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 圓柱正弦活齒減速器的加工及試驗(yàn)研究

6.1圓柱正弦活齒減速器樣機(jī)的加工制造
圓柱正弦活齒減速器是為適應(yīng)航空航天余黎、石油開采等特種工作環(huán)境的需要，而自行開發(fā)研制的一種微小型活齒傳動(dòng)裝置。本文經(jīng)過空間嚙合理論、強(qiáng)度及動(dòng)力學(xué)特性分析等一系列理論研究那伐，對(duì)圓柱正弦活齒減速器進(jìn)行了多目標(biāo)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)柬乓，最終研制出一臺(tái)最大外徑為 80mm眷滤，傳動(dòng)比為5助被，輸出扭矩為20N·m的微小型減速器樣機(jī)剖张。
由圓柱正弦活齒減速器的結(jié)構(gòu)組成可知，其中大部分結(jié)構(gòu)都是常用的零件揩环，故可用傳統(tǒng)的加工方法及通用的加工設(shè)備進(jìn)行加工制造搔弄。而殼體及主動(dòng)軸的內(nèi)、外空間正弦滾道的加工制造是該減速器制造的關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)丰滑，它們加工精度的高低及質(zhì)量好壞直接影響著該活齒傳動(dòng)的傳動(dòng)性能顾犹。由于內(nèi)、外正弦滾道為空間齒廓曲面褒墨，形狀復(fù)雜炫刷，要求加工刀具不但要有x,y,z三個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)而且還要求刀具主軸能繞y,z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，因此無法在普通銑床上加工制造郁妈，需要依靠五軸數(shù)控（NC）機(jī)床來實(shí)現(xiàn)并保證滾道加工的精度和質(zhì)量柬唯。

數(shù)控（NC）機(jī)床是裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床，該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用編碼或其他符號(hào)指令規(guī)定的程序圃庭。而同時(shí)具備自動(dòng)換刀功能及自動(dòng)判斷被加工件上多個(gè)表面功能的NC機(jī)床，稱為加工中心失晴。數(shù)控機(jī)床具有如下特點(diǎn)：能加工復(fù)雜型面零件剧腻；加工精度高，加工過程中滑信，能在一次裝夾定位中加工多個(gè)表面占找，并能完成自動(dòng)檢測(cè)等工序，有效的提高了生產(chǎn)效率煞恭；自動(dòng)化程度高络务；可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用；采用數(shù)控機(jī)床井翅，促進(jìn)了單件怠鲜、小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化生產(chǎn)霹链；只需更換程序坦庸，采用通用工夾具，就可適用不同品種及尺寸規(guī)格零件的自動(dòng)化生產(chǎn)厦绪∨刃樱基于以上特點(diǎn)，對(duì)于單件逛镶、中小批量生產(chǎn)迄埃，形狀復(fù)雜疗韵、精度要求高的零件加工采用數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量侄非，降低生產(chǎn)成本蕉汪，獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。
本課題利用瑞士米克朗公司生產(chǎn)的UCP1350五坐標(biāo)數(shù)控加工中心進(jìn)行空間正弦滾道的加工（如圖6-1)彩库，瑞士米克朗公司于1908年成立于瑞士比爾肤无，是世界著名的精密機(jī)床制造商，在機(jī)加工領(lǐng)域積累了數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)骇钦。多年來宛渐，米克朗公司始終保持著在制造五軸聯(lián)動(dòng)加工中心方面的領(lǐng)先地位，并投入了大量的力量用于發(fā)展銑削技術(shù)眯搭，不斷推出新型的高速高性能加工中心窥翩。其中五軸聯(lián)動(dòng)加工中心為復(fù)雜零件的加工提供了解決之道，一次裝夾可實(shí)現(xiàn)多面加工以及一坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工鳞仙，提高了加工精度和加工效率寇蚊。加工中心主軸銑削加工時(shí)最高轉(zhuǎn)速為12000rpm，磨削加工時(shí)為10000rpm展松。

