| 标题 | 平面二次包络环面蜗杆副数控车削加工的研究 |
| 范文 | 董丽娟 摘 要：以理论齿面方程为基础，依靠Matlab的数值计算能力以及编程能力，对齿面方程进行编程，并用Matlab对齿面方程进行建模仿真，得到环面蜗杆的仿真图形；然后运用VB对Solidworks进行二次开发，使齿面点输入到Solidworks中，运用API函数对齿面点进行离散数据处理后生成实体，最终得到环面蜗杆的三维实体模型；运用空间转换矩阵将螺旋线方程转换到一个固定坐标系中，将数据转换成走刀数据，选择要运用的数控系统，把数控程序导入Vericut中进行仿真车削，从而验证数控车削加工原理的合理性；对普通数控车床的运动轴所产生的误差进行分析，然后对数控加工进行误差分析，将普通数控车床作为环面蜗杆的粗加工，为环面蜗杆精加工提供基础。 关键词：平面二次包络环面蜗杆；建模仿真；实体建模；数控车削加工 1 绪论 平面二次包络环面蜗杆副属于蜗轮蜗杆传动，与普通的蜗轮蜗杆传动相比较，平面二次包络环面蜗杆副中的蜗轮和蜗杆都有一个弧面，弧面的存在使得蜗轮和蜗杆在接触的过程中，包络接触齿数变多，各个齿上均布的力相对变小，提高了承载能力，延长了使用寿命。此外，平面二次包络环面蜗杆副还具有瞬时双线接触、工作齿面宽、润滑条件良好等优点，优越的性能使其广泛应用于各种大型机械设备当中，但是现有的加工制造方法却极大地限制了平面二次包络环面蜗杆副的推广应用。 对偶范成法是较为传统的加工方法，自动化程度较低，对操作工人的技术水平要求较高，加工工艺繁琐且很难保证加工精度，无法满足现代化市场的巨大需求。所以，加工制造水平的落后，导致市场上投入使用的仍然是使用性能低下的圆柱蜗杆传动，理论上的优越性能无法在实际加工中凸显出来，精度较高的传动副仍然需要进口。随着我国工业技术的发展，我国在平面二次包络环面蜗杆副的理论摸索上也有了重大突破，对数控加工、数字建模都有长足的发展，高精度传动副由进口逐渐转变为自行加工。 平面二次包络环面蜗杆是以平面为母面来包络产生蜗杆齿面的，按照展成法加工蜗杆，其加工过程完全与理论相契合，并且被加工零件能实现高精度、高硬度，较好的表面粗糙度等优点。把理论方程与Matlab、Visual Basic和Solidworks相结合，然后对蜗杆进行数字化建模，在此基础上实现实体建模，把数控加工所需要的数据存储于Matlab中，在提高蜗杆的数控加工精度和效率的同时又能保证蜗杆理论齿面的建模精度。 Matlab数值计算速度快，方法便捷，编程能力强，功能强大。Matlab的基本数据单位是矩阵，而蜗杆是在矩阵的基础之上建模的，为了保证蜗杆齿面方程的正确性，给蜗杆实体建模和后续的数控加工提供坚实的基础，在齿面生成后，离散数据提取曲线，通过对蜗杆理论齿面进行编程，用Matlab实现蜗杆的建模和仿真。Solidworks操作界面简单，建模功能强大，但是不太擅长蜗杆这种曲面建模，用VB对Solidworks进行二次开发后，更好的解决了对蜗杆齿面的建模，以及通过对蜗杆齿面的拟合求得蜗杆的齿根面和齿顶面，实现蜗杆的实体建模，为数控加工提供了模型比对；数控加工设备普及率高，工作高效，精度较高，适合批量生产。所以平面包络二次环面蜗杆副的数控加工对环面蜗杆的普及推广尤为重要。用通过蜗杆轴线的平面与齿面方程求交来实现齿面接触点的离散堆积，并将刀具刀尖点与走刀点重合以此来实现环面蜗杆的数控加工。 2 蜗杆三维实体建模 Solidworks对于复杂曲面的建模相对来说具有一定的难度，尤其对于插入数量很多的三维点更有一定的难度，因此运用VB对Solidworks进行二次开发更能有效并且快速的对环面蜗杆进行实体建模。该方法直接把得到的啮合点输入到Solidworks中，实现了对其齿面的建模，使得到的实体模型与理论模型更加精确，建模速度也更加快速。 