一種利用鼓形蝸桿工具加工內齒輪齒廓的方法和裝置制造方法
【專利摘要】一種利用鼓形蝸桿工具加工內齒輪齒廓的裝置，該裝置由機床立柱（1）、機床底座（0）組成機床床身，機床床身連接有垂直進給運動單元（2），蝸桿工具驅動動力頭（3），工件旋轉運動單元（4），工件水平進給運動單元（5），蝸桿工具開合單元（6）和動力頭擺動運動單元（7）；一種利用鼓形蝸桿工具加工內齒輪齒廓的方法，該方法有四大步驟。本發明將鼓形蝸桿工具分成兩部分并在加工前后適時開合，可以利用大直徑工具加工小直徑內齒輪表面并實現內齒輪的連續加工，大大提高加工效率；增加鼓形蝸桿工具的回轉半徑可以減小蝸桿旋轉誤差對加工精度的影響，因此該方法也可以用于精密內齒輪的加工。
【專利說明】一種利用鼓形蝸桿工具加工內齒輪齒廓的方法和裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種利用鼓形蝸桿工具加工內齒輪齒廓的方法和裝置，屬于機械傳動和機械加工【技術領域】。
【背景技術】
[0002]內齒輪是構成行星減速器、諧波減速器的重要傳動元件，目前一般采用插齒加工方法加工，其加工效率低、加工精度不容易提高，無法滿足高性能減速器制造的要求。采用超硬磨料成形砂輪并利用成形法磨削內齒輪是目前實現硬齒面內齒輪加工的主要工藝方法，但是這種方法受到工具尺寸和剛度、砂輪精度和成本等多種因素影響的制約，沒有也難以得到廣泛應用。與這種情況相對應的是外齒輪的加工方法獲得了長足的發展，其粗加工采用滾削，精加工可采用蝸桿砂輪連續磨削，因此具有加工效率高、精度高、效率高、成本低等特點，在工業界獲得成功應用。目前采用蝸桿砂輪磨削可以獲得數十秒鐘加工一個小型齒輪，采用普通低成本砂輪、可連續修整和可連續磨削是這種加工方式取得成功的關鍵。但是受到傳動原理的限制，蝸輪蝸桿傳動只能是外嚙合傳動，到目前為止還沒有嚙合理論研究蝸桿和內齒輪的嚙合關系，因為從直覺上內齒輪和蝸桿的嚙合幾乎是不可能或沒有作用的。事實上，這是一個巨大的誤區。從嚙合原理本身看，當蝸桿的齒面足夠短時且采取合適的支撐方式時，蝸桿完全可以置于內齒輪的內部并與之產生嚙合運動，當然此時的蝸桿的節面一般不是圓柱面，而是一個鼓形面，鼓形的母線半徑可以具有多種不同的尺寸，但通常應比被加工齒輪的節圓半徑小，但鼓形的回轉直徑卻可以比內齒輪的直徑大，因此采用蝸桿內嚙合即可以加工大齒輪也可以加工小齒輪。其中，當蝸桿回轉直徑大于齒輪直徑時，只有一種可能，那就是將工具蝸桿制造成空心結構，并使環狀的空心工具和齒輪環相互穿透，這樣就可以實現連續的嚙合運動。利用蝸桿狀工具連續加工內齒輪可以大幅度降低加工成本，且可以加工直徑極小的各種內齒輪或類似齒輪的周向均多齒結構。同時可以提供一種新型的傳動方式可大幅度減小外嚙合蝸桿傳動機構的尺寸。

【發明內容】

[0003]本發明提供一種利用鼓形蝸桿工具加工內齒輪齒廓的方法和裝置，它是一種新型蝸桿傳動機構和利用該機構實現內齒輪高效高精度加工的方法和裝置。
[0004](I)本發明的主要方法是設計一種鼓形蝸桿工具，用于高效率地加工內齒輪。對于大型內齒輪，鼓形蝸桿工具可置于齒輪內部，即其工具最大外形尺寸小于齒輪。對于小內齒輪，鼓形蝸桿工具尺寸可以遠大于內齒輪工件尺寸，此時蝸桿為空心環狀扁平結構，可以分成兩部分并穿過工件后連接起來在加工過程作為一個整體參與加工或通過殼體結構使二者在加工過程保持穩定的相對位置關系。圖la、lb、lc分別是一種利用小直徑鼓形蝸桿蝸桿加工大直徑內齒輪的原理結構圖的主視圖、左視圖和俯視圖.設鼓形蝸桿蝸桿的母線半徑為R0，鼓形蝸桿蝸桿的節圓最大回轉外半徑為R2，被加工內齒輪的半徑為R1。為了加工內齒輪，鼓形蝸桿必須傾斜一定角度G，確保鼓形蝸桿的齒形方向與被加工齒輪的齒形方向一致。當然，當鼓形蝸桿采用不同的螺旋角時，二者之間的軸線夾角可以增加或減少一個被加工內斜齒輪的螺旋角。因此當加工斜內齒輪時，選擇鼓形蝸桿的合理螺旋線方向可以在特定情況下保證工具軸線與內齒輪軸線成90度。圖1c中，工件01和鼓形蝸桿工具02在該圖左側構成嚙合狀態，該鼓形蝸桿的軸線可按照圖1b所示與被加工齒輪的軸線間具有確定的夾角G。這可以確保在鼓形蝸桿與齒輪嚙合處的節圓上的切線具有相同的方向。圖2a、2b、2c分別是一種利用大直徑鼓形蝸桿加工小直徑內齒輪的原理結構圖的主視圖、左視圖和俯視圖。此時，考慮到工具直徑大、工件直徑小，刀具無法完全進入工件之中，工具的回轉半徑R2大于被加工工件的直徑R1，因此工具基體需要制造成空心環狀。為了保證鼓形蝸桿和內齒輪的節圓在切點處具有共同的切線方向，鼓形蝸桿需要按照圖2b所示安裝并使鼓形蝸桿工具的軸線和工件齒輪的軸線之間的夾角為G。G為鼓形蝸桿工具節圓最大直徑處的螺旋角。按照圖1c或圖2c，工件01只做圍繞其自身軸線的勻速回轉運動和在水平面中的徑向進給運動，鼓形蝸桿工具02、02’則一邊繞自身軸線旋轉一邊做勻速的沿著工件軸線方向軸向進給運動。利用這4個基本運動可以完成內齒直齒輪的連續滾削或磨削加工，同時這4個運動可以通過合理方式進行組合用于加工斜齒內齒輪。