UCP1350采用了新的海登海因HeidenhainTNC426M數(shù)控系統(tǒng)厕斩。此系統(tǒng)支持海登海因純文本和DIN或ISO語(yǔ)言進(jìn)行車間現(xiàn)場(chǎng)編程，并支持并行模式脂圾，當(dāng)機(jī)床在加工工件時(shí)翠冻，可進(jìn)行其他程序的編制，通過“固有程序操作”功能色矿，控制系統(tǒng)能對(duì)未經(jīng)數(shù)控方式定義的工件進(jìn)行編程工作纪闽。內(nèi)外空間正弦滾疲道的數(shù)控加工程序參見附錄。

由于圓柱正弦活齒減速器徑向尺寸小决癞，在現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)銑刀的條件下委勤，加工殼體的內(nèi)空間正弦滾道具有很大的難度，本文提出一種加工方案榴廷，較好的解決了這個(gè)難題宴甩。采用五坐標(biāo)數(shù)控加工中心，將球狀銑刀傾斜一定角度钢战，斜插進(jìn)殼體內(nèi)圓柱面進(jìn)行銑削加工秦辆，其加工位置示意圖如圖6-2。

由于球狀銑刀的刀刃部分為半球頭形狀祠乃，為避免球頭銑刀的刀柄與殼體內(nèi)壁發(fā)生干涉梦重，導(dǎo)致內(nèi)空間正弦滾道被銑削出平面，則空間正弦曲線的平衡位置到殼體端面的距離L應(yīng)滿足一定的條件，由圖6-2中各參數(shù)的關(guān)系琴拧，可以得到

根據(jù)空間正弦滾道的形成原理降瞳，銑刀中心沿空間正弦軌跡曲線運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，刀具自身作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)蚓胸，并沿徑向方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)加工出滾道槽深挣饥，則銑刀的刀刃包絡(luò)出內(nèi)外空間正弦滾道的齒廓曲面，也即完成了空間正弦滾道的銑削工藝沛膳。
為保證空間正弦滾道的加工精度扔枫，工件經(jīng)過車削、銑削及高頻淬火等工藝流程后锹安，必須對(duì)空間正弦滾道進(jìn)行精磨短荐。對(duì)內(nèi)空間正弦滾道的磨削是比較困難的工藝流程，本文根據(jù)滾道及殼體內(nèi)圓柱面的形狀尺寸叹哭，進(jìn)行了非標(biāo)球頭磨具的設(shè)計(jì)忍宋。該非標(biāo)球頭磨具的材質(zhì)選用金屬基立方氮化硼（CBN),CBN濃度為100%，粒度為80目恒欣。其制造的工藝流程為：將立方氮化硼顆粒溶入液化的金屬基（銅）中移良，澆注在特定的模具中，冷卻凝固后髓界，將金屬基CBN球頭與鋼質(zhì)刀柄用銀焊接在一起辰稽，最后采用電火花工藝將球頭按一定精度加工成型，由此更好的保證了球頭磨具的型位公差咪犹。為防止磨削時(shí)產(chǎn)生的積屑降低磨具的磨削硬度及精度爷瓜，在磨具的球頭部位還設(shè)計(jì)有排屑槽。加工成型后的金屬基CBN球頭磨具見圖6-3擦灸。最終加工成型的主動(dòng)軸、導(dǎo)架垛淮、殼體剂撑、其它關(guān)鍵件及裝配后的減速器樣機(jī)見圖6-4～圖6-8。

