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、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，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)，最終研制出一臺(tái)最大外徑為 80mm，傳動(dòng)比為5，輸出扭矩為20N·m的微小型減速器樣機(jī)。
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，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。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)，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。由于內(nèi)、外正弦滾道為空間齒廓曲面，形狀復(fù)雜，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，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。
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。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。數(shù)控機(jī)床具有如下特點(diǎn)：能加工復(fù)雜型面零件；加工精度高，加工過程中，能在一次裝夾定位中加工多個(gè)表面，并能完成自動(dòng)檢測等工序，有效的提高了生產(chǎn)效率；自動(dòng)化程度高；可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用；采用數(shù)控機(jī)床，促進(jìn)了單件、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)；只需更換程序，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)�；谝陨咸攸c(diǎn)，對(duì)于單件、中小批量生產(chǎn)，形狀復(fù)雜、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，降低生產(chǎn)成本，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)，瑞士米克朗公司于1908年成立于瑞士比爾，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)。多年來，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)，不斷推出新型的高速高性能加工中心。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，提高了加工精度和加工效率。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。
UCP1350采用了新的海登海因HeidenhainTNC426M數(shù)控系統(tǒng)。此系統(tǒng)支持海登海因純文本和DIN或ISO語言進(jìn)行車間現(xiàn)場編程，并支持并行模式，當(dāng)機(jī)床在加工工件時(shí)，可進(jìn)行其他程序的編制，通過“固有程序操作”功能，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。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，在現(xiàn)有國產(chǎn)銑刀的條件下，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，較好的解決了這個(gè)難題。采用五坐標(biāo)數(shù)控加工中心，將球狀銑刀傾斜一定角度，斜插進(jìn)殼體內(nèi)圓柱面進(jìn)行銑削加工，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，為避免球頭銑刀的刀柄與殼體內(nèi)壁發(fā)生干涉，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，可以得到
根據(jù)空間正弦滾道的形成原理，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)，并沿徑向方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)加工出滾道槽深，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。
為保證空間正弦滾道的加工精度，工件經(jīng)過車削、銑削及高頻淬火等工藝流程后，必須對(duì)空間正弦滾道進(jìn)行精磨。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，進(jìn)行了非標(biāo)球頭磨具的設(shè)計(jì)。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。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，澆注在特定的模具中，冷卻凝固后，將金屬基CBN球頭與鋼質(zhì)刀柄用銀焊接在一起，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。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，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。最終加工成型的主動(dòng)軸、導(dǎo)架、殼體、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，它直接影響產(chǎn)品成本及能源消耗，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，振動(dòng)小，溫升低的機(jī)械。但是，由于機(jī)器結(jié)構(gòu)等因素的影響，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，以測量實(shí)際機(jī)器的效率值和與其相關(guān)的參數(shù)，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，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，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。
試驗(yàn)臺(tái)采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，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。為了方便準(zhǔn)確的測定減速器的傳動(dòng)效率，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)，并由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀顯示出輸入軸轉(zhuǎn)矩M1、轉(zhuǎn)速n1、功率P1及輸出軸的轉(zhuǎn)矩M2、轉(zhuǎn)速n2、功率P2的測量值。則被測減速器的傳動(dòng)效率為
η=P2/P1 （6-2）
式中 P
1——輸入、輸出功率P
1=
圖6-10 傳動(dòng)效率試驗(yàn)裝置（圖略）
6.2.2扭矩轉(zhuǎn)速測量裝置