但調整角度G的運動也可以作為一個參與機床聯動運動的自由度，用于與其它四軸構成五軸聯動機床，可以用于齒輪修形或加工具有非常規齒廓的內齒輪。在圖1c中，通過設計合適的蝸桿螺旋角可以使工具從工件中貫穿而過，這樣可以構成一種比較有趣的內嚙合蝸桿傳動方式。圖2c中的環狀工具可以根據情況制造成多種結構形式(方式I )，如兩半完全對稱的不需要螺釘連接但可以在軸承和殼體作用下保持穩定和正確的相對位置關系的方式(方式2)，分解成大小不同的可通過螺釘銷釘共同作用將其在穿過工具后連接成一個部件的方式或直接保留一個小的開口容許工件進入其內部的方式(方式3)。其中方式3適合粗加工的情況。該環狀工具在機床的支撐方式也非常重要，一種是采用上下兩部分對開方式的滾動或滑動軸承分別支撐環狀工具的上下兩部分，該方案適合方式1，可采用3組以上滾動軸承支撐連接成整體的工具的兩部分，該方法適合方式2。方式3則適合采用滑動軸承支撐。蝸桿工具的回轉可采用消除間隙的齒輪機構或小間隙齒輪機構傳動實現。
[0005]綜上所述，本發明一種利用鼓形蝸桿工具加工內齒輪齒廓的方法，該方法具體步驟如下:步驟一:設計一種扁平形或長度很短的鼓形蝸桿工具，如圖1c中的件02所示或圖2c中的02’所示。該蝸桿砂輪可以被做作成單頭或多頭蝸桿，且蝸桿位于一個環面上，環面的母圓半徑為圖1c或圖2c中的假想齒輪C1、C2的節圓半徑R0。圖中，C2上的輪齒的橫截面圖形是Cl上的橫截形旋轉半個齒距角(蝸桿為單頭蝸桿時)或與蝸桿頭數相同的多個半齒距角后的形狀，其中間形狀是該假想齒輪截形在圍繞工具軸線旋轉的過程中同時按照上述規律連續自轉后所做的環面螺旋運動形成，而假想齒輪自身的正截形可以根據包絡原理求得。
[0006]步驟二:設計一種驅動鼓形蝸桿工具連續地按照給定速度和位移運動的蝸桿工具驅動動力頭。目前的機床多直接制造成多軸聯動機床，采用鼓形蝸桿工具加工內齒輪，首先要解決的是鼓形蝸桿工具的傳動和支撐問題。當加工大直徑內齒輪時，蝸桿可以被制作成扁平結構并且置于被加工齒輪的內部，蝸桿的運動可采用常規的角度銑削或鉆削動力頭支撐并通過精密齒輪鏈進行傳動。此時鼓形蝸桿工具通過其內孔和端面和兩組軸承簡支于分立于其兩端面的支架上，鼓形蝸桿工具的一端并聯有一個外齒輪，該外齒輪可以通過一串軸線平行的直徑很小的依次嚙合的齒輪組與支架上端足夠遠處的伺服電機上輸出軸上的齒輪嚙合，從而實現伺服電機對鼓形蝸桿工具的直接驅動。由于該方式比較簡單且常規，因此本發明沒有提供具體的結構圖紙說明。
[0007]本發明重點介紹的是當加工直徑很小的內齒輪時和需要提高齒輪加工精度時，采用大直徑空心蝸桿工具加工內齒輪的機床結構。圖4a、4b、4c分別是一種利用大尺寸空心扁平蝸桿工具加工小直徑內齒輪的蝸桿工具驅動動力頭的主視圖、左視圖和俯視圖。圖4a、4b,4c中，蝸桿工具上部306通過左、右軸承319、320支撐于由件305、307、315、317組成的動力頭上部殼體中，蝸桿工具下部303通過左、右軸承319、320的下部滾動體支撐于由件301、302、325、326組成的動力頭下部殼體中，上下兩部分可通過一對定位銷311來確定其連接狀態的相對位置關系，動力頭上下部分各自殼體通過殼體連接螺釘328中連接在一起，左、右導向板324、328通過滑板螺釘323連接于蝸桿工具開合單元6的工作臺面上，用于控制動力頭下部開合時能具有確定的運動位置和軌跡。蝸桿工具伺服電機314通過齒形帶傳動系統313、334、333、332、331和齒輪傳動系統330、329、321、322驅動蝸桿工具的內齒輪使其做連續的位置速度可控的旋轉運動。
[0008]步驟三:設計一種驅動被加工內齒輪做位置和速度可控運動的工件旋轉運動單元4。如圖5a、5b所示是一種工件旋轉運動單元的原理結構圖。殼體底座401和殼體蓋板402形成的密閉空間內安裝有一對主動齒輪406和工件托盤齒輪408，其中主動齒輪406安裝于伺服電機407的端部，工件托盤齒輪408支撐于軸承403之上，工件托盤齒輪408的內部正好與被加工齒輪的外直徑相同或與用于將工件齒輪安裝在工件托盤齒輪408內的夾具的外徑相同，被加工工件齒輪404可用工件壓板組405固定在工件托盤齒輪408之上并確保該位置的穩定性。
[0009]步驟四:設計一種具有5個自由度的內齒輪加工機床，如圖3a、3b所示。圖中包含一個垂直進給運動單元2、蝸桿工具驅動動力頭3、工件旋轉運動單元4、工件水平進給運動單元5、蝸桿工具開合單元6、動力頭擺動運動單元7等部分和一個用于支撐和連接以上各部分的機床底座O與機床立柱I。其中蝸桿工具驅動動力頭3用于驅動蝸桿按照給定運動規律做旋轉運動，工件旋轉運動單元4用于驅動工件齒輪按照給定運動規律做旋轉運動，動力頭擺動運動單元7用于控制工具和工件之間的夾角G，垂直進給運動單元2用于在加工直齒內齒輪時使蝸桿工具一邊旋轉一邊做軸線方向的進給運動一邊加工出齒寬方向的全部齒形，工件水平進給運動單元5用實現徑向進給以控制齒輪高度方向的加工精度。上述5個運動可以通過程序控制進行適當調整，因此該方法可以用于加工直齒內齒輪、斜齒內齒輪、齒形修形加工等。其要點在于動力頭開合單元6可以用于控制蝸桿工具驅動動力頭3的上下兩部分適時開合，即在安裝和拆卸工件時蝸桿工具保持分開狀態，如圖6a所示，在加工齒輪時蝸桿工具可以保持圖6b所示的閉合狀態。
