一种面齿轮磨削用鼓形蜗杆砂轮成形修整方法
技术领域
本发明属于齿轮制造领域，尤其是面齿轮的磨削加工，具体涉及一种面齿轮磨削用鼓形蜗杆砂轮成形修整方法。
技术背景
面齿轮副具有传动比大、重合度高、结构紧凑、对安装误差不敏感等优点，主要应用于直升机减速器中。作为直升机动力传动装置的核心零件之一，面齿轮必须在高速、重载的工况下保持优良的性能，这极大提高了对面齿轮齿面精度的要求。
磨削工艺是提高齿轮齿面精度的主要手段。针对面齿轮的蜗杆砂轮磨削工艺，LITVIN等设计了面齿轮蜗杆砂轮磨削机床，基于蜗杆砂轮的廓形特征，提出了面齿轮蜗杆砂轮的成形修整和平面修整方法。南京航空航天大学朱如鹏等基于单参数包络和双参数包络提出了两种面齿轮蜗杆砂轮修整方法，并设计了面齿轮蜗杆砂轮专用修整机构。西北工业大学郭辉等提出在数控圆柱齿轮磨齿机上分别以成形金刚滚轮和标准锥面滚轮修整面齿轮蜗杆砂轮的方法，但存在修整精度和修整效率不高的问题。可见对面齿轮蜗杆砂轮修整大都需要在专用设备上进行，缺乏通用性，此外，修整精度和效率还有待提高。因此，在普通蜗杆砂轮磨齿机上进行面齿轮蜗杆砂轮的高精高效修整对面齿轮磨削技术的发展具有重大意义。
发明内容
针对现有方法存在的缺陷，本发明提供了一种面齿轮磨削用鼓形蜗杆砂轮成形修整方法，该方法采用成形金刚滚轮，在普通圆柱齿轮蜗杆砂轮磨齿机上进行。以砂轮的偏心摆动为修整冲程运动，基于虚拟中心距加工原理，将砂轮偏摆运动进行分解，通过四轴联动方式实现鼓形蜗杆砂轮螺旋面的修整。利用该方法修整面齿轮磨削用鼓形蜗杆砂轮无需设计专用机床或专用修整机构，且具有较高的修整效率和精度。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种面齿轮磨削用鼓形蜗杆砂轮成形修整方法，在普通蜗杆砂轮磨齿机上，将成形金刚滚轮置于砂轮正上方，使蜗杆砂轮在竖直平面相对于金刚滚轮以Os为中心作偏心摆动，通过鼓形蜗杆砂轮和成形金刚滚轮之间的相对圆弧摆动完成鼓形蜗杆砂轮的成形修整。
作为本发明的一种优选方案，基于虚拟中心距加工原理，将蜗杆砂轮在竖直平面的偏心摆动分解为两个运动，一是砂轮绕A1轴中心OA的转动，二是砂轮在Y-Z平面的平动。
作为本发明的一种优选方案，砂轮的自转由砂轮旋转轴B1实现，砂轮绕OA的转动由刀架回转轴A1实现，砂轮在Y-Z平面的平动由切向进给轴Y1和轴向进给轴Z1共同实现，控制B1、A1、Y1和Z1四轴联动，使砂轮匀速旋转的同时相对滚轮作偏心摆动从而修整出鼓形蜗杆砂轮螺旋面。
作为本发明的一种优选方案，为实现在法截面上对砂轮进行修整的目的，修整鼓形蜗杆砂轮时，成形金刚滚轮通过C2轴绕竖直方向摆动角度λ，λ为鼓形蜗杆砂轮名义螺旋升角，计算公式如下：
式中，nw为蜗杆头数，r为与鼓形蜗杆砂轮对应插齿刀的分度圆半径，zs为与鼓形蜗杆砂轮对应插齿刀的齿数，E为蜗杆砂轮与对应插齿刀的轴距。
作为本发明的一种优选方案，在联动过程中，B1、A1、Y1和Z1轴的行程关系计算方法为：选取行程计算初始点，并将初始点记为“0”，在初始点砂轮刀架水平，砂轮中心Ow与滚轮中心Od在竖直方向处于同一直线上，砂轮与滚轮处于正确安装位置，令B1轴带动蜗杆砂轮相对于初始点“0”转过任意角度Δbi，此时砂轮应当同时偏摆到位置“i”，根据运动分解原理，将砂轮的偏摆运动分解到机床A1、Y1和Z1轴上，将A1、Y1、Z1轴的行程分别记为Δai、Δyi、Δzi，三者与B1轴行程的关系如下：
Δai＝Δbi/zs
Δyi＝E tan(Δbi/zs)+e(1-1/cos(Δbi/zs))
Δzi＝-e tan(Δbi/zs)-E(1-1/cos(Δbi/zs))
式中，Δbi为B1轴行程，zs为与鼓形蜗杆砂轮对应插齿刀的齿数，E为蜗杆砂轮与对应插齿刀的轴距，e为A1轴旋转中心OA与滚轮中心Os在水平方向的偏距。
