作 用。它还广泛应用在机床、汽车、仪器、冶金机械及其它机器或设备中；利用蜗杆传 动传动比大省力的特点，以及它的自锁性能，在起重机械中广泛应用。蜗杆传动由蜗 杆相对于蜗轮的位置不同分为上置蜗杆和下置蜗杆传动。 2.32.3弧面蜗杆的加工弧面蜗杆的加工 这种蜗杆按其蜗旋面的形成特征可分为阿基米德螺线蜗杆、法向直廓蜗杆和渐开 线蜗杆，通常都采用前面两种。 蜗杆的技术要求与轴类零件相同，只是增加了蜗杆螺牙的制造程度和光洁度。 在车床上用车刀加工蜗杆是最普通的方法。车蜗杆和车梯形螺纹的方法相类似，所 用的车刀刃是直线型的，刀尖角等于 2=40。一般在蜗杆时将车刀刀刃放于水平位置， 并且与蜗杆轴线在同一水平面内，这样加工出来的蜗杆在垂直于轴心线的截面内齿形 是阿基米德螺线，所以叫阿基米德蜗杆，它的轴向截面齿形是直线的，法向截面齿形 不是直线的。当螺旋线升角较大时，如果仍把车刀刀刃放置在水平位置上，车刃的两 个刀刃的前后角就很不理想，总会有一个刀刃是没前角，为了使车刀获得合理的前角 和后角，常用的把车刀分别加工蜗杆的两个侧面，或者将车刀刀刃放在蜗杆齿面的法 向位置来加工蜗杆，这样加工出来的蜗杆，轴向截面齿形不是直线的，而法向截面齿 形才是直线的。所以叫法向直廓蜗杆，也有叫延长渐升线蜗杆的，正因为如此，小螺 旋线升角（小于 5）常用阿基米德蜗杆，大螺旋线升角常用法向直廓蜗杆，也是由加 工方法而决定的。 当批量较大时，可以在专用铣床或车床改装成专用铣床上，采用长状铣刀和指状铣 刀来精铣蜗杆，然后再用车刀来进行精加工，可提高生产率。 如果蜗杆精度要求不太高，通常用车削就可完成加工。但对于高精度的分度蜗杆， 或较高精度的高转速传动蜗杆，由于需经淬火处理，故车削只能作为淬火前的加工， 而需采用启削作为终加工，用来启削蜗杆的机床，可以用车床改装，也可以用铲启车 东北大学毕业设计（论文） -9- 床，还有专门设计的蜗杆启床（例如 S7712 蜗杆启床）和精密螺母启床（如 S7520W 万 能螺丝启床） 。 2.42.4弧面蜗轮的加工弧面蜗轮的加工 普通蜗轮的技术要求与圆柱齿轮基本相同，主要包括三个方面：（1）齿形的加工 精度和齿侧；（2）蜗轮胚基准孔，喉结部分的尺寸精度和几何形状精度，基准孔与喉 结轴心线的不同轴度，基准端面对基准孔轴心线的不垂直度，如果是嵌入轮圈式蜗轮， 还必须对组装的配合表面提出一定的精度要求；（3）装面光洁度。 与圆柱齿轮加工相似，蜗轮加工也是经过蜗轮胚加工和齿形加工两个阶段。齿胚加 工与圆柱齿轮齿胚加工基本上相同，但胚加喉结部分的加工，如果是嵌入轮圈式的， 首先将轮壳和轮圈分别进行加工，然后组装在一起时进行轮胚的精加工，在进行精加 工时，应将喉结，基准孔和基准端面在一次安装下加工出来，或首先加工好基准孔， 用心轴定位安装来加工喉结和基准端面，以保证喉结、基准孔的不同轴度，以及基准 端面和轴心线的不垂直度。 螺轮齿形的加工是蜗轮整个加工过程中的关键工序，也是加工中的主要矛盾。齿形 加工方法有滚齿、飞刀切齿、剃齿等。冶金矿山机械和重型机械厂主要采用滚齿和飞 刀切齿。 1.用蜗轮滚刀加工蜗轮 在滚齿机上用蜗轮滚刀加工蜗轮齿形是加工蜗轮的一种基本方法，滚动蜗轮与滚切 圆柱齿轮有许多共同点，但椰油很多不同点，这些特点是： 齿轮滚刀的基本蜗杆没有严格的规定，可以采用阿基米德型，法向直廓型或渐 升线型，按工作条件由自己选择，基本蜗杆的直径也可由自己决定。但蜗轮滚刀的基 本蜗杆相当于一般加工蜗轮相啮合的蜗杆，不但蜗杆的类型应相同，而且主要尺寸 （如轴向模数，分度圆直径，头数，螺旋方向，螺旋升角等）均须一致，只是外径比 工作蜗杆稍大一些，以便使加工后的螺轮与蜗杆啮合时有齿顶间隙。