[0010]采用上述方法，原則上可以加工復雜的內漸開線齒輪，也可以通過妥善設計蝸桿工具加工其它周期性內曲線曲面結構，如齒輪泵與馬達等的內曲面等。所采用的傳動方式除采用齒輪傳動、齒形帶傳動外也可采用摩擦傳動或鋼帶傳動等，這樣可以進一步消除傳動間隙，提高齒輪加工精度。
[0011](2)本發明包括一種利用鼓形蝸桿工具加工內齒輪齒廓的裝置，見圖3，它是一種利用以環面為基礎的具有鼓形節圓母線的蝸桿工具加工小直徑內齒輪的裝置，該裝置由機床立柱1、機床底座O組成機床床身，機床床身連接有垂直進給運動單元2，蝸桿工具驅動動力頭3，工件旋轉運動單元4，工件水平進給運動單元5，蝸桿工具開合單元6和動力頭擺動運動單元7。
[0012]該機床立柱1、機床底座O是采用鑄造或焊接工藝制作的箱式金屬結構件；
[0013]該垂直進給運動單元2由垂直進給伺服電機21、垂直進給聯軸節22、垂直進給前軸承座組件23、垂直進給螺母24、垂直進給螺母座25、垂直進給絲杠26、垂直進給后軸承座組件27、直線導軌28、垂直進給工作臺29組成，其之間關系是:垂直進給絲杠26支撐于垂直進給前軸承座組件23、垂直進給后軸承座組件27上，垂直進給伺服電機21的殼體固定于垂直進給前軸承座組件23的殼體上、其輸出軸通過垂直進給聯軸節22與垂直進給絲杠26連接，垂直進給螺母24支撐于垂直進給螺母座25上，后者固定于垂直進給工作臺29 —側。工作時，垂直進給伺服電機21通過垂直進給聯軸節22驅動垂直進給絲杠26旋轉，垂直進給絲杠26帶動垂直進給螺母24上下運動，最終通過垂直進給螺母座25帶動垂直進給工作臺29上下運動。
[0014]該水平進給運動單元5由水平進給電機51、水平進給聯軸節52、水平進給前軸承座組件53、水平進給螺母54、水平進給螺母座55、水平進給絲杠56、水平進給后軸承座組件57、直線導軌58、水平進給工作臺59組成，其之間的關系是:水平進給絲杠56支撐于水平進給前軸承座組件53、水平進給后軸承座組件57上，水平進給電機51的殼體固定于水平進給前軸承座組件53的殼體上、其輸出軸通過水平進給聯軸節52與水平進給絲杠56連接，水平進給螺母54支撐于水平進給螺母座55上，后者固定于水平進給工作臺59—側。工作時，水平進給電機51通過水平進給聯軸節52驅動水平進給絲杠56旋轉，水平進給絲杠56帶動水平進給螺母54左右運動，最終通過水平進給螺母座55帶動水平進給工作臺59左右運動。
[0015]在垂直進給運動單元的2的垂直進給工作臺29上安裝有一動力頭擺動運動單元7，它主要由一個力矩電機組成，也可以采用蝸輪蝸桿結構或其它類型的轉臺，其功能主要是帶動蝸桿工具動力頭3做擺動運動或調整獲得蝸桿工具和工件之間的夾角G，因此其運動可以為聯動運動的一部分，也可以作為調整運動。在只做調整運動的場合，該單元的結構可以采用人工或其它簡單調整方式。
[0016]該蝸桿工具驅動動力頭3如圖4a、b、c所示。圖4a、4b、4c中，蝸桿工具上部306通過左、右軸承319、320支撐于由件305、307、315、317組成的動力頭上部殼體中，蝸桿工具下部303通過左、右軸承319、320的下部滾動體支撐于由件301、302、325、326組成的動力頭下部殼體中，上下兩部分可通過一對定位銷311來確定其連接狀態的相對位置關系，動力頭上下部分各自殼體通過殼體連接螺釘328連接在一起，左、右導向板324、327通過滑板螺釘323連接于蝸桿工具開合單元6的工作臺面上，用于控制動力頭下部開合時能具有確定的運動位置和軌跡。蝸桿工具伺服電機314通過齒形帶傳動系統313、334、333、332、331和齒輪傳動系統330、329、321、322驅動蝸桿工具的內齒輪使其做連續的位置速度可控的旋轉運動。
[0017]該工件旋轉運動單元4如圖5a、5b所示。殼體底座401和殼體蓋板402形成的密閉空間內安裝有一對主動齒輪406和工件托盤齒輪408，其中主動齒輪406安裝于伺服電機407的端部，工件托盤齒輪408支撐于軸承403之上，工件托盤齒輪408的內部正好與被加工齒輪的外直徑相同或與用于將工件齒輪安裝在工件托盤齒輪408內的夾具的外徑相同，被加工工件齒輪404可用壓板固定在工件托盤齒輪408之上并確保該位置的穩定性。該單元的殼體連接于工件水平進給運動單元5的水平進給工作臺59之上，可以隨該工作臺做左右方向的水平進給運動和快進快退運動。