試驗(yàn)臺(tái)為了同時(shí)測量轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，需使用可同時(shí)測量兩種物理量的傳感器。目前常用磁電式傳感器來同時(shí)測量轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩，其根據(jù)磁電轉(zhuǎn)換和相位差原理，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)，能直接測量各種動(dòng)力機(jī)械的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速，具有測量精度高（誤差±0.2%)，操作簡便，顯示直觀，測量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，可以測量軸靜止?fàn)顟B(tài)至額定轉(zhuǎn)速范圍的轉(zhuǎn)矩，它輸出功率大且性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬，因而得到普遍應(yīng)用。
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，它由機(jī)座、端蓋、扭力軸、內(nèi)齒輪、外齒輪、磁鋼、線圈軸承等組成。內(nèi)齒輪、磁鋼固定在套筒上，線圈固定在端蓋上，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)，由于磁通不斷變化，在線圈中便感應(yīng)出近似正弦波的感應(yīng)電勢ul、u2,兩感應(yīng)電勢的初始相位差是恒定的，考慮到正反加載， 設(shè)計(jì)在大約180°位置上，當(dāng)加上扭力時(shí)，扭力軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，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)ul、u2訊號(hào)的相位差要發(fā)生變化，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°。因此，測量出
就等于間接測量出軸上的外加轉(zhuǎn)矩，寧產(chǎn)，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。
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、機(jī)殼、激磁線圈、磁粉組成，其結(jié)構(gòu)如圖6-12所示。在激磁線圈不通電流時(shí)，不產(chǎn)生磁通，磁粉呈自由狀態(tài)。當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于離心力的作用，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，則在線圈周圍產(chǎn)生磁場，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，從而形成制動(dòng)力矩，起到加載的作用。該力矩與激磁電流的大小基本成正比，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。
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，空載跑合4個(gè)小時(shí)，觀察運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，進(jìn)入試驗(yàn)的準(zhǔn)備階段。為測得準(zhǔn)確試驗(yàn)數(shù)據(jù)必項(xiàng)對(duì)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀進(jìn)行常數(shù)輸入和轉(zhuǎn)矩調(diào)零設(shè)置，一切準(zhǔn)備完畢后，開始對(duì)減速器進(jìn)行試驗(yàn)測試。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，通過分析測試數(shù)據(jù)可知，經(jīng)實(shí)測最大的傳動(dòng)比誤差為-0.0148，平均傳動(dòng)比誤差為-0.0078。表明樣機(jī)的傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)精度高。經(jīng)分析可知，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)比測試結(jié)果
|
輸入轉(zhuǎn)速（rpm） |
400 |
500 |
600 |
700 |
800 |
900 |
1000 |
1200 |
1500 |
傳動(dòng)比平均值 |
|
輸出轉(zhuǎn)速（rpm） |
81.2 |
100.5 |
120.2 |
140.7 |
161.1 |
182.3 |
202 |
241.8 |
305 |
4.961 |
|
傳動(dòng)比 |
4.926 |
4.975 |
4.99 |
4.965 |
4.969 |
4.945 |
4.95 |
4.963 |
4.967 |
當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速為500rpm時(shí)，通過磁粉制動(dòng)器對(duì)減速器施加不同的載荷值，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。
表6-2 傳動(dòng)效率測試結(jié)果
|
輸入轉(zhuǎn)矩（N·m） |
0.325 |
0.426 |
0.52 |
0.628 |
0.712 |
0.81 |
0.923 |
效率平均值 |
|
輸入功率（w） |
17 |
22.3 |
27.2 |
32.9 |
37.3 |
42.4 |
48.3 |
|
輸入轉(zhuǎn)矩（N·m） |
1.493 |
1.975 |
2.423 |
2.933 |
3.336 |
3.811 |
4.352 |
|
輸入功率（w） |
15.6 |
20.7 |
25.4 |
30.7 |
34.9 |
39.9 |
45.6 |
|
效率η |
0.919 |
0.927 |
0.932 |
0.934 |
0.937 |
0.941 |
0.943 |
0.933 |
同樣方式測得當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速分別為700rpm、900 rpm、1100 rpm、1300 rpm、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。通過測試結(jié)果表明，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，由于此時(shí)潤滑脂溫度較低，隨著轉(zhuǎn)速的增加，減速器的傳動(dòng)效率略有提高，其平均值在93%以上，由引說明本文設(shè)計(jì)的減速器具有較高的傳動(dòng)效率。
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)，最終確定減速器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，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)；
2.提出在小半徑內(nèi)圓柱面上加工空間正弦滾道的方法，為提高加工精度，設(shè)計(jì)并制造出非標(biāo)CBN球頭磨具；
3.設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)、加工了與該減速器配套的試驗(yàn)輔助裝置，驗(yàn)裝了試驗(yàn)臺(tái)。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。