坛大量通常为径 向间隙的两倍，即 20.2m =0.4m （m 为轴向模数） 。 蜗轮滚刀水平安装，不需要象加工圆柱齿轮那样刀架要搬角度，同时蜗轮滚刀 轴心线应和蜗轮蜗杆传动啮合状态一样，应在蜗轮中心平面内。 工件的分齿运动应符合蜗杆蜗轮传动速比的关系，即蜗轮滚刀一转，被加工蜗 东北大学毕业设计（论文） -10- 轮应转一个齿（单头滚刀）或几个齿（多头滚刀） 。滚齿机分齿蜗轮的计算与加工圆 柱齿轮的计算或相同。例如 Y38 滚齿机： 当 Z161 时，i分齿=a/b*c/d=24k/z 当 Z161 时, i分齿=a/b*c/d=48k/z 但滚切蜗轮时，不能忽视蜗轮滚刀的头由文 K。 进给方向，加工圆柱齿轮时，滚刀相对被切齿轮由上向下或由下向上作垂直进 给运动。但加工蜗轮时，蜗轮滚刀要保持在蜗轮中心平面内，因此蜗轮滚刀相对工件 只能作径向进给或切向进给。 a）径向进给法：这时蜗轮滚刀向被加工蜗轮作径向进刀，逐渐切至全齿深为止。 这种方法在生产中应用较广，因为生产率高，而且不需要切向刀架（许多滚齿机往往 没有这种附件） 。 径向进给运动是滚切过程中被加工蜗轮转一转，滚刀在水平面没被切蜗轮半径方 向移动 S径毫米，运动是通过径向丝杆来实现的。Y38 滚齿机径向供给传动关系。 工作台蜗轮付 Z96/K蜗杆蜗轮 K1/Z30进给挂轮 i 进给接通离合器 M1齿 轮 Z45/Z36锥齿轮 Z17/Z17锥齿轮 Z17/Z17蜗杆蜗轮 K4/Z20接通 M2螺旋齿 轮 X10/Z20脱落蜗杆 K4/Z20蜗杆蜗轮 K4/Z16锥齿轮 Z20/Z25径向进给丝杆 （t=10 毫米）刀架立柱水平移动。 列成计算式：S径=（工作台转一转）*（96/1）*（1/30）*i进给*（45/36） *（17/17）*（17/17）*（4/20）*（10/20）*（4/20）*（4/16）*（20/25）*10 经简化和整理得到径向进给挂轮调整公式： i进给（径）=（a1/b1）*(c1/d1)=25/4*S径 b)切向进给法：此时用一端为锥形的蜗轮滚刀（也有叫玉米滚刀的） ，沿被加工蜗 轮位切向进给，滚刀和被加工蜗轮的中心距，予先调整到蜗轮蜗杆的中心距 A，加工时 保持不变，依滚刀齿高由小到大，逐渐切至全齿架。滚刀圆锥部分刀齿依切入和粗加 工用，圆锥部分刀齿位精加工和最后修整用。 用切向进给法加工蜗轮时，由于需要滚刀在刀架上作轴向移动，故必须用切向刀架。 这时刀具和工件之间的相互运动关系，除了分齿运动外，还需要切向进给运动和差动 运动。 切向进给运动：指滚刀沿蜗轮切向（即滚刀本身轴线方向）移动，以实现连续进给 的目的。Y38 滚齿机是由专用切向刀架来完成的，其传动关系是工作台或工作转一转， 东北大学毕业设计（论文） -11- 滚刀沿切向移动 S 切毫米。 工作台蜗轮蜗杆 Z96/K1蜗杆蜗轮 K1/Z30进给挂轮 i 进给接通离合器 M1 齿轮 Z45/Z36锥齿轮 Z17/Z17锥齿轮 Z17/Z17（进入切向刀架）锥齿轮 Z17/Z17齿轮 Z35/Z35蜗杆蜗轮 K1/Z50切向进给丝杆（t=5 毫米）切向进给。 列成计算式：S切=（工作台转一转）*（96/1）*（1/30）*（a1/b1*c1/d1） *（45/36）*（17/17）*（17/17）*（17/17）*（35/35）*(1/50)*5 经简化和整理得到切向进给挂轮调整公式： i进给（切）=（a1/b1）*(c1/d1)=5/2*S切 差动运动：切向进给法加工蜗轮时，由于滚刀多了一个切向进给运动。