[0018]該蝸桿工具動力頭開合單元6主要由圖3a、圖4a、圖4b、圖4c所示的氣缸61、蝸桿工具驅動動力頭3中的定位銷311、用于固定和放松左、右軸承319、320的滾動體壓緊機構335-340以及左、右導向板324、327等組成。安裝和拆卸工件時，活塞336、氣缸活塞340通過滾珠壓板335、338壓住左、右軸承319、320的靠近開口處的滾動體，氣缸61再驅動蝸桿工具驅動動力頭的下部分(殼體連同蝸桿工具下部303)向下運動，此時蝸桿工具303、306下上部隨同其支撐軸承和殼體分開為上下兩部分，被加工工件齒輪404隨同工件旋轉運動單元4可以進入蝸桿工具驅動動力頭3內部，此后氣缸61推動蝸桿工具驅動動力頭下部在左、右導向板324、327的約束下向上運動，并通過定位銷311使上下兩部分回歸并保持正確的位置關系，此時放開活塞336、氣缸活塞340使軸承滾動體處于自由運動狀態。此時蝸桿工具伺服電機314可以通過傳動系統驅動蝸桿工具303、306下上部做連續旋轉運動。應該說明的是，當采用滾動軸承時，蝸桿工具在雙面半圈滾道的約束下只能具有一個旋轉運動自由度，因此此時兩半蝸桿工具并不一定要通過螺釘銷釘連接在一起，但當將左、右軸承319、320換成滑動軸承后，如間隙太大則需要將其兩半連接成一體。
[0019]加工齒輪時，先將被加工工件齒輪404安裝在工件回轉運動單元4中，再利用蝸桿工具開合單元6將蝸桿工具驅動動力頭3分開，使工件進入到蝸桿工具內部，合上蝸桿工具開合單元6后，蝸桿工具303、306下上部和被加工工件齒輪404構成相互貫通的關系。利用動力頭擺動運動單元7調整和控制工具和工件之間的夾角G。然后可利用工件水平進給運動單元5、垂直進給運動單元2與蝸桿工具驅動動力頭3、工件回轉運動單元4等的四個運動單元再數控程序控制下進行輪齒加工。加工完成后再利用蝸桿工具開合單元6打開蝸桿工具驅動動力頭3，拆卸下加工好的工件，然后可進入下一個工作循環。
[0020](3)優點及功效:本發明一種利用鼓形蝸桿工具加工內齒輪齒廓的方法和裝置，其優點是:1)利用環面鼓形蝸桿工具實現內齒輪的連續加工，可大大提高加工效率；2)可將蝸桿工具分成兩部分并在加工前后適時開合，可以利用大直徑工具加工小直徑內齒輪表面；3)增加蝸桿工具的回轉半徑可以減小蝸桿旋轉誤差對加工精度的影響，因此該方法可以用于精密內齒輪的加工。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1a小直徑蝸桿加工大直徑內齒輪的原理圖主視圖；
[0022]圖1b小直徑蝸桿加工大直徑內齒輪的原理圖左視圖；
[0023]圖1c小直徑蝸桿加工大直徑內齒輪的原理圖俯視圖；
[0024]圖2a大直徑蝸桿加工小直徑內齒輪的原理圖主視圖；
[0025]圖2b大直徑蝸桿加工小直徑內齒輪的原理圖左視圖；
[0026]圖2c大直徑蝸桿加工小直徑內齒輪的原理圖俯視圖；
[0027]圖3a大直徑蝸桿工具加工小直徑內齒輪裝置的主視圖；
[0028]圖3b大直徑蝸桿工具加工小直徑內齒輪裝置的俯視圖；[0029]圖4a蝸桿工具驅動動力頭的主視圖；
[0030]圖4b蝸桿工具驅動動力頭的左視圖；
[0031]圖4c蝸桿工具驅動動力頭的俯視圖；
[0032]圖5a工件旋轉運動單元的主視圖；
[0033]圖5b工件旋轉運動單元的俯視圖；
[0034]圖6a對開式蝸桿工具分開狀態的主視圖；
[0035]圖6b對開式蝸桿工具工作狀態的主視圖；
[0036]圖6c對開式蝸桿工具工作狀態的左視圖；
[0037]圖中符號說明如下:
[0038]01:被加工內齒輪；02:加工大型內齒輪的小型蝸桿工具；02’:加工小型內齒輪的大型蝸桿工具；R0:環狀蝸桿工具所依附的圓環面的母圓的半徑；R1:被加工內齒輪的節圓半徑；R2:環狀蝸桿工具所依附的圓環面的環心圓半徑與母圓半徑之和；C1:假想齒輪的正截形，即通過蝸桿軸線的平面與蝸桿工具工作面的交線延拓后的得到的一種厚度為O的齒輪，該齒輪繞母圓為R0、環心圓半徑為R2-R0的圓環面作螺旋運動所得到的一種特殊蝸桿就是本發明所提出的蝸桿工具的工作表面；C2:假想齒輪繞環面環心圓切線旋轉半個齒距角(單頭蝸桿)或與蝸桿頭數相同的多個半齒距角后的圖形，仍然為假想齒輪；G:交叉角，即蝸桿工具保證在嚙合點處切線方向一致而確定的工具蝸桿和被加工齒輪軸線之間的夾角；02s:對開式蝸桿工具的上半部分；02x:對開式蝸桿工具的下半部分。O:機床底座；I:機床立柱；2:垂直進給運動單元；3:蝸桿工具驅動動力頭；4:工件旋轉運動單元；5:工件水平進給運動單元；6:蝸桿工具開合單元；61:氣缸61 ；7:動力頭擺動運動單元；21:垂直進給電機；22:垂直進給聯軸節；23:垂直進給前軸承組件；24:垂直進給螺母；25:垂直進給螺母座；26:垂直進給絲杠；27:垂直進給后軸承組件；28:直線導軌；29:垂直進給工作臺；51:水平進給電機；52:水平進給聯軸節；53:水平進給前軸承組件；54:水平進給螺母；55:水平進給螺母座；56:水平進給絲杠；57:水平進給后軸承組件；58:直線導軌；59:水平進給工作臺；301:下中外殼體；302:下中內殼體；303:蝸桿工具下部；304: ；305:上中內殼體；306:蝸桿工具上部；307:上中外殼體；308:螺釘；309:電機調整座；310:調整螺釘；311:定位銷；312:螺釘；313:齒形帶傳動殼體；314:蝸桿工具伺服電機；315:右上殼體；316:中上外殼體；317:左上殼體；318: ；319:左軸承；320:右軸承；321:鍵；322:輸出軸；323:滑板螺釘；324:左導向板；325:左下殼體；326:右下殼體；327:右導向板；328:殼體連接螺釘；329:輸出齒輪；330:輸出軸支撐座；331:從動齒形帶輪；332:齒形帶；333:主動齒形帶輪；334:齒形帶傳動殼體蓋板；335:滾珠壓板；336:活塞；337:氣缸端蓋；338:滾珠壓板；339:氣缸端蓋；340:氣缸活塞；401 ;殼體底座；402:殼體蓋板；403:軸承；404:被加工工件齒輪；405:工件壓板組；406:主動齒輪(小間隙或消隙齒輪)；407:伺服電機；408:工件托盤齒輪；A:蝸桿工具工作表面，滾刀刀齒切削刃或砂輪磨料所在的環面螺旋面；B:密封面；C:滾道；D:驅動內齒輪齒面；
【具體實施方式】
[0039]本發明包括一種利用鼓形蝸桿工具加工內齒輪齒廓的方法和裝置。
[0040]其中，包括一種利用鼓形蝸桿工具加工內齒輪齒廓的方法，見圖la、lb、lc、2a、2b、2c。該方法具體步驟如下:
[0041]步驟一:設計一種扁平形或長度很短的鼓形蝸桿工具，如圖1c中的件02所示或圖2c中的02’所示。該蝸桿砂輪可以被做作成單頭或多頭蝸桿，且蝸桿位于一個環面上，環面的母圓半徑為圖1c或圖2c中的假想齒輪C1、C2的節圓半徑R0。圖中，C2上的輪齒的橫截面圖形是Cl上的橫截形旋轉半個齒距角(蝸桿為單頭蝸桿時)或與蝸桿頭數相同的多個半齒距角后的形狀，其中間形狀是該假想齒輪截形在圍繞工具軸線旋轉的過程中同時按照上述規律連續自轉后所做的環面螺旋運動形成，而假想齒輪自身的正截形可以根據包絡原理求得。
[0042]步驟二:設計一種驅動鼓形蝸桿工具連續地按照給定速度和位移運動的蝸桿工具驅動動力頭3。當加工直接很小的內齒輪時和需要提高齒輪加工精度時，采用大直徑空心蝸桿工具加工內齒輪的機床結構。圖4a、4b、4c分別是一種利用大尺寸空心扁平蝸桿工具加工小直徑內齒輪的蝸桿工具驅動動力頭3的主視圖、左視圖和俯視圖。圖4a、4b、4c中，蝸桿工具上部306通過左、右軸承319、320支撐于由件305、307、315、317組成的動力頭上部殼體中，蝸桿工具下部303通過左、右軸承319、320的下部滾動體支撐于由件301、302、325,326組成的動力頭下部殼體中，上下兩部分可通過一對定位銷311來確定其連接狀態的相對位置關系，動力頭上下部分各自殼體通過殼體連接螺釘328連接在一起，左、右導向板324、327通過滑板螺釘323連接于蝸桿工具開合單元6的工作臺面上，用于控制動力頭下部開合時能具有確定的運動位置和軌跡。蝸桿工具伺服電機314通過齒形帶傳動系統313、334、333、332、331和齒輪傳動系統330、329、321、322驅動蝸桿工具的內齒輪使其做連續的位置速度可控的旋轉運動。
[0043]步驟三:設計一種驅動被加工內齒輪做位置和速度可控運動的工件旋轉運動單元
4。如圖5a、5b所不是一種工件旋轉運動單兀4的原理結構圖。殼體底座401和殼體蓋板402形成的密閉空間內安裝有一對主動齒輪406和工件托盤齒輪408，其中主動齒輪406安裝于伺服電機407的端部，工件托盤齒輪408支撐于軸承403之上，工件托盤齒輪408的內部正好與被加工齒輪的外直徑相同或與用于將工件齒輪安裝在工件托盤齒輪408內的夾具的外徑相同，被加工工件齒輪404可用壓板固定在工件托盤齒輪408之上并確保該位置的穩定性。
[0044]步驟四:設計一種具有5個自由度的內齒輪加工機床，如圖3a、3b所示。圖中包含一個垂直進給運動單元2、蝸桿工具驅動動力頭3、工件旋轉運動單元4、工件水平進給運動單元5、蝸桿工具開合單元6、動力頭擺動運動單元7等部分和一個用于支撐和連接以上各部分的機床底座O和機床立柱I上。其中蝸桿工具驅動動力頭3用于驅動蝸桿按照給定運動規律做旋轉運動，工件旋轉運動單元4用于驅動工件齒輪按照給定運動規律做旋轉運動，動力頭擺動運動單元7用于控制工具和工件之間的夾角G，垂直進給運動單元2用于在加工直齒內齒輪時使蝸桿工具一邊旋轉一邊做軸線方向的進給運動一邊加工出齒寬方向的全部齒形，工件水平進給運動單元用實現徑向進給以控制齒輪高度方向的加工精度。上述5個運動可以通過程序控制進行適當調整，因此該方法可以用于加工直齒內齒輪、斜齒內齒輪、齒形修形加工等。其要點在于蝸桿工具開合單元6可以用于控制蝸桿工具驅動動力頭3的上下兩部分適時開合，即在安裝和拆卸工件時蝸桿工具保持分開狀態，如圖6a所示，在加工齒輪時蝸桿工具可以保持圖6b所示的閉合狀態。[0045]其中，還包括一種利用鼓形蝸桿工具加工內齒輪齒廓的裝置，如圖3a、3b、圖4a、4b、4c、圖 5a、5b、圖 6a、6b、6c 所不。
[0046]見圖3a、3b，它是一種利用以環面為基礎的具有鼓形節圓母線的蝸桿工具加工小直徑內齒輪的裝置，該裝置由機床立柱1、機床底座O組成機床床身，機床床身連接有垂直進給運動單元2,蝸桿工具驅動動力頭3，工件旋轉運動單元4，工件水平進給運動單元5，蝸桿工具開合單元6和動力頭擺動運動單元7。