本发明的有益效果是：本发明在普通蜗杆砂轮磨齿机上使用成形金刚滚轮实现了面齿轮磨削用鼓形蜗杆砂轮的双边成形修整，具有较高的修整精度和效率；本发明所涉及的鼓形蜗杆砂轮的修整运动能够通过普通蜗杆砂轮磨齿机的四轴联动实现，使面齿轮磨削脱离了专用机床的限制，提高了磨齿机的通用性。
附图说明
图1为常用普通蜗杆砂轮磨齿机结构示意图；
图2为鼓形蜗杆砂轮成形修整原理图；
图3为虚拟中心距的鼓形蜗杆砂轮修整方法示意图；
图4为修整过程砂轮运动简图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
一种面齿轮磨削用鼓形蜗杆砂轮成形修整方法，采用成形金刚滚轮，在普通蜗杆砂轮磨齿机上通过四轴联动方式对鼓形蜗杆砂轮进行修整，具有较高修整效率和修整精度。
常用普通蜗杆砂轮磨齿机结构如图1所示，主要的运动轴有X1径向进给轴、Y1切向进给轴、Z1轴向进给轴，以及A1刀架回转轴、B1砂轮旋转轴、C1工件旋转轴，可以实现X1、Y1、Z1、A1、B1、C1六轴联动。除此之外，还有B2滚轮旋转轴和C2滚轮偏摆轴。在普通蜗杆砂轮磨齿机上，砂轮轴线可绕A1轴中心旋转，始终平行于Y-Z面；金刚滚轮轴线可绕C2轴偏转，始终与X-Y面平行，但偏转角度十分有限。
以下表中的蜗杆砂轮设计参数为例。
鼓形蜗杆砂轮的法截面廓形如图2所示，其法截面廓形与对应插齿刀的廓形相同，与普通圆柱蜗杆砂轮不同，鼓形蜗杆砂轮的外缘轮廓为圆弧而非直线。故对鼓形蜗杆砂轮进行成形修整时，采用截面廓形与插齿刀齿槽廓形相同的成形金刚滚轮，在蜗杆砂轮的法截面上进行，并以金刚滚轮在砂轮轴向相对于砂轮的圆弧偏摆运动作为修整冲程运动，偏摆中心Os与砂轮中心Ow不重合。
根据鼓形蜗杆砂轮型面特征和磨齿机结构特征，为了在普通蜗杆砂轮磨齿机上实现鼓形蜗杆砂轮的修整，需将成形金刚滚轮置于蜗杆砂轮正上方，如图3所示，滚轮和砂轮需分别完成以下运动：
对于金刚滚轮，通过B2轴使其绕自身轴线高速回转，并利用C2轴使其在竖直平面转动角度以达到在法截面修整蜗杆砂轮的目的。
对于蜗杆砂轮，通过B1轴使其绕自身轴线匀速旋转，同时，利用A1、Y1、Z1轴与B1轴的联动使砂轮相对于滚轮作偏心摆动。砂轮的偏心摆动可分解为由A1轴实现的绕OA的转动和由Y1、Z1轴共同实现的在Y-Z平面的平动。控制B1、A1、Y1和Z1四轴联动，使砂轮匀速旋转的同时相对滚轮作偏心摆动从而修整出鼓形蜗杆螺旋面。
在联动过程中，B1、A1、Y1和Z1轴的行程关系可根据图4的运动简图计算，图4a)所示位置为行程计算初始点，并将初始点记为“0”，在初始点砂轮刀架水平，砂轮中心Ow与滚轮中心Od在竖直方向处于同一直线上，砂轮与滚轮处于正确安装位置，当B1轴带动蜗杆砂轮相对于初始点“0”转过任意角度Δbi时，砂轮应当同时偏摆到位置“i”，根据运动分解原理，将砂轮的偏摆运动分解到机床A1、Y1和Z1轴上，如图4b)所示，A1、Y1、Z1轴的行程分别记为Δai、Δyi、Δzi，三者与B1轴行程的关系如下：
Δai＝Δbi/zs
Δyi＝E tan(Δbi/zs)+e(1-1/cos(Δbi/zs))
Δzi＝-e tan(Δbi/zs)-E(1-1/cos(Δbi/zs))
式中，Δbi为B1轴行程，zs为与鼓形蜗杆砂轮对应插齿刀的齿数，E为蜗杆砂轮与对应插齿刀的轴距，e为A1轴旋转中心OA与滚轮中心Os在水平方向的偏距。
在普通蜗杆砂轮磨齿机上，通过数控系统控制B1、A1、Y1、Z1四轴联动，完成金刚滚轮和蜗杆砂轮之间的相对摆动，实现鼓形蜗杆砂轮螺旋面的修整。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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