这时被加 工蜗轮（工作台）必须随着刀具移动方向，相应地转过一定角度，称它为附加运动， 因此需要挂差动挂轮。差动挂轮速比的计算，根据滚刀切向（轴向）移动一个轴向齿 距 ms 时，被加工蜗轮的附加转动应为 1/Z 转的关系，由刀具与工件的转动关系列 出。 切向进给丝杆（t=5 毫米）蜗杆蜗轮 Z50/K1齿轮 Z35/Z35锥齿轮 Z17/Z17 锥齿轮 Z17/Z17锥齿轮 Z17/Z17齿轮 Z36/Z45插动挂轮 i差挂蜗杆蜗轮 K1/Z30 差动机构 i差动 2分齿挂轮 i分齿蜗杆蜗轮 K1/Z96工作台。 列成计算式：ms/5*（50/1）*（35/35）*（17/17）*（17/17）*（17/17） *（36/45）*i差挂*（1/30）* i差动2*i分齿*（1/96）=1/Z 其中：i差动 2=2，i分齿=24K/Z（当 Z161 时） ，代入并化简，得到切向进给时， 差动挂轮调整公式： i差挂=a2/b2*(c2/d2)=15/(2msK)=0.38733/msK 式中：ms被加工蜗轮轴向模由文； K蜗轮滚刀头数。 必须指出，用切向进给法加工蜗轮挂差动挂轮，与加工斜齿轮时挂差动挂轮的目 的不同，斜齿轮主要为了保证螺旋角 ，而切向进给法是刀具多了一个切向移动，故 工件（工作台）必须相应地附加转动以补偿刀具切向的移动。 切向进给法的加工精度和光洁度，要比径向进给法高，因为切向进给的滚刀是由 不同的刀齿进行粗加工和精加工的。但切向进给时滚齿机必须富有单独的切向刀架， 而一般中小型滚齿机除专门订货外是不带切向刀架的。因此径向进给法比切向进给法 应用要广泛得多。 东北大学毕业设计（论文） -12- 由以上看出，在滚齿机上用蜗轮滚刀加工蜗轮，只要滚刀和滚齿机的精密度较高， 就可以加工出程度较高的蜗轮来。但这种无法需要有专门的蜗轮滚刀。在冶金厂或矿 山机修车间里，也有用一般齿轮滚刀来加工蜗轮的，因为滚刀也是一个蜗杆，当加工 时若齿轮滚刀的螺旋升角不等于被加工蜗轮的螺旋升角时，可用转动刀架的办法来解 决。这种方法当滚刀与蜗杆的直径和螺旋升角相差较大时，加工误差越大。因此，采 用这种方法加工，在设计蜗杆时应尽量按齿轮滚刀的形状来设计。 2.用飞刀加工蜗轮 用蜗轮滚刀加工蜗轮比较精确，而且生产率也高，但需要专门蜗轮滚刀。当单件 小批生产，特别是一个或几个大型蜗轮时，专做蜗轮滚刀就不合算，而且时间要拖久。 因此，许多冶金矿山机械厂和重型机械厂经常采用飞刀里加工蜗轮。 在滚齿原理和蜗杆蜗轮啮合原理中知道，滚刀或蜗杆在中心平面剖面内相当于一 个齿条，旋齿加工就象齿条与齿轮相啮合的情况一样。如果只用蜗轮滚刀沙锅内一个 刀齿来切削，使这个刀齿一方面旋转，同时又作相应的轴向移动，这样刀齿走的路线 和滚刀刀齿的螺旋线一样，因此象滚刀一样能铣出正确的齿形来，这就是飞刀加工的 原理。 飞刀刀头的齿形和蜗轮滚刀上一个刀齿一样，也和蜗杆轴向剖面内的齿形相同， 仅齿顶高大 0.2ms，飞刀刀头的尺寸根据被加蜗轮的模数=2，压力角 =20的蜗轮飞 刀刀头尺寸。飞刀在刀杆上的安装，其中： R=d顶1/2+0.2ms ， L=Rd刀杆/2， （d顶 1蜗杆外径，d刀杆 飞刀刀杆直径 ） 飞刀刀杆材料选用 W18Cr4V 高速钢，淬大后切削部分硬度达 HRC6064，齿形部分 要进行研究，并用梯板透光检查。 飞刀刀杆的结果主要应满足刀头浆固，不致在加工中松动，是一种加工中小模数 的飞刀刀杆，飞刀装在刀杆 1 的圆孔中，由螺母面通过压紧套筒工来压紧，这种结构 简单调节方便。另外，在加工大模数蜗轮时，可采用刀杆结构，它用斜面或圆弧面来 卡紧，使飞、刀不会转动或滑动，所以能承受较大的切削力。 