基于1级精度基准标准齿轮的超精密磨齿工艺

为建立超精密磨齿工艺的科学原理与技术框架,以研制ISO 1328-1∶1995中1级精度的基准标准齿轮为目标,研究了超精密齿轮磨齿工艺原理与方法。首先,依据渐开线齿轮最佳成型原理,考虑机床关键元部件易精化及结构刚度高的特点,选择Y7125型大平面砂轮磨齿机为工具机。然后,从齿坯工艺与基准修复、机床参数的优化调整及科学的磨齿操作等方面对超精密磨齿工艺进行了探讨与研究。最后,通过磨齿实验研制出了m2和m4一级精度的基准标准齿轮。该项工艺的研究对我国齿轮制造技术与水平的全面提升具有指导作用。

超精密齿距偏差测量中测点位置的误差补偿

为实现测点位置难于布置到被测齿轮分度圆上超精密齿轮齿距偏差的测量,对测头直径及测点位置参数对齿轮齿距累积偏差测量的影响进行了理论分析与实验研究。首先建立了测头直径和测头位置参数与齿距累积偏差的映射关系;然后推导出齿距累积偏差测量中的测点位置误差补偿系数;最后通过一组精密测试实验,证实了不同测量圆上获取的齿距偏差示值之间的存在差异,然而通过引入测点位置误差补偿系数将其折算到被测齿轮分度圆上,得到的齿距累积偏差值基本一致。本例中,不同测量圆上两次获取的齿距累积总偏差测量结果的最大差值仅为0.09μm,平均差值仅为0.04μm。实验结果表明了所建测点位置补偿模型的正确性与超精密齿距偏差测量中测点位置误差补偿方法的可行性。

高等级渐开线样板精密磨削实验研究

渐开线的复杂性与加工、测试中的特殊性一直是渐开线样板制造技术中的瓶颈.为研制高等级渐开线样板,首先探讨了渐开线的成型原理,指出滚轮-导轨式机械展成机构具有渐开线一次成型、驱动精度不影响渐开线的展成精度、误差来源少的优点,适合加工高等级渐开线样板.然后根据渐开线的生成原理,设计了双滚轮-双导轨式渐开线样板测量与磨削装置.最后对一渐开线凸轮试件进行了精密磨削实验,精密测试表明,该渐开线凸轮试件在105mm的展成长度内渐开面的齿廓总偏差不超过0.6μm,齿廓形状偏差不超过0.4μm.实验结果表明,双滚轮-双导轨式渐开线样板磨削与测量装置符合渐开线的成型原理,具备加工与测量高等级渐开线样板的能力.

大平面砂轮磨齿特点与磨损规律

为提高超精密齿轮的齿廓精度,首先分析了大平面砂轮的磨齿特点,推导出了砂轮磨齿线速度与齿轮进给速度的表达式,为大平面砂轮磨齿系统的动态性能研究提供了理论基础.然后研究了大平面砂轮的磨损规律,得出在均匀磨齿过程中砂轮的磨损程度是不均匀的,提出选择品质合适的砂轮、微量磨削、勤修精修砂轮及在半塞实状态下停车等措施以减小被磨齿轮的齿廓偏差.最后通过超精密磨削实验,研制出了1级齿廓精度的超精密齿轮.

