球面蜗杆加工及其工艺分析

吴玉金

（云南冶金昆明重工有限公司，昆明 650203）

在机械传动过程中，各类机械设备都广泛应用蜗杆副这一部件。在目前的技术条件支持下，蜗杆副可提供较大的传动作用力，并在承载能力以及分度准确性方面具有突出优势。常见蜗杆副包括直线式、阿基米德式、渐开线式、圆弧齿式以及球面式这几种类型。相较于其他类型的蜗杆副传动装置而言，球面蜗杆传动装置中蜗杆螺旋面修形，在机械传动加工过程中容易形成油膜，从而尽早提供相对稳定的啮合齿面。除此以外，球面蜗杆共轭齿面在接触位置下的曲率接近，对降低齿面接触应力有重要意义。更为关键的一点是，从球面蜗杆啮合原理的角度看，球面蜗杆齿面瞬时接触线与相对速度方向趋近于90°，这一条件对于蜗杆表面油膜形成非常有利，同时还能通过控制摩擦系数的方式，进一步改进整个蜗杆部件的传动工作效率。界于上述优势，球面蜗杆传动装置被广泛应用于机械制造尤其是重载啮合领域，对重型设备，如矿山、冶金等应用非常广泛。以下针对当前技术条件支持下，球面蜗杆的加工工艺展开分析与探讨。

1 装夹校正

装夹校正是球面蜗杆加工的第一步，其工作质量将直接对球面蜗杆的后续加工质量产生影响。首先，工作人员需要将蜗杆用专用刀架装好，并在水平尺的辅助下对蜗杆进行调整校正处理，确保蜗杆轴线水平符合0.02mm/1000.0mm～0.03mm/1000.0mm的要求。然后，将刀座台装设于工作台上，并按照中心轴线控制安装误差，校正允许偏差必须严格控制在±0.02mm范围内，以免对后续加工精度产生影响，达到控制误差要求后充分紧固即可。再根据蜗杆喉颈中心与工作台中心进行对正处理，确保两者中心充分对称，使后续加工精度更有保障。最后加工人员需要在高度尺的辅助下对切削刃工作面以及待加工蜗杆轴线水平面进行调整，确保两者水平工作面的一致性，并将蜗杆径向圆跳动量严格控制在0.04mm的允许范围内，以保障蜗杆部件的后续加工质量。

2 车喉颈

在球面蜗杆加工过程中，将球面蜗杆齿顶圆部件在滚齿机上完成精车加工处理。以某六头球面蜗杆为例（其加工结构如图1所示），啮合特性为：球面蜗杆头数6头，端面模数取值为23.95161，分度圆压力角取值为22.15446°，蜗杆螺旋方向为右向，中心距取值为900.0mm，齿全高取值为40.71774mm，法向侧齿高取值为17.7820mm，配对涡轮齿数为62齿。在对该球面蜗杆进行加工的过程中，将精车蜗杆齿顶圆弧度控制为640.96mm，中心距增大量取值为13.39，装刀台中心杆截面取值为119.0mm。根据以上基本参数，可按照“车刀长度＝精车蜗杆齿顶圆弧度取值＋装刀台中心杆截面取值/2＋中心距增大量取值”的方式计算车刀长度，并对刀盒以及车刀进行紧固处理。在此基础上，对切削机构关键参数取值进行严格控制，其中，刀架传动比以及工作台传动比均控制为1∶1，车喉颈加工过程中采用单分斜齿加工方法，即挂差动及走刀。车喉颈分粗车和精车两刀加工，此环节中将球面蜗杆喉颈尺寸控制为318.5mm，根据上述参数完成蜗杆中心线以及蜗杆6头数的刮出作业。然后，通过控制切削中心距的方式确保该球面蜗杆加工过程中工件中心距始终控制在800.0mm的理想范围内。

图1 某六头球面蜗杆加工结构示意图

3 螺纹粗铣

在球面蜗杆螺纹开沟的过程中，受到机床刀具长时间处于空转状态下，车刀加工切削量比较有限等因素的影响，导致加工效率偏低。为提高球面蜗杆加工效率，在加工过程中以指形刀替代常规意义机床车道，在确保全齿深加工下齿后流量≥4.0mm的情况下借助于指形刀完成开沟操作，将刀盒放置于指形刀刀台间，经粗铣加工后通过上移刀架的方式使螺杆轴线所处平面与切刀切削刃水平面保持一致。在这一基础之上，以电动机辅助工作台减速箱运转，在指形刀作用下进行粗切齿操作，此过程中将齿厚流量控制为6.0mm，并严格控制其与铣刀工作台面之间的距离。根据指形刀高度对蜗杆中心高度进行适当调整，用高度尺测定该状态下刀架蜗杆高度参数，以球面蜗杆加工图样为基准，根据螺纹深度利用机动和手动抬分齿完成对球面螺杆的螺纹粗铣加工。

4 精车蜗杆

为确保球面螺杆中心高度与车道切削刃高度的一致性，工作人员可以借助于高度尺在同一基准平面上进行螺杆高度与刀架高度的测量，两者在一致状态下将刀架下降1/2高度即可。然后固定刀盒，对刀尺寸厚度控制为30.0mm，并经量块辅助对正圆进行调整修正，将对刀尺靠于对刀圆盘并充分紧固，然后拆卸对刀尺并装配车刀即可。再次，将车刀靠近齿面，当车刀刀尖靠近螺纹底部紧固刀的情况下，用大车转动的方式去除两侧余量（注：此环节中余量需保留1.0mm左右），根据球面螺杆加工设计图样并在精车辅助下进行慢速精车加工。在此基础之上进行修形处理，先通过对称方式进行修形，然后以中心距增大值为依据，在立柱原位置基础上后退相应距离，入口端倒坡开始点至喉颈中心距离为1365.48mm打出油含点，每侧6个，共计12个油含点。倒左侧入口油含点，即左齿面时，轴向相反方向窜动2倍加3.31mm。最后，通过倒边角操作的方式完成整个球面蜗杆的铣齿加工全部作业。

5 结语

在当前机械制造与加工领域实践中，普通车床仅能实现对常规圆柱形蜗杆部件的加工，难以满足球面蜗杆的加工要求。通过既往报道分析可知：在球面蜗杆加工过程中，专用刀具切削刃必须围绕固定圆做圆周运动，与之保持相切关系，以实现对球面蜗杆的加工要求。本文即提出一种可用于球面蜗杆加工的工艺技术，并从装夹校正、车喉颈、螺纹粗铣以及精车蜗杆这几个环节入手，针对球面蜗杆在机械加工过程中的关键技术要点展开分析与探讨，整套加工工艺简单，可操作性高，且可最大限度保证加工精度，在机械制造加工领域中具有非常大的应用价值与潜力。

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