用飞刀加工蜗轮时，飞刀装在专用的飞刀刀杆上，由刀杆带动飞刀一面旋转，一 面切向（轴向）进给，这就要求在滚齿机上装上切向刀架，挂上切向进给挂轮，就能 使飞刀在铣齿过程中连续的作轴向移动。由于飞刀作轴向移动，故被加工蜗轮除了有 分齿运动外，还应有和上述切向进给法相同的附加转动，即应挂差挂轮。升车加工之 东北大学毕业设计（论文） -13- 前，应将刀杆中心的距离按图纸调整到蜗杆螺啮合时的中心距离，分几次将蜗轮切成， 由于飞刀只有一个刀齿，一转内在蜗轮上的切痕比液刀一转的切痕少得多，为了保证 齿面有一定的光洁度，切向进给很小，因此因产率很低，所以只是没有蜗轮滚刀并且 单件小批生产才采用飞刀加工。 3.蜗轮的剃齿和珩齿 为了提高蜗轮付的接触精度，有些工厂在蜗轮粗精滚之后，采用剃齿作为最终齿 形加工工序。剃齿刀的形状和主要尺寸与工作蜗杆相同，只是在这蜗杆螺旋工作台上 开出很多小槽，以形成切削刃。剃齿刃的外径比工作蜗杆外径较大一点(约 0.2ms),以 保证蜗轮全部有效齿面都能加工。 剃齿方法有自由剃和强通剃两种，自由剃在剃削时蜗轮与机床传动能脱开，只是 依靠顶尖和转台，由剃刀在切削过程中自由带动，只辅加以一定的阻尾力来提高切削 效率，因此机床分变机构精度没有影响，被加工蜗轮的相邻周节误差主要取决于剃齿 刀的齿距精度和机床装刀轴的径向和轴向窜动。强迫剃在剃齿时蜗轮仍与机床传动链 相联系，故相邻周期误差仍与机床有关。 有些工厂在蜗轮经粗滚精滚后，采用珩面方法来作为精密蜗轮的最终工序。珩面 是用珩面蜗杆装在滚齿机的滚刀上，以自由或强迫的运动来带动蜗轮进行切削。珩面 杆是由面料、粘结剂（如环氧树脂等）浇注成形并经修面而制成，其参数除外径略小， 齿厚称法外，其余与工作蜗杆在同样条件刃面出。 一般珩面蜗杆的线速度比剃齿高一些，珩面时应采用足够的冷却。珩齿对提高蜗 轮齿面光洁度十分显著，一般可达 8。 剃齿和珩齿目前工厂里均有采用，剃齿的优点能提高接触粘度，生产率较高，但 剃齿制造困难，且剃刀使用寿命有限，因此有些工厂多采用珩齿法加工，因珩齿蜗杆 制造简单，成本低，周期小，其主要缺点是生产率低。 第第 3 3 章章 弧面蜗杆数控专用机床弧面蜗杆数控专用机床 3.13.1 加工弧面蜗杆蜗轮传统机床加工弧面蜗杆蜗轮传统机床 3.1.13.1.1 在滚齿机上加工圆弧面蜗杆和蜗轮在滚齿机上加工圆弧面蜗杆和蜗轮 根据目前我国的情况，采用专用机床还很少，大多数工厂采用滚齿机来加工圆弧 面蜗杆和蜗轮，滚齿机已具有上述加工圆弧面蜗杆蜗轮的各项基本运动，原则上只要 东北大学毕业设计（论文） -14- 将弧面蜗杆毛胚安装到滚齿机刀架上，刀盘装到工作台上就能加工蜗杆。至于圆弧面 蜗轮的加工与普通蜗轮在滚齿机上加工完全相同，仅仅刀具是圆弧面蜗轮滚刀。然而 滚齿机不是打算用来加工弧面蜗杆的，所以必须对滚齿机进行适当的改装，或者由机 床厂生产专门加工圆弧面蜗杆的变型滚齿机。改装滚齿机主要是： 1.毛胚的安装，在滚齿机沙锅内加工圆弧面蜗杆，最简单的办法是将蜗杆毛胚一 端作出工艺锥，直接将蜗杆毛胚安装到刀架主轴上，而另一端用支承架支承。但是， 圆弧面蜗杆的直径和角度通常较大，原滚齿机的刀架大部分不能装夹，因此，许多工 厂设计制造一种结构简单，刚性好的专用刀架，专供切制圆弧面蜗杆和蜗轮之用，也 有些工厂将原切向刀架改装为加工圆弧面蜗杆的。 2.主轴转速的降低，用切刀加工圆弧面蜗杠螺牙时需要低的转速，如果用指状铣 刀杆螺牙需要更低的转速，而滚齿机主轴的最低转速还是偏高，例如 Y320 滚齿机最低 转速为 0.6 转/分，因此，必须设法降低主轴转速。