6.2傳動(dòng)效率試驗(yàn)研究

6.2.1試驗(yàn)原理
機(jī)械傳動(dòng)件的性能是工程界十分重視的一個(gè)問題根适，它直接影響產(chǎn)品成本及能源消耗苞毡，每個(gè)設(shè)計(jì)師都希望自己設(shè)計(jì)的機(jī)器是一臺(tái)高效率，噪聲低继谚，振動(dòng)小烈菌，溫升低的機(jī)械。但是花履，由于機(jī)器結(jié)構(gòu)等因素的影響芽世，實(shí)際機(jī)器很難達(dá)到理想的計(jì)算效率及其它設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)際機(jī)器效率受加工精度和裝配精度及使用條件等因素影響將低于計(jì)算效率，這就需要進(jìn)行試驗(yàn)研究济瓢，以測(cè)量實(shí)際機(jī)器的效率值和與其相關(guān)的參數(shù)荠割，給傳動(dòng)裝置的選擇及改進(jìn)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)。為此旺矾，本文對(duì)圓柱正弦活齒減速器樣機(jī)進(jìn)行了傳動(dòng)比及傳動(dòng)效率試驗(yàn)研究蔑鹦，試驗(yàn)裝置的工乍原理如圖6-9所示。試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)物照片如圖6-10所示箕宙。
試驗(yàn)臺(tái)采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)嚎朽，磁粉制動(dòng)器作為加載裝置，電動(dòng)機(jī)通過調(diào)節(jié)穩(wěn)流電源電流控制磁粉制動(dòng)器加載轉(zhuǎn)矩的大小柬帕。為了方便準(zhǔn)確的測(cè)定減速器的傳動(dòng)效率哟忍，在試驗(yàn)臺(tái)的輸入端與輸出端各安裝一臺(tái)磁電式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，傳感器將輸入輸出軸上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變成電信號(hào)邀耽，并由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x顯示出輸入軸轉(zhuǎn)矩M₁穗蚌、轉(zhuǎn)速n₁、功率P₁及輸出軸的轉(zhuǎn)矩M₂平葡、轉(zhuǎn)速n₂崭守、功率P₂的測(cè)量值。則被測(cè)減速器的傳動(dòng)效率為

                    η=P₂/P₁                                       （6-2）

式中   P₁——輸入宗而、輸出功率P₁=

圖6-10   傳動(dòng)效率試驗(yàn)裝置（圖略）

6.2.2扭矩轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置
試驗(yàn)臺(tái)為了同時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速浙辫，需使用可同時(shí)測(cè)量?jī)煞N物理量的傳感器。目前常用磁電式傳感器來同時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩攻躏，其根據(jù)磁電轉(zhuǎn)換和相位差原理郊檐，將轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速機(jī)械量轉(zhuǎn)換成兩路有一定相位的電壓訊號(hào)跃唧，能直接測(cè)量各種動(dòng)力機(jī)械的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速茴怀，具有測(cè)量精度高（誤差±0.2%)，操作簡(jiǎn)便令怎，顯示直觀找筝，測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，可以測(cè)量軸靜止?fàn)顟B(tài)至額定轉(zhuǎn)速范圍的轉(zhuǎn)矩慷吊，它輸出功率大且性能穩(wěn)定袖裕，具有一定的工作帶寬，因而得到普遍應(yīng)用溉瓶。
圖6-11為磁電式相位差型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖急鳄，它由機(jī)座、端蓋堰酿、扭力軸疾宏、內(nèi)齒輪张足、外齒輪、磁鋼灾锯、線圈軸承等組成兢榨。內(nèi)齒輪、磁鋼固定在套筒上顺饮，線圈固定在端蓋上吵聪，外齒輪固定在扭力軸上，當(dāng)內(nèi)外齒輪發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)沿阁，由于磁通不斷變化嫌盲，在線圈中便感應(yīng)出近似正弦波的感應(yīng)電勢(shì)u_l、u₂,兩感應(yīng)電勢(shì)的初始相位差是恒定的铆贞，考慮到正反加載赐赁， 設(shè)計(jì)在大約180°位置上，當(dāng)加上扭力時(shí)伶摩，扭力軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形雕踊，在彈性范圍內(nèi)外加扭矩與機(jī)械扭轉(zhuǎn)角成正比，這時(shí)u_l昂幕、u₂訊號(hào)的相位差要發(fā)生變化挺候，即

（6-3）

當(dāng)傳感受器的扭矩增加到額定值時(shí)，變化的相位 大約為90°庶化。因此即钞，測(cè)量出 就等于間接測(cè)量出軸上的外加轉(zhuǎn)矩，寧產(chǎn)迹姆，傳感器就實(shí)現(xiàn)了把機(jī)械量的扭角變化轉(zhuǎn)化成電子量的相位差變化的過程部爱。

