車削R弧球道輔具的設計與應用

劉井剛

（五礦礦業安徽開發礦業有限公司，安徽 六安 237462）

車削R弧球道輔具的設計與應用

劉井剛

（五礦礦業安徽開發礦業有限公司，安徽 六安 237462）

車削大直徑R弧球道輔具的設計，通過設計一套單級圓柱蝸桿、蝸輪減速器，采用手動控制以實現在空間交錯的兩軸間傳遞運動和動力，使刀具與蝸輪同步旋轉達到車削圓弧的目的。

大直徑球道；幾何尺寸；結構尺寸；表面光潔度

1 緒論

在工業生產機械加工過程中，加工如圖1所示大直徑環行軌道的R球道時，很難保證加工弧面的形位公差以及表面粗糙度。

圖1 環形

成形車刀是主要加工回轉體零件內、外成形面的專用刀具，其切削刃形狀根據所加工零件的輪廓形狀設計制作，并由它將零件的輪廓形狀一次加工成形。 當車削小直徑球道回轉零件時一般采用普通的成形車刀加工，溝道曲率半徑R在20mm以下時，較易滿足對車削加工工藝的要求，而對于R＞20mm的球道，由于加工中成形車刀工作刀刃加寬，切削阻力增大從而使成形車刀產生自激振動，切削力大也容易使刀架、軸承及其他結合件之間產生間隙，降低機床工藝系統的剛度，引起切削狀態的波動，且成型表面達不到技術指標要求，顯然成形車刀已無法完成切削大直徑球道的加工。為了解決這一生產中的難題，綜合機械加工輔具設計要素分析，設計開發出了R弧球道加工輔具。如圖2所示。

圖2

2 工藝過程分析

蝸桿為連續的螺旋齒，與蝸輪嚙合過程是連續的，因此蝸桿、蝸輪傳動結構緊湊、傳動平穩，當蝸桿導程角γ小于輪齒間的當量摩擦角ρ′時，蝸桿具有可靠的自鎖性，這時只能以蝸桿為主動件帶動蝸輪傳動，而不能由蝸輪帶動蝸桿運動。車床加工工件要求傳動平穩，以獲得較高的表面成型及表面光潔度，因此選用蝸桿、蝸輪傳動設計制作加工輔具傳動平穩，容易獲得較高的表面質量。根據蝸桿形狀的不同可分圓柱蝸桿傳動，環面蝸桿傳動。圓柱蝸桿傳動主要有普通圓柱蝸桿傳動和圓弧圓柱蝸桿傳動，普通圓柱蝸桿傳動又分為阿基米德蝸桿、漸開線蝸桿、法向直廓蝸桿。根據各種形式蝸桿的綜合性能分析采用阿基米德蝸桿較為經濟實用。

3 零件主要參數分析確定和幾何尺寸的計算

（1）蝸桿、蝸輪的材料選擇。蝸桿采用45#鋼，調質處理；蝸輪齒圈采用ZcuAL10Fe3；輪芯軸采用45#鋼調質處理。

（2）確定蝸桿、蝸輪傳動比i，蝸桿頭數z1和蝸輪齒數z2。由于該輔具在實際操作使用上要求具有自鎖性，當蝸桿頭數z1＝1時自鎖性較好，因此選蝸桿頭數z1＝1。該蝸桿、蝸輪傳動，采用手動旋轉控制進給量，要求傳遞大的轉矩且車削表面光潔度要高，所以z2盡量取大值。蝸輪齒數z2的多少，影響運轉的平穩性，并受到兩個限制：最少齒數應避免發生根切與干涉，理論上應使z2min≥17，當z2＜26時，嚙合區顯著減小，影響平穩性，而在z2≥30時，則可始終保持有兩對齒以上嚙合，因此通常選z2＞28。另一方面蝸輪齒數z2也不能過多，當z2＞80時(對于動力傳動)，蝸輪直徑將增大過多，在結構上相應就須增大蝸桿兩支承點間的跨距，影響蝸桿軸的剛度和嚙合精度；由于使用條件有要求,蝸輪直徑小于100mm，如z2取得過多，模數m就越小，將影響輪齒的彎曲強度；因此選蝸輪齒數z2=30。

因此該蝸桿、蝸輪傳動的傳動比即確定：傳動比為i=z2/z1=30/1=30。

（3）確定蝸桿、蝸輪的模數m和壓力角α。在中間平面中，為保證蝸桿蝸輪傳動的正確嚙合，蝸桿的軸向模數ma1和壓力角αa1應分別等于蝸輪的法面模數mt2和壓力角αt2。 根據蝸輪輪齒齒面接觸強度查模數m標準值表確定：ma1=mt2=m=2，αa1=αt2=20°。

（4）確定蝸桿的分度圓直徑d1,蝸輪的分度圓直徑d2。由常用的標準模數m和蝸桿分度圓直徑d1匹配表確定：d1=22.4mm由此計算得出d2=m z2=2×30=60。

（5）導程角γ 。蝸桿的形成原理與螺旋相同，所以蝸桿軸向齒距pa與蝸桿導程pz的關系為pz＝z1patanγ=pz／πd1＝z1 pa／πd1＝z1 m／d1＝2/22.4。

由此得出：導程角γ= 5.102°

設計要求導程角γ的范圍為3.5°～33°，經過計算看出此設計符合要求。

4 傳動總效率計算

5 蝸桿、蝸輪傳動的運動分析及受力分析

（1）運動分析：如圖3所示。

右旋蝸桿為主動，以200r/min速度回轉，蝸輪將順時針旋轉，n1，n2分別為蝸桿、蝸輪的轉速，V1，V2分別為蝸桿、蝸輪在節點C的圓周速度。滑動速度Vs= V1/cosγ=πd1n1/60×1000 cosγ= 3.14×22.4×120/60×1000×cos5.102°=0.141m/s。查表蝸桿傳動當量摩擦角ρ′≈6.4°

圖3 蝸輪、蝸桿滑動速度分析

圖4 蝸輪、蝸桿受力分析

（2）受力分析：如圖4所示。

作用在齒面上的法向力可分解為三個相互垂直的分力：圓周力Ft、徑向力Fr、和周向力Fa ，（T1、T2分別為作用在蝸桿、蝸輪上的轉矩單位N/mm）假設手動轉動在蝸桿上的作用力F為500N，

則 T1=FL=500×80=40000N/mm (L為手柄到蝸輪中心的力矩)

T2= T1 iη=40000N/mm×30×0.504=604800 N/mm

F t1=－F at2=2T1/d1=3571.4N

F a1=－F t2=2T2/d2=20160N

F r1=－F r2=F t2/ tana=55389.1N

經計算看出：

（1）作用在蝸輪上的轉矩604800 N/mm足以滿足切削進給力。

（2）蝸桿導程角γ=5.102°小于輪齒間的當量摩擦角ρ′=6.4°蝸桿具有可靠的自鎖性。

6 結語

通過在5m立車上使用該輔具加工礦用濃縮機中心轉盤軌道零件，經檢測完全滿足了加工技術指標要求。實踐證明采用蝸桿、蝸輪傳動設計制作的輔具，傳動結構緊湊且傳動平穩,在普通車上，配套使用該輔具加工轉盤軌道，可以獲得高質量的表面形位尺寸，表面光潔度可達到1.6um。該輔具適用于配合各種型號機床用來加工回轉體球道、球弧等，與3.5m或5m立車配合使用可滿足大型球溝道軸承的球道加工。

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TQ320.66+7

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1671-0711（2017）04（下）-0152-02