通常是设计另外一套减速系统来代 替原来机床主电动机，某重型机械厂设计制造的减速减置用在 5330（1.5 米）滚齿机 上，为了提高生产率，应将空程转速加快，在减速装置中配置一超越离合器，空程时 快速运动直接由原机床电动机通过超越离合器来带动。 另一种减速装置，当电磁离合器 1 吸合时，运动由电动机经蚂杠蚂轨付传到轴 上，再由皮带轮传到机床主运动中去，这时获得低转速，用来切削圆弧面蜗杠。若电 磁离合器 2 吸合时，运动由电动机经转轴、锥齿轮、轴到，再由皮带轮传进机 床主运动，用于空程和精车弧面。 3.周围进给机构，在滚齿机上加工圆弧面蜗杆，当粗切达到中心距后，精切时必 须采用圆周进刀。一种办法是将分齿挂轮的一个齿轮拔出后错动 1 个或几个牙齿再装 进去，另一个办法是转动差动机构。前者需要仃止机床，操做麻烦，后者差动机构离 工件很远，可以从差动挂轮架齿轮通过一长轴引到工作台附近，并在轴上装上分度盘， 这样就能在工作台附近操作差动机构，方便而准确地进行圆周进刀。 3.1.23.1.2 在改装车床上加工圆弧面蜗杆在改装车床上加工圆弧面蜗杆 有些中小型冶金矿山机械厂，采用改装普通车床来加工圆弧面蜗杆获得较好的效 果。有些矿山机械厂将 C630 车床改装为圆弧面蜗杆加工机床。 将原有小拖板卸掉，换上一特制拖板，此拖板上装上回转工作台，在大拖板后安 装上差动箱，分齿挂轮架固定在床身上，工件安装在卡盘和后顶尖之间，由车床主轴 带动旋转，由于 C630 车床最低转速为 14 转/分，需降低到 3.5 转/分，故在主电动机 东北大学毕业设计（论文） -15- 和主轴箱之间加一减速机（i=4） 。刀盘装在回转工作台上，分齿运动由主轴上 Z140 齿 轮，经分齿挂轮架上升轮 E43 齿轮，轴、差动机构、锥齿轮、花毡轴、蜗杆蜗轮付传 动。主轴和工作台的旋转运动应符合工作蜗杆蜗轮付的传动比，如果采取对称修型， 则传动比应符合修型后传动比，比处修型后传动比为 i=43，故传动链计算式为： i分齿=（工件转一转）*Z140/Z43*i差动*（Z25/Z25）*K1/Z70 式中：i差动=1/2 故 i分齿=i=43 如果被加工圆弧面蜗杆蜗轮付的传动比改变了，只需要换分齿挂轮架上齿轮就能 满足要求。回转工作台的径向进给可用原车床横向进给机构来实现。但必须进一步降 低进给量。可以更换从主轴到进给箱之间挂轮来获得。工作台的周围进给靠手柄经差 动机构来达到。 在普通车床上加工圆弧面蜗杆具有操作方便，改装容易等优点。缺点是目前没有 高精度回转工作台，有些工厂采用铣床回转工作台附件，其精度较差，另一个是安装 工作台的大拖板刚性较差，床身导轨的宽度也不够。但对于中小型工厂，采用普通车 床加工中小型圆弧面蜗杆容易实现，解决上述缺点的办法是制造高精度回转工作台， 并在车床前面加辅助导轨，换一个刚性好的大拖板。 3.23.2 弧面蜗杆加工专用机床设计弧面蜗杆加工专用机床设计 普通机床改装成加工弧面蜗杆专用机床的优点是容易实现，但制造精度较高，所以 新设计加工弧面蜗杆专用机床时，几乎都采用数控技术，用伺服电机来控制各种进给 运动。图4是将普通车床进行数控改造成弧面蜗杆加工专用机床的传动结构示意图，更 换原车床上纵向，横向丝杆为滚珠丝杆，分别用1#、2#步进电动机控制；将回转工作 台2固定在拆除刀架后的中拖板1上，由3#步进电动机控制，使回转工作台做旋转运动 2；回转工作台上新增加纵向丝杆4，横向丝杆8和横向托架9，由4#、5#步进电动机 控制其运动，并将动力磨削头11固定在此托架上。工作装夹在分度头13和尾座顶尖10 之间，6#步进电动机控制并带动工件作旋转运动。 