前面已经用Matlab程序对蜗杆齿面进行了数字化建模仿真，但是Matlab程序并不能适用于VB，所以把Matlab程序修改成VB可以运行的程序，使得VB与Solidworks取得连接，运用API函数插入三维齿面啮合点，并且把啮合点连成线，运用API函数把线段拟合成面，形成左齿面；右齿面可以通过旋转左齿面得到，最后通过放样曲面把左齿面和右齿面拟合，形成齿顶面，完成三维实体建模。 3 蜗杆的数控车削 环面蜗杆传统的加工方法是依据成形原理切削加工出来的，这种加工方式虽然保证了加工精度，却降低了工作效率，且成本较高。数控加工这种方式应运而生，满足了市场发展的需求。 前面已经得出了齿面接触线方程式，将接触线坐标转换到动坐标系中，得到齿面方程式（1）： 但得出的啮合点并不能作为数控刀具的轨迹点，必须要通过转换生成数控刀具轨迹点。但是我们可以用经过蜗杆轴线的一个截面与齿面方程式求交得出截交线，即通过编程求解方程式（2）： 通过改变旋转角来求得无数条截交線，将截交线与刀具接触来车削加工。 当圆环半径R从齿顶圆弧半径到齿根圆弧半径变化时，用上述同样的方法车削出不同的螺旋线，这样就可以沿蜗杆径向分层切削出环面蜗杆的左侧齿面以及部分齿槽。同理，右侧齿面的车削完全符合此方法，只需要在车削完左侧齿面后将蜗杆掉头再用同样的方法车削出右侧螺旋面以及部分齿槽就可以车削出完整的螺旋面以及齿槽。对于多头的只要在车削完一个螺旋面后通过分齿车削另一个螺旋面直至得到各个螺旋齿槽和螺旋面即可。 在数控车削加工过程中，刀具的走刀半径、旋转角度步长和切入步长直接决定了蜗杆的加工精度。在传统的加工方法中，依据蜗杆成形原理，可知环面蜗杆的起始轴截面是左侧螺旋面的啮入端，终止轴截面是右侧螺旋面的啮出端。在环面蜗杆半径为R的环面上，增加切入步长可以使刀具沿着蜗杆径向分层切削出蜗杆齿面螺旋线以及螺旋齿槽；刀具刀尖半径越小，越能使得刀尖点M与点N重合，以免产生过切影响加工精度。 4 数控车削实验加工 编写程序后在一台三轴联动数控车床上进行了车削加工操作实验，这台数控车床主轴可以实现S功能和C功能之间的切换。当车削环面蜗杆的环面时切换到S功能，对其进行圆弧车削，当进行蜗杆螺旋面车削采用三轴联动时则切换到C功能，实现x轴、z轴以及C轴之间的联动，从而车削出环面蜗杆的螺旋面。刀具要保证刀尖点半径最小情况下的硬度，并且每次切入深度要小，最后车削出环面蜗杆。 5 结论 以理论方程式为基础计算得出的数据，进行建模仿真和三维实体建模，用转换得到的螺旋线去限定走刀轨迹，理论上计算出来的数据与实验加工出来的环面蜗杆吻合度好，加工精度非常高。实验表明：用数控车削的方法加工平面二次包络环面蜗杆，方法正确可靠，实现了高效率、高精度、成批量生产，有效的满足了市场需求，值得广泛推广使用。 参考文献： [1]刘一扬，杨现卿.平面二次包络环面蜗杆传动的研究现状与发展趋势[J].机械工程师，2007（07）. [2]谭昕，徐林，周红.基于数值方法的平面二次包络蜗轮理论齿面的离散建模[J].机械传动，2005（3）：3-5. [3]时礼平，吴玉国，李晓宾.平面二次包络环面蜗杆副的数控加工[A].组合机床与自动化加工技术，2008.11. [4]杜厚金，江有渝.平面二次包络环面蜗杆传动制造工艺[M].成都：四川科学技术出版社，1987. [5]郑阿奇.MATLAB实用教程[M].北京：电子工业出版社，2004. [6]江洪，李忠兴，邢启恩等.Solidworks2003二次开发基础与实例教程[M].北京：电子工业出版社，2003.06. [7]沈蕴方，容尔谦，李寅年等.空间啮合原理及SG-71型蜗轮副[M].北京：冶金工业出版社，1983.3. [8]孙昌佑，孙传文.实用型平面双包络环面蜗杆传动的参数化建模[J].华中科技大学学报，2007，35（5）：58-61. [9]高华中，何邦贵.平面二次包络环面蜗杆传动的实体建模研究[A].机械设计与制造，2009.03. |
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