安装误差对直齿标准齿轮螺旋线偏差的影响规律

在齿轮螺旋线的实际测量过程中,不同轮齿的螺旋线倾斜偏差经常会出现较大差异。为提高齿轮螺旋线偏差的测量精度,分别研究了芯轴和齿轮安装误差对齿轮螺旋线偏差的影响规律。首先分别建立了芯轴安装偏心和倾斜误差及齿轮安装偏心和偏摆误差对齿轮螺旋线形状偏差和倾斜偏差影响的数学模型,然后制作了平垫圈(1#、4#)和楔角误差分别5.5μm/45mm(2#)和11.9μm/45mm(3#)的楔形垫圈,用于进行齿轮螺旋线偏差的精密测试实验。得到如下结果:采用2#楔形垫圈时,螺旋线倾斜偏差f_(Hβ)的最大值与理论模型相差0.17μm,相对误差为7%;采用3#楔形垫圈时,螺旋线倾斜偏差f_(Hβ)的最大值与理论模型相差0.06μm,相对误差为1%;而两次试验中齿轮螺旋线的形状偏差ffβ基本不变。实验结果表明:齿轮安装偏摆误差对螺旋线偏差的实测结果与理论值基本吻合,从而验证了所建数学模型的准确性。依据本文所建螺旋线的数学模型,得到通过调整齿轮安装偏摆误差补偿各齿轮螺旋线倾斜偏差差异的误差补偿方法。本文研究对于研制高精度标准齿轮具有重要研究意义。

皮带松紧度对Y7125磨齿机的振动影响试验

为研制高精度标准齿轮和齿轮刀具的需要,对Y7125磨齿机的砂轮电机皮带轮松紧度对机床关键部位振动的影响进行了试验研究。比较了不同皮带松紧度下磨齿机关键部位振动的峰值位移,给出了磨齿机振动随皮带松紧度的变化情况。通过优化皮带的松紧度使砂轮修整器导轨的振动峰值位移减小了约56%,砂轮轴前端盖的振动峰值位移减少了约76%。试验结果表明,优化Y7125磨齿机电机皮带松紧度可减小机床的振动。

控制大平面砂轮磨削面锥形误差提高齿轮螺旋线精度

为了研制高精度标准齿轮,以Y7125磨齿机为例分析了大平面砂轮磨削面锥形误差对齿轮螺旋线偏差的影响。建立了磨削的几何模型,推导出了影响量的数学表达式。理论分析结果显示,砂轮与齿面有效接触宽度对齿轮螺旋线形状偏差的影响不大,而随着被磨齿轮齿宽的加大,对齿轮螺旋线形状偏差的影响系数会显著增大;砂轮磨削面锥形误差使被磨齿轮螺旋线偏差曲线呈弧形,且弧度从齿根到齿顶逐渐增大。最后通过一实例进行了误差测量、磨齿实验与偏差分析。研究结果表明,控制大平面砂轮磨削面的锥形误差在2.7′以内可满足加工1级螺旋线精度齿轮的加工要求。

插齿刀齿形角修正算法与精度探讨

出于研制高精度插齿刀的需要,分析了插齿刀齿廓偏差产生的原因及插齿刀齿形角修正的必要性,提出了一种基于齿廓倾斜偏差误差补偿的优化迭代算法。通过一组实例验证了使用该优化算法设计的插齿刀切齿时产生的残余齿廓偏差较传统插齿刀要小。研究结果表明优化设计后的插齿刀可提高被加工齿轮的齿廓精度,并使其齿顶和齿根处产生等量的自然修形量。

全组合测量法在多齿盘基准面测量中的应用

为了提高测量精度,将精密测角中的"全组合测量法"应用到多齿盘的基准面测量中,搭建了测量平台并给出了测量步骤与数据处理方法。通过反复测量与研磨,将活动多齿盘外端面相对于啮合平面的平行度最大偏差由原来的4μm减小到0.29μm左右,大大提高了多齿盘的安装基准面的精度,减小了多齿盘分度精度的损失,为加工1级(ISO1328-1∶1995)齿距精度的超精密齿轮做好铺垫。该测量方法可以推广到任何精密回转零件的端跳测量中,以达到精密测量与误差分离的效果。