这台数控专用机床由两套单片微机系统串联控制，主单片微机控制3#，4#，5#步进 电机；子单片微机控制1#，2#，6#步进电机。子微机由主微机通过发讯控制启动运行。 微机装置具有直线，斜线，圆弧插补加工功能，直线插补由单台步进电机控制，斜线 和圆弧插补由两台步进电机联动控制运动。当控制回转工作台旋转和分度头转动的 3#，6#步进电机联动运行时，安装在回转工作台上的动头磨头带动砂轮12或盘形铣刀 东北大学毕业设计（论文） -16- 切削工件，能复合插补出弧面蜗杆所需的轨迹曲线，从而完成弧面蜗杆的切削加工。 在加工弧面蜗杆螺旋齿面时，应用斜线指令，用回转工作台和分度头的两旋转长度来 代替斜线指令中的两直线长度，完成弧面蜗杆加工所需的展成运动。加工中进刀退刀 或变换弧面半径的运动，则由4#、5#步进电机来控制。普通圆拄蜗杆也可以在此专用 机床上加工，只需要换回转工作台的旋转位移为机床纵向丝杆的直向位移，由1#步进 电机控制运行，采用斜线插补指令来实现。 这套机床单片微机系统具有三坐标控制，并可实现任意两坐标联动进给的功能。 利用收发讯指令，可启动子微机运行，实现两套单片微机的串联并行控制，由此可达 到六坐标中任意四坐标的联动运动。四坐标的联动，完全可以满足弧面蜗杆加工专用 机床的加工运动要求，也可以满足加工普通圆柱蜗杆的要求。 第第 4 4 章章 弧面蜗杆数控专用机床总体结构方案设计弧面蜗杆数控专用机床总体结构方案设计 4.14.1 加工机床运动的基本要求加工机床运动的基本要求 根据圆弧面蜗杆蜗轮的加工原理，对机床的运动要求如图所示，由于加工蜗轮的 刀具与蜗杆相似，所以加工蜗杆的机床也能加工蜗轮，加工圆弧面蜗杆专用机床，必 须具有以下基本运动： 分齿A s1 v1 2 s3 v2 v3 图3-1 加工圆弧面蜗杆蜗轮副机床的基本运动 （1）切削运动（主运动）1：即被加工蜗杆的旋转运动。 （2）分齿运动 2：随着蜗杆以 1 旋转，刀盘也要以 2 的速度相应旋转，并要求 1 和 2 之间有准确的传动关系，即 U 分齿=1/2=Z2/Z1,被加工蜗杆和刀盘的旋 东北大学毕业设计（论文） -17- 转方向应符合蜗杆蜗轮副的啮合关系。1 和 2 也可统一称齿廓形成运动（展成运 动） 。这两个运动是切削弧面蜗杆齿面或滚动蜗轮齿面的最基本运动，由速度挂轮和分 齿挂轮来调整。 （3）径向进给运动 S1 和圆周进给运动 3。 （4）调整运动 S2 和 S3：此两个运动是用来调整蜗杆的轴向位置和刀盘的上下位置。 4.24.2 弧面蜗杆数控专用机床总体方案弧面蜗杆数控专用机床总体方案 设计任务是将 CK6163 型数控卧式车床改造成经济型弧面蜗杆数控专用机床。根据 圆弧面蜗杆蜗轮的加工原理，初步选择弧面蜗杆数控加工专用机床参数如下： 1、车床纵向运动由 X1 向（1#）步进电动机联接控制 130BF001 型步进电动机： 配套丝杆螺距：8mm 脉冲当量：0.01mm 2、车床横向运动由 Z1 向（2#）步进电动机联接控制 110BF001 型步进电动机： 配套丝杆螺距：6mm 脉冲当量：0.005mm 3、圆盘工作台由 Y1 向（3#）步进电动机联接控制 130BF001 型步进电动机： 配套丝杆螺距：6mm 脉冲当量：0.005mm 4、圆盘工作台上纵向运动由 X2 向（4#）步进电动机联接控制 110BF001 型步进电动机： 配套丝杆螺距：6mm 脉冲当量：0.01mm 5、圆盘工作台上横向运动由 Z2 向（5#）步进电动机联接控制 110BF001 型步进电动机： 配套丝杆螺距：6mm 脉冲当量：0.005mm 东北大学毕业设计（论文） -18- CK6163 数控车床改造为弧面蜗杆专用加工机床后，要求能完成一般车削及加工任 意锥面、球面、螺纹等，并具有回转工作台及其它辅助功能。 