[0047]該機床立柱1、機床底座O是采用鑄造或焊接工藝制作的箱式金屬結構件；
[0048]該垂直進給運動單元2由垂直進給電機21、垂直進給聯軸節22、垂直進給前軸承座組件23、垂直進給螺母24、垂直進給螺母座25、垂直進給絲杠26、垂直進給后軸承座組件27、直線導軌28、垂直進給工作臺29組成，其之間的關系是:垂直進給絲杠26支撐于垂直進給前軸承座組件23、垂直進給后軸承座組件27上，垂直進給電機21的殼體固定于垂直進給前軸承座組件23的殼體上、其輸出軸通過垂直進給聯軸節22與垂直進給絲杠26連接，垂直進給螺母24支撐于垂直進給螺母座25上，后者固定于垂直進給工作臺29 —側。工作時，伺服垂直進給電機21通過垂直進給聯軸節22驅動垂直進給絲杠26旋轉，垂直進給絲杠26帶動垂直進給螺母24上下運動，最終通過垂直進給螺母座25帶動垂直進給工作臺29上下運動。
[0049]該工件水平進給運動單元5由水平進給電機51、水平進給聯軸節52、水平進給前軸承座組件53、水平進給螺母54、水平進給螺母座55、水平進給絲杠56、水平進給后軸承座組件57、直線導軌58、水平進給工作臺59組成，其之間的關系是:水平進給絲杠56支撐于水平進給前軸承座組件53、水平進給后軸承座組件57上，水平進給電機51的殼體固定于水平進給前軸承座組件53的殼體上、其輸出軸通過水平進給聯軸節52與水平進給絲杠56連接，水平進給螺母54支撐于水平進給螺母座55上，后者固定于水平進給工作臺59 —側。工作時，水平進給電機51通過水平進給聯軸節52驅動水平進給絲杠56旋轉，水平進給絲杠56帶動水平進給螺母54左右運動，最終通過水平進給螺母座55帶動水平進給工作臺59左右運動O
[0050]在垂直進給運動單元2的垂直進給工作臺29上安裝有一動力頭擺動運動單元7，它主要由一個力矩電機組成，也可以采用蝸輪蝸桿結構或其它類型的轉臺，其功能主要是帶動蝸桿工具驅動動力頭3做擺動運動或調整獲得蝸桿工具和工件之間的夾角G，因此其運動可以為聯動運動的一部分，也可以作為調整運動。在只做調整運動的場合，該單元的結構可以采用人工或其它簡單調整方式。
[0051]該蝸桿工具驅動動力頭3如圖4a、b、c所示。圖4a、4b、4c中，蝸桿工具上部306通過左、右軸承319、320支撐于由件305、307、315、317組成的動力頭上部殼體中，蝸桿工具下部303通過左、右軸承319、320的下部滾動體支撐于由件301、302、325、326組成的動力頭下部殼體中，上下兩部分可通過一對定位銷311來確定其連接狀態的相對位置關系，動力頭上下部分各自殼體通過殼體連接螺釘328連接在一起，左、右導向板324、327通過滑板螺釘323連接于蝸桿工具開合單元6的工作臺面上，用于控制動力頭下部開合時能具有確定的運動位置和軌跡。蝸桿工具伺服電機314通過齒形帶傳動系統313、334、333、332、331和齒輪傳動系統330、329、321、322驅動蝸桿工具的內齒輪使其做連續的位置速度可控的旋轉運動。[0052]該工件旋轉運動單元4如圖5a、5b所示。殼體底座401和殼體蓋板402形成的密閉空間內安裝有一對主動齒輪406和工件托盤齒輪408，其中主動齒輪406安裝于伺服電機407的端部，工件托盤齒輪408支撐于軸承403之上，工件托盤齒輪408的內部正好與被加工齒輪的外直徑相同或與用于將工件齒輪安裝在工件托盤齒輪408內的夾具的外徑相同，被加工工件齒輪404可用工件壓板組405固定在工件托盤齒輪408之上并確保該位置的穩定性。該單元的殼體連接于工件水平進給運動單元5的水平進給工作臺59之上，可以隨該工作臺做左右方向的水平進給運動和快進快退運動。
[0053]該蝸桿工具開合單元6主要由圖3a、圖4a、圖4b、圖4c所示的氣缸61、蝸桿工具驅動動力頭3中的定位銷311、用于固定和放松左、右軸承319、320的滾動體壓緊機構335-340以及左、右導向板324、327等組成。安裝和拆卸工件時，活塞336、氣缸活塞340通過滾珠壓板335、338壓住左、右軸承319、320的靠近開口處的滾動體，氣缸61再驅動蝸桿工具驅動動力頭3的下部分(殼體連同蝸桿工具下部303)向下運動，此時蝸桿工具306、303上下部隨同其支撐軸承和殼體分開為上下兩部分，被加工工件齒輪404隨同工件旋轉運動單元4可以進入蝸桿工具驅動動力頭3內部，此后氣缸61推動蝸桿工具驅動動力頭3下部在左、右導向板324、327的約束下向上運動，并通過定位銷311使上下兩部分回歸并保持正確的位置關系，此時放開活塞336、氣缸活塞340使軸承滾動體處于自由運動狀態。此時蝸桿工具伺服電機314可以通過傳動系統驅動蝸桿工具306、303上下部做連續旋轉運動。
[0054]加工齒輪時，先將被加工工件齒輪404安裝在工件旋轉運動單元4中，再利用蝸桿工具開合單元6將蝸桿工具驅動動力頭3分開，使工件進入到蝸桿工具內部，合上蝸桿工具開合單元6后，蝸桿工具306、303上下部和被加工工件齒輪404構成相互貫通的關系。利用動力頭擺動運動單元7調整和控制工具和工件之間的夾角G。然后可利用工件水平進給運動單元5、垂直進給運動單元2與蝸桿工具驅動動力頭3、工件回轉運動單元4等的四個運動單元再數控程序控制下進行輪齒加工。加工完成后再利用蝸桿工具開合單元6打開蝸桿工具驅動動力頭3，拆卸下加工好的工件，然后可進入下一個工作循環。