1级齿轮渐开线样板的国内量值比对

齿轮渐开线样板国家标准GB/T 6467-2010中的最高等级为1级,其齿廓形状公差在1.0~2.1μm之间,目前我国商品渐开线测量仪的测量不确定度暂不满足1级齿轮渐开线样板的测量要求。为了验证大连理工大学高精度齿轮研究室研制的齿轮渐开线样板的制造精度,大连理工大学联合中国计量科学研究院、东北国家计量测试中心、重庆市计量质量检测研究院对编号GIA db100-200-262:06的具有3种基圆参数的新型齿轮渐开线样板进行了国内量值比对。根据各单位计量室提供的齿轮渐开线样板基圆半径和齿廓形状偏差的测量结果和测量不确定度,采用加权平均法计算该齿轮渐开线样板的齿廓形状偏差参考值,最终测量结果的归一化偏差|E_(n)|<1,证明了各计量室测量结果的真实有效性。在95%的置信区间内,该齿轮渐开线样板4个齿面计值范围内的齿廓形状偏差f_(fα)=(0.27~0.43)±0.53μm,满足我国齿轮渐开线样板国家标准GB/T 6467-2010对1级齿轮渐开线样板齿廓形状公差和计值范围的要求。

齿轮渐开线样板安装偏心对齿廓倾斜偏差的影响

为提高齿轮渐开线样板的制造精度,本文研究了齿轮渐开线样板安装偏心对其齿廓倾斜偏差的影响。基于双滚轮-导轨式渐开线展成原理,建立了齿轮渐开线样板安装偏心对其齿廓倾斜偏差影响的数学模型,并依据该模型分离出齿廓形状偏差和齿廓倾斜偏差;基于该数学模型,推导出补偿特定齿轮渐开线样板齿廓倾斜偏差所对应的安装偏心;最后,搭建了齿轮渐开线样板实验装置进行验证。实验结果表明通过对安装偏心的补偿,可将齿轮渐开线样板齿廓倾斜偏差由-3.53μm减小到-0.06μm,达到了1级齿轮渐开线样板对齿廓倾斜偏差的要求。研究齿轮渐开线样板安装偏心对其齿廓倾斜偏差的影响规律可以用于补偿齿轮渐开线样板的齿廓倾斜偏差,并为开发高精度齿轮渐开线样板提供技术支持。

磨齿机分度误差传递规律

为预测被加工齿轮的齿距加工精度,研究了Y7125型大平面砂轮磨齿机系统分度误差的传递规律。采用全闭环测量法对用作角度测量基准的正36面棱体进行了高精度标定;基于该正36面棱体和相对测量法在机提取机床36个等分点系统分度误差曲线;最后在磨齿机上进行精密磨齿实验,通过比较齿轮试件的齿距累积偏差与机床原始系统分度误差的差异,研究机床分度误差的传递规律,并通过实验得到磨齿机分度误差传递过程中的不确定度。实验结果表明:采用全闭环测量法标定正36面棱体的测量不确定度达到±0.05;磨齿机系统分度误差传递到被加工齿轮后,齿距累积总偏差由2.1m增大到2.6m,相对误差增加了24%;通过磨齿实验得到磨齿机分度误差传递过程中的不确定度为±0.6m。得到的机床分度误差传递规律可用于预测齿轮的齿距累积加工精度,为制定科学的磨齿工艺提供技术支持。

扩大分度盘加工齿坯齿数范围的精密磨齿工艺

分度盘式分度系统广泛应用于高精度标准齿轮、插齿刀和剃齿刀的磨齿中,然而传统的磨齿工艺限制了分度盘加工齿坯齿数的种类.为扩大分度盘的加工范围,提出了一种应用分度盘分组多次加工齿坯的精密磨齿工艺方法.首先精加工出一组齿数等于分度盘工作槽数的同名齿面为基准齿面;然后根据待加工齿面与基准齿面单一齿距偏差代数和的平均差值或径向跳动偏差代数的平均差值来确定同名齿面中另一组齿面的加工余量,或根据公法线测量跨齿数的奇偶性和公法线的加工余量确定并完成异名齿面的精加工;最后,用上述方法选择已精加工的、误差源较少的齿面为基准齿面依次完成剩余齿面的精加工.设计一组利用工作槽数为20的分度盘,分两组加工齿数为40的标准齿轮试件的精密磨齿实验,采用"差动进给磨齿法"实现了齿面渐开线法向0.2μm量级的微量进给.最终被磨试件的单一齿距偏差不超过0.8μm,齿距累积总偏差不超过1.3μm,均达到齿轮国际标准ISO 1328-1∶1995和国家标准GB/T 10095.1——2008中的最高级精度(0级).精密磨齿实验验证了该磨齿工艺方法的可行性.分度盘分组加工齿坯的磨齿工艺扩大了分度盘加工齿坯齿数的范围,具有重要的工程应用价值.