根据设计任务，选用 JWK-5/2 经济型机床微机控制系统。该系统采用 MCS-51 系列 单片机，ISO 国际标准数控代码编程，功能较完备，驱动性能好。纵向和横向均采用 步进电动机降速齿轮滚珠丝杠螺母副溜板的传动方式。 4.34.3 专用弧面蜗杆数控车床的基本结构专用弧面蜗杆数控车床的基本结构 1、床身 床身是用 HT300 浇铸而成的。它由牢固的横向十字筋组成，振动低。2 个 90V 形 平导轨是经过高频淬火和精密磨削加工而成的，拖板和尾架各使用一个 90V 形平导 轨。纵向走刀（Z 向）采用滚珠丝杆传动，丝杆安装在床身前面，主电机安装在床身后 面。 2、主轴箱 主轴箱是用 HT250 浇铸而成的，它由 4 颗螺钉固定在床身上。在床头箱里，主轴安 装在 2 个圆锥滚子轴承（7210、7212）上。主轴有一个 38 的通孔，主轴端内孔锥度 为莫氏 5 号。 3、拖板 大拖板是用 HT200 浇铸而成的，其滑动导轨面经过精密磨削，它与床身上的 90 V 形平导轨之间无间隙，下面的滑动部分能够简单而又方便的调整。中拖板是安装在大 拖板上的，通过滚珠丝杆传动可带动中拖板在大拖板上滑动，可通过镶条来调整中拖 板与大拖板燕尾导轨的间隙。 4、尾架及其调整 尾架通过锁紧受柄拉紧锁紧块，固定在床身上，尾架有一个带 3 号莫氏锥孔的套 筒。尾架套筒在任何位置都能用锁紧手柄将其锁紧。 5、工作台 弧面蜗杆数控专用加工机床的回转工作转台由滑座、十字滑台、工作台等零件组 成。工作台 X 轴向移动，由已预紧且通过座、紧固在工作台上的滚珠螺母和两端分别 用右托架、电机座固定在十字滑台上的丝杆的转动来实现。丝杆是由电机通过同步齿 形带及两带轮来驱动的。工作台 Y 向移动由已预紧且通过底座、紧固在十字滑台上的 东北大学毕业设计（论文） -19- 滚珠螺母和用电机座固定在滑座上的丝杆转动来实现的。丝杆是由电动机通过同步齿 形带及带轮来驱动的。工作台面有六条 T 形槽，用来对工件进行安装、定位，中间的 T 形槽是定位 T 形槽。 图3-2 工作台结构示意图 130BF001 110BF001 110BF001 110BF001 第第 5 5 章章 弧面蜗杆数控专用机床的主传动系统设计弧面蜗杆数控专用机床的主传动系统设计 5.15.1 传动结构式和结构网的选择传动结构式和结构网的选择 5.1.15.1.1 主传动的确定主传动的确定，和公比和公比 的确定的确定： nmaxnmin 根据 ZJK-7532 的使用说明书，初步定主轴转速范围为 321000rmin， 则 =1.36 1Z nR 1 min max z n n 11 35 1000 由设计手册取标准值得：=1.26。 令，则min/1000 max r n min/32 1000 26 . 1 11 1 max min r Z n n 则取。 min/1000min,/32 maxmin rr nn 东北大学毕业设计（论文） -20- 5.1.25.1.2 确定变速组和传动副数目确定变速组和传动副数目： 大多数机床广泛应用滑移齿轮的变速方式，为了满足结构设计和操纵方便的要 求，通常采用双联或三联滑移齿轮，因此主轴转速为 12 级的变速系统，总共需要两 个变速组。 5.1.35.1.3 确定传动顺序方案：确定传动顺序方案： 按着传动顺序，各变速组排列方案有： 12322 12232 12223 从电机到主轴，一般为降速传动。