刘井刚
（五矿矿业安徽开发矿业有限公司，安徽 六安 237462）
摘 要：车削大直径R弧球道辅具的设计，通过设计一套单级圆柱蜗杆、蜗轮减速器，采用手动控制以实现在空间交错的两轴间传递运动和动力，使刀具与蜗轮同步旋转达到车削圆弧的目的。
关键词：大直径球道；几何尺寸；结构尺寸；表面光洁度
在工业生产机械加工过程中，加工如图1所示大直径环行轨道的R球道时，很难保证加工弧面的形位公差以及表面粗糙度。
图1 环形
成形车刀是主要加工回转体零件内、外成形面的专用刀具，其切削刃形状根据所加工零件的轮廓形状设计制作，并由它将零件的轮廓形状一次加工成形。 当车削小直径球道回转零件时一般采用普通的成形车刀加工，沟道曲率半径R在20mm以下时，较易满足对车削加工工艺的要求，而对于R＞20mm的球道，由于加工中成形车刀工作刀刃加宽，切削阻力增大从而使成形车刀产生自激振动，切削力大也容易使刀架、轴承及其他结合件之间产生间隙，降低机床工艺系统的刚度，引起切削状态的波动，且成型表面达不到技术指标要求，显然成形车刀已无法完成切削大直径球道的加工。为了解决这一生产中的难题，综合机械加工辅具设计要素分析，设计开发出了R弧球道加工辅具。如图2所示。
图2
蜗杆为连续的螺旋齿，与蜗轮啮合过程是连续的，因此蜗杆、蜗轮传动结构紧凑、传动平稳，当蜗杆导程角γ小于轮齿间的当量摩擦角ρ′时，蜗杆具有可靠的自锁性，这时只能以蜗杆为主动件带动蜗轮传动，而不能由蜗轮带动蜗杆运动。车床加工工件要求传动平稳，以获得较高的表面成型及表面光洁度，因此选用蜗杆、蜗轮传动设计制作加工辅具传动平稳，容易获得较高的表面质量。根据蜗杆形状的不同可分圆柱蜗杆传动，环面蜗杆传动。圆柱蜗杆传动主要有普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆柱蜗杆传动，普通圆柱蜗杆传动又分为阿基米德蜗杆、渐开线蜗杆、法向直廓蜗杆。根据各种形式蜗杆的综合性能分析采用阿基米德蜗杆较为经济实用。
（1）蜗杆、蜗轮的材料选择。蜗杆采用45#钢，调质处理；蜗轮齿圈采用ZcuAL10Fe3；轮芯轴采用45#钢调质处理。
（2）确定蜗杆、蜗轮传动比i，蜗杆头数z1和蜗轮齿数z2。由于该辅具在实际操作使用上要求具有自锁性，当蜗杆头数z1＝1时自锁性较好，因此选蜗杆头数z1＝1。该蜗杆、蜗轮传动，采用手动旋转控制进给量，要求传递大的转矩且车削表面光洁度要高，所以z2尽量取大值。蜗轮齿数z2的多少，影响运转的平稳性，并受到两个限制：最少齿数应避免发生根切与干涉，理论上应使z2min≥17，当z2＜26时，啮合区显著减小，影响平稳性，而在z2≥30时，则可始终保持有两对齿以上啮合，因此通常选z2＞28。另一方面蜗轮齿数z2也不能过多，当z2＞80时(对于动力传动)，蜗轮直径将增大过多，在结构上相应就须增大蜗杆两支承点间的跨距，影响蜗杆轴的刚度和啮合精度；由于使用条件有要求,蜗轮直径小于100mm，如z2取得过多，模数m就越小，将影响轮齿的弯曲强度；因此选蜗轮齿数z2=30。
因此该蜗杆、蜗轮传动的传动比即确定：传动比为i=z2/z1=30/1=30。
（3）确定蜗杆、蜗轮的模数m和压力角α。在中间平面中，为保证蜗杆蜗轮传动的正确啮合，蜗杆的轴向模数ma1和压力角αa1应分别等于蜗轮的法面模数mt2和压力角αt2。 根据蜗轮轮齿齿面接触强度查模数m标准值表确定：ma1=mt2=m=2，αa1=αt2=20°。
（4）确定蜗杆的分度圆直径d1,蜗轮的分度圆直径d2。由常用的标准模数m和蜗杆分度圆直径d1匹配表确定：d1=22.4mm由此计算得出d2=m z2=2×30=60。
（5）导程角γ 。蜗杆的形成原理与螺旋相同，所以蜗杆轴向齿距pa与蜗杆导程pz的关系为pz＝z1patanγ=pz／πd1＝z1 pa／πd1＝z1 m／d1＝2/22.4。
由此得出：导程角γ= 5.102°
设计要求导程角γ的范围为3.5°～33°，经过计算看出此设计符合要求。
（1）运动分析：如图3所示。
右旋蜗杆为主动，以200r/min速度回转，蜗轮将顺时针旋转，n1，n2分别为蜗杆、蜗轮的转速，V1，V2分别为蜗杆、蜗轮在节点C的圆周速度。滑动速度Vs= V1/cosγ=πd1n1/60×1000 cosγ= 3.14×22.4×120/60×1000×cos5.102°=0.141m/s。查表蜗杆传动当量摩擦角ρ′≈6.4°
图3 蜗轮、蜗杆滑动速度分析
图4 蜗轮、蜗杆受力分析
（2）受力分析：如图4所示。
作用在齿面上的法向力可分解为三个相互垂直的分力：圆周力Ft、径向力Fr、和周向力Fa ，（T1、T2分别为作用在蜗杆、蜗轮上的转矩单位N/mm）假设手动转动在蜗杆上的作用力F为500N，
则 T1=FL=500×80=40000N/mm (L为手柄到蜗轮中心的力矩)
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
经计算看出：
（1）作用在蜗轮上的转矩604800 N/mm足以满足切削进给力。
（2）蜗杆导程角γ=5.102°小于轮齿间的当量摩擦角ρ′=6.4°蜗杆具有可靠的自锁性。
通过在5m立车上使用该辅具加工矿用浓缩机中心转盘轨道零件，经检测完全满足了加工技术指标要求。实践证明采用蜗杆、蜗轮传动设计制作的辅具，传动结构紧凑且传动平稳,在普通车上，配套使用该辅具加工转盘轨道，可以获得高质量的表面形位尺寸，表面光洁度可达到1.6um。该辅具适用于配合各种型号机床用来加工回转体球道、球弧等，与3.5m或5m立车配合使用可满足大型球沟道轴承的球道加工。
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中图分类号：TQ320.66+7
文献标识码：A
文章编号：1671-0711（2017）04（下）-0152-02
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