【權利要求】
1.一種利用鼓形蝸桿工具加工內齒輪齒廓的方法，其特征在于:該方法具體步驟如下:步驟一:設計一種扁平形或長度很短的鼓形蝸桿工具；該蝸桿砂輪被做作成單頭或多頭蝸桿，且蝸桿位于一個環面上，環面的母圓半徑為假想齒輪(C1)、(C2)的節圓半徑RO;(C2)上的輪齒的橫截面圖形是(Cl)上的橫截形旋轉半個齒距角或與蝸桿頭數相同的多個半齒距角后的形狀，其中間形狀是該假想齒輪截形在圍繞工具軸線旋轉的過程中同時按照上述規律連續自轉后所做的環面螺旋運動形成，而假想齒輪自身的正截形根據包絡原理求得; 步驟二:設計一種驅動鼓形蝸桿工具連續地按照給定速度和位移運動的蝸桿工具驅動動力頭；目前的機床多直接制造成多軸聯動機床，采用鼓形蝸桿工具加工內齒輪，首先要解決的是鼓形蝸桿工具的傳動和支撐問題；當加工大直徑內齒輪時，蝸桿被制作成扁平結構并且置于被加工齒輪的內部，蝸桿的運動采用常規的角度銑削或鉆削動力頭支撐并通過精密齒輪鏈進行傳動；此時鼓形蝸桿工具通過其內孔和端面和兩組軸承簡支于分立于其兩端面的支架上，鼓形蝸桿工具的一端并聯有一個外齒輪，該外齒輪通過一串軸線平行的直徑很小的依次嚙合的齒輪組與支架上端足夠遠處的伺服電機上輸出軸上的齒輪嚙合，從而實現伺服電機對鼓形蝸桿工具的直接驅動；鼓形蝸桿工具上部(306)通過左、右軸承(319)、(320)支撐于由件(305)、(307)、(315)、(317)組成的動力頭上部殼體中，鼓形蝸桿工具下部(303)通過左、右軸承(319)、(320)的下部滾動體支撐于由件(301)、(302)、(325)、(326)組成的動力頭下部殼體中，上下兩部分通過一對定位銷(311)來確定其連接狀態的相對位置關系，動力頭上下部分各自殼體通過殼體連接螺釘(328)中連接在一起，左、右導向板(324),(328)通過滑板螺釘(323)連接于蝸桿工具開合單元(6)的工作臺面上，用于控制動力頭下部開合時能具有確定的運動位置和軌跡；蝸桿工具伺服電機(314)通過齒形帶傳動系統(313)、(334)、(333)、(332)、(331)和齒輪傳動系統(330)、(329)、(321)、(322)驅動鼓形蝸桿工具的內齒輪使其做連續的位置速度可控的旋轉運動； 步驟三:設計一種驅動被加工內齒輪做位置和速度可控運動的工件旋轉運動單元(4)；其殼體底座(401)和殼體蓋板(402)形成的密閉空間內安裝有一對主動齒輪(406)和工件托盤齒輪(408 )，其中主 動齒輪(406 )安裝于伺服電機(407 )的端部，工件托盤齒輪(408 )支撐于軸承(403)之上，工件托盤齒輪(408)的內部正好與被加工齒輪的外直徑相同或與用于將工件齒輪安裝在工件托盤齒輪(408)內的夾具的外徑相同，被加工工件齒輪(404)用工件壓板組(405)固定在工件托盤齒輪(408)之上并確保該位置的穩定性； 步驟四:設計一種具有5個自由度的內齒輪加工機床，它包含一個垂直進給運動單元(2)、蝸桿工具驅動動力頭(3)、工件旋轉運動單元(4)、工件水平進給運動單元(5)、蝸桿工具開合單元(6)、動力頭擺動運動單元(7)和一個用于支撐和連接以上各部分的機床底座(O)與機床立柱(I);其中蝸桿工具驅動動力頭(3)用于驅動蝸桿按照給定運動規律做旋轉運動，工件旋轉運動單元(4 )用于驅動工件齒輪按照給定運動規律做旋轉運動，動力頭擺動運動單元(7)用于控制工具和工件之間的夾角G，垂直進給運動單元(2)用于在加工直齒內齒輪時使蝸桿工具一邊旋轉一邊做軸線方向的進給運動一邊加工出齒寬方向的全部齒形，工件水平進給運動單元(5)用實現徑向進給以控制齒輪高度方向的加工精度；上述5個運動通過程序控制進行適當調整，因此該方法用于加工直齒內齒輪、斜齒內齒輪、齒形修形加工；其要點在于動力頭開合單元(6)用于控制蝸桿工具驅動動力頭(3)的上下兩部分適時開合，即在安裝和拆卸工件時蝸桿工具保持分開狀態，在加工齒輪時蝸桿工具可以保持閉合狀態。
2.一種利用鼓形蝸桿工具加工內齒輪齒廓的裝置，其特征在于:該裝置由機床立柱(I)、機床底座(O)組成機床床身，機床床身連接有垂直進給運動單元(2)，蝸桿工具驅動動力頭(3)，工件旋轉運動單元(4)，工件水平進給運動單元(5)，蝸桿工具開合單元(6)和動力頭擺動運動單元(7)； 該機床立柱(I)、機床底座(O)是采用鑄造或焊接工藝制作的箱式金屬結構件； 該垂直進給運動單元(2)由垂直進給伺服電機(21)、垂直進給聯軸節(22)、垂直進給前軸承座組件(23 )、垂直進給螺母(24 )、垂直進給螺母座(25 )、垂直進給絲杠(26 )、垂直進給后軸承座組件(27)、直線導軌(28)、垂直進給工作臺(29)組成；垂直進給絲杠(26)支撐于垂直進給前軸承座組件(23 )、垂直進給后軸承座組件(27 )上，垂直進給伺服電機(21)的殼體固定于垂直進給前軸承座組件(23的殼體上，其輸出軸通過垂直進給聯軸節(22與垂直進給絲杠(26)連接，垂直進給螺母(24)支撐于垂直進給螺母座(25)上，后者固定于垂直進給工作臺(29)—側；工作時，垂直進給伺服電機(21)通過垂直進給聯軸節(22)驅動垂直進給絲杠(26 )旋轉，垂直進給絲杠(26 )帶動垂直進給螺母(24 )上下運動，最終通過垂直進給螺母座(25)帶動垂直進給工作臺(29)上下運動； 該水平進給運動單元(5)由水平進給電機(51)、水平進給聯軸節(52)、水平進給前軸承座組件(53 )、水平進給螺母(54 )、水平進給螺母座(55 )、水平進給絲杠(56 )、水平進給后軸承座組件(57)、直線導軌(58)、水平進給工作臺(59)組成；水平進給絲杠(56)支撐于水平進給前軸承座組件(53)、水平進給后軸承座組件(57)上，水平進給電機(51)的殼體固定于水平進給前軸承座組件(53)的殼體上，其輸出軸通過水平進給聯軸節(52)與水平進給絲杠(56)連接，水平進給螺母`(54)支撐于水平進給螺母座(55)上，后者固定于水平進給工作臺(59) —側；工作時，水平進給電機(51)通過水平進給聯軸節(52驅動水平進給絲杠(56 )旋轉，水平進給絲杠(56 )帶動水平進給螺母(54 )左右運動，最終通過水平進給螺母座(55)帶動水平進給工作臺(59)左右運動； 在垂直進給運動單元(2)的垂直進給工作臺(29上安裝有一動力頭擺動運動單元(J),它主要由一個力矩電機組成，也能采用蝸輪蝸桿結構或其它類型的轉臺，其功能是帶動蝸桿工具動力頭(3)做擺動運動或調整獲得蝸桿工具和工件之間的夾角G，因此其運動為聯動運動的一部分，在只做調整運動的場合，該單元的結構采用人工或其它簡單調整方式； 該蝸桿工具驅動動力頭(3)，其蝸桿工具上部(306)通過左、右軸承(319)、(320)支撐于由件(305)、(307)、(315)、(317)組成的動力頭上部殼體中，蝸桿工具下部(303)通過左、右軸承(319)、(320)的下部滾動體支撐于由件(301)、(302)、(325)、(326)組成的動力頭下部殼體中，上下兩部分通過一對定位銷(311)來確定其連接狀態的相對位置關系，動力頭上下部分各自殼體通過殼體連接螺釘(328)連接在一起，左、右導向板(324)、(327)通過滑板螺釘(323)連接于蝸桿工具開合單元(6)的工作臺面上，用于控制動力頭下部開合時能具有確定的運動位置和軌跡；蝸桿工具伺服電機(314通過齒形帶傳動系統(313)、(334)、(333)、(332)、(331)和齒輪傳動系統(330)、(329)、(321)、(322)驅動蝸桿工具的內齒輪使其做連續的位置速度可控的旋轉運動； 該工件旋轉運動單元(4)，其殼體底座(401)和殼體蓋板(402)形成的密閉空間內安裝有一對主動齒輪(406)和工件托盤齒輪(408)，其中主動齒輪(406)安裝于伺服電機(407)的端部，工件托盤齒輪(408)支撐于軸承(403)之上，工件托盤齒輪(408)的內部正好與被加工齒輪的外直徑相同或與用于將工件齒輪安裝在工件托盤齒輪(408)內的夾具的外徑相同，被加工工件齒輪(404)用壓板固定在工件托盤齒輪(408)之上并確保該位置的穩定性；該單元的殼體連接于工件水平進給運動單元(5)的水平進給工作臺(59)之上,隨該工作臺做左右方向的水平進給運動和快進快退運動； 該蝸桿工具動力頭開合單元(6)，由氣缸(61)、蝸桿工具驅動動力頭(3)中的定位銷(311、用于固定和放松左、右軸承(319 )、( 320 )的滾動體壓緊機構(335 ) - (340 )以及左、右導向板(324)、(327)組成；安裝和拆卸工件時，活塞(336)、氣缸活塞(340)通過滾珠壓板(335)、(338)壓住左、右軸承(319)、(320)的靠近開口處的滾動體，氣缸(61)再驅動蝸桿工具驅動動力頭的下部分向下運動，此時蝸桿工具(303)、(306)下、上部隨同其支撐軸承和殼體分開為上下兩部分，被加工工件齒輪(404)隨同工件旋轉運動單元(4)進入蝸桿工具驅動動力頭(3)內部，此后氣缸(61)推動蝸桿工具驅動動力頭下部在左、右導向板(324)、(327)的約束下向上運動，并通過定位銷(311)使上下兩部分回歸并保持正確的位置關系，此時放開活塞(336)、氣缸活塞(340)使軸承滾動體處于自由運動狀態；此時蝸桿工具伺服電機(314)通過傳動系統驅動蝸桿工具(303)、(306)下、上部做連續旋轉運動；當采用滾動軸承時，鼓形蝸桿工具在雙面半圈滾道的約束下只能具有一個旋轉運動自由度，因此此時兩半鼓形蝸桿工具并不一定要通過螺釘銷釘連接在一起，但當將左、右軸承(319)、(320)換成滑動軸承后，如間隙太大則需要將`其兩半連接成一體。
【文檔編號】B23F5/04GK103586546SQ201310540777
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月5日 優先權日:2013年11月5日
【發明者】陳謙, 王俊嶺 申請人:陳謙, 王俊嶺