接近电机处的零件，转速较高，从而转矩较小， 尺寸也就较小。如使传动副较多的传动组放在接近电机处，则可使小尺寸的零件多些， 而大尺寸的零件可以少些，这样就节省省材料，经济上就占优势，且这也符合“前多 后少”的原则。从这个角度考虑，以取 18=332 的方案为好，本次设计即采用此 方案。 5.1.45.1.4 确定扩大顺序方案：确定扩大顺序方案： 传动顺序方案确定以后，还可列出若干不同扩大顺序方案。如无特殊要求，根据 “前密后疏”的原则，应使扩大顺序和传动顺序一致，通常能得到最佳的结构式方案， 故选用 12结构式方案。 1 3 3 2 6 2 检查最后扩大组的变速范围： r=10800 . 4 26 . 1 6 6)12(23 故合符要求。 5.25.2 转速图的拟订转速图的拟订 根据已确定的结构式或结构网议定转速图时，应注意解决定比传动和分配传动比， 合理确定传动轴的转速。 1. 定比传动 在变速传动系统中采用定比传动，主要考虑传动、结构和性能等方面的要求，以 及满足不同用户的使用要求。在钻铣床的设计中，总降速比为 u=125/1440=0.087。若 每一个变速组的最小降速比均取 1/4。则三个变速组的总降速可达 东北大学毕业设计（论文） -21- 。故无需要增加降速传动，但为了使中间两个变速组做到降速缓016 . 0 64 1 4 1 4 1 4 1 慢，以利于减小变速箱的径向尺寸和有利于制动方便，在轴间增加一对降速传 动齿轮（） ，同时，也有利于设计变型机床，因为只要改变这对降速齿轮传动比， 34 24 在其他三个变速组不变的情况下，就可以将主轴的 12 种转速同时提高或降低，以便满 足不同用户的要求。 2. 分配降速比 前面已确定，12322 共需三个变速组，并在轴间增加一对降速传动齿 轮，要用到四个变速组，在主轴上标出 12 级转速：1251600r/min,在第轴上用 A 点代表电动机转速，最低转速用 E 点标出，因此 A,E 两点相距约 11min/1440 0 r n 格，即代表总降速传动比为。 11 1 ut 3. 定出各变速组的最小传动比绘制转速图 根据降速前慢后快的原则，在轴间变速组取，在轴间变速组 4 1 u 取，在轴间变速组取，则： 3 1 u 2 1 u 东北大学毕业设计（论文） -22- 电机 1000 800 630 500 400 315 250 32 40 50 63 80 100 125 160 200 130:186 40:32 32:40 36:36 32:40 190:304 42:42 24:60 60:24 30:60 24:60 1450 图4-1 转速图 5.35.3 传动方案的拟订传动方案的拟订 根据以上分析及计算，拟定主轴箱、变速箱传动结构图如下： 图4-2 主轴箱传动结构图 发生器 带轮 Z15 Z14 Z6 Z7 Z8 Z9 Z10 Z11 Z12 Z13 东北大学毕业设计（论文） -23- 主电机 功率：13千瓦 转速：1450转/分 带轮 Z1（双联滑移） 图4-3 变速箱传动结构图 带轮 带轮 Z2 Z3 Z4 Z4(双联滑移） 图 4-3 中，第轴至第轴，其结构式为： 4=22.21 图 4-2 中，第轴至第轴，机床主轴箱传动系统采用分离传动，其主要特点是： （1） 在满足传动副极限传动比的条件下，可以得到较大的变速范围。 （2） 高速由短支传动，有助于减少高速时机床的空运转功率损失。而且高速分支 的尺寸可相对小些。 （3） 变速级数不像常规变速系统那样受 2，3 因子的限制，如与部分转速重合的方 法配合，几乎可以得到任意的变速级数，大大增加了可供选择方案