6.2.3試驗(yàn)加載裝置
采用磁粉制動(dòng)器作為試驗(yàn)的加載裝置。磁粉制動(dòng)器由轉(zhuǎn)子岭埠、機(jī)殼盏混、激磁線圈、磁粉組成惜论，其結(jié)構(gòu)如圖6-12所示许赃。在激磁線圈不通電流時(shí)，不產(chǎn)生磁通来涨，磁粉呈自由狀態(tài)图焰。當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)启盛，由于離心力的作用蹦掐，使磁粉散布在轉(zhuǎn)動(dòng)件與機(jī)殼之間，若此時(shí)激磁線圈通電流僵闯，則在線圈周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)卧抗，轉(zhuǎn)動(dòng)件與機(jī)殼間的磁粉沿磁通方向連接成鏈狀，由于磁粉間的結(jié)合力，使工作面之間產(chǎn)生摩擦力社裆，從而形成制動(dòng)力矩拙绊，起到加載的作用。該力矩與激磁電流的大小基本成正比谈毫，故通過調(diào)節(jié)激磁線圈的電流大小可在一定范圍內(nèi)改變制動(dòng)力矩的大小哟俩。

6.2.4試驗(yàn)結(jié)果分析
進(jìn)行減速器效率試驗(yàn)前，首先讓減速器在輸入轉(zhuǎn)速為500rpm的條件下鹤鲤，空載跑合4個(gè)小時(shí)褐琼，觀察運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，進(jìn)入試驗(yàn)的準(zhǔn)備階段枷辫。為測(cè)得準(zhǔn)確試驗(yàn)數(shù)據(jù)必項(xiàng)對(duì)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x進(jìn)行常數(shù)輸入和轉(zhuǎn)矩調(diào)零設(shè)置涤瘸，一切準(zhǔn)備完畢后，開始對(duì)減速器進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試笔房。當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)速取不同值時(shí)計(jì)算出減速器樣機(jī)的傳動(dòng)比及樣機(jī)總評(píng)傳動(dòng)比如表6-1所示延砾，通過分析測(cè)試數(shù)據(jù)可知，經(jīng)實(shí)測(cè)最大的傳動(dòng)比誤差為-0.0148学虑，平均傳動(dòng)比誤差為-0.0078段辈。表明樣機(jī)的傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)精度高没惶。經(jīng)分析可知肖喂，正弦滾道的加工精度是造成整機(jī)傳動(dòng)誤差的主要原因。

表6-1  傳動(dòng)比測(cè)試結(jié)果

當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速為500rpm時(shí)庆杜，通過磁粉制動(dòng)器對(duì)減速器施加不同的載荷值射众，得到一系列輸入輸出轉(zhuǎn)矩、輸入輸出功率及效率如表6-2所示晃财。

表6-2  傳動(dòng)效率測(cè)試結(jié)果

同樣方式測(cè)得當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速分別為700rpm叨橱、900 rpm、1100 rpm断盛、1300 rpm罗洗、1500 rpm時(shí)，減速呂樣機(jī)的平均效率隨輸入轉(zhuǎn)速變化曲線如圖6-13钢猛。通過測(cè)試結(jié)果表明伙菜，在低中速情況下，減速器的傳動(dòng)效率受其轉(zhuǎn)速的影響不明顯命迈，由于此時(shí)潤(rùn)滑脂溫度較低贩绕，隨著轉(zhuǎn)速的增加，減速器的傳動(dòng)效率略有提高壶愤，其平均值在93%以上淑倾，由引說明本文設(shè)計(jì)的減速器具有較高的傳動(dòng)效率馏鹤。

6.3本章小結(jié)

1.在理論分析的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)绸廉，最終確定減速器的結(jié)構(gòu)參數(shù)牵蠢，并繪制出減速器的裝配圖和零件圖。與哈爾濱建成集團(tuán)合作加工制造出一臺(tái)樣機(jī)姨痊；

2.提出在小半徑內(nèi)圓柱面上加工空間正弦滾道的方法仓疯，為提高加工精度，設(shè)計(jì)并制造出非標(biāo)CBN球頭磨具购狈；

3.設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案多盅，設(shè)計(jì)、加工了與該減速器配套的試驗(yàn)輔助裝置裹耗，驗(yàn)裝了試驗(yàn)臺(tái)勤右。通過試驗(yàn)結(jié)果表明，該減速器具有較高的傳動(dòng)精度和傳動(dòng)效率痘宋。