双滚轮-导轨式渐开线测量仪的空间几何误差补偿方法

为解决1级齿轮渐开线样板的精密测量难题,提出了一种基于双滚轮-导轨式渐开线测量仪的空间几何误差补偿新方法。首先,建立了空间几何误差与渐开线齿廓偏差之间映射关系的数学模型;然后,基于该模型对齿轮渐开线样板、基圆盘与芯轴的综合安装误差和基圆盘的圆度误差进行了具体分析;最后,通过改变渐开线展开长度对应的基圆盘使用圆弧段、综合安装偏心量及相位等参数,实测了齿轮渐开线样板的齿廓偏差,并得出以下结论:基圆盘的圆度误差引起的齿廓偏差实测值与理论值之差不大于0.04μm;以偏心量e为3.46μm为例,纯滚动组件按照最大齿廓倾斜偏差相位(λ_(1)=λ_(2)=λ_(3)=70°)装配时,齿廓倾斜偏差f;的实测值与理论值相差-0.16μm,相对误差约为4%;按照最大齿廓形状偏差相位(λ_(1)=λ_(2)=λ_(3)=160°)装配时,齿廓形状偏差f;的实测值与理论值相差0.01μm,相对误差约为2%。实验结果证明了空间几何误差补偿方法的有效性,该补偿方法为实现1级齿轮渐开线样板的制造提供了测量手段。

大平面砂轮磨削面锥形误差对齿轮齿廓偏差的影响

以Y7125磨齿机为例,分析了大平面砂轮的修整质量,尤其是砂轮磨削面锥形误差对齿轮齿廓倾斜偏差和齿廓形状偏差的影响,并给出了数学表达式及误差补偿方法。分析结果表明:磨削面锥形误差对齿廓倾斜偏差的影响99%以上可以通过调整头架安装角进行补偿;补偿后的残余齿廓形状偏差从齿宽中截面向两端面逐渐增大;减小砂轮磨削面锥形误差,加工较小齿宽的齿轮并选择较小的头架安装角等措施可以提高被磨齿轮的齿廓精度。

第2届上银优秀机械博士论文奖 超精密磨齿中的机床精化及磨齿工艺研究

基准标准齿轮作为齿轮实体标准主要用作齿轮及其量仪精度的传递,它的制造精度标志着一个国家超精密齿轮的技术实力。国外超精密齿轮的工业小批量生产水平可达2级（ISO 1328-1：1995,下同）精度,而国产磨齿机的最高磨齿精度及商业标准齿轮的最高制造精度仅为3级,国内外齿轮工业整体制造精度相差1～2级。

基于UG运动分析确定机构驱动函数的一种方法

提出了一种基于UG运动分析确定机构驱动函数的方法，建立了系统的仿真模型．按照系统具有确定相对运动的条件对系统进行了改造，将从动件改造为原动件，将原动件改造为从动件或连杆．对改造后的系统进行了运动仿真，测量出需要的从动件运动规律fi（t），通过MATLAB离散、逼近，最终得到机构的驱动函数fi（t）．

精密、超精密圆柱渐开线齿轮的加工方法

研究了精密、超精密圆柱渐开线齿轮的加工方法。分析比较了锥形砂轮磨齿、蝶形砂轮磨齿、大平面砂轮磨齿、蜗杆砂轮磨齿和成形砂轮磨齿的工作原理及当前国内外精密、超精密圆柱渐开线齿轮的加工现状。探讨了ISO1328:1997标准中2级以上精度超精密齿轮的加工。最后,指出大平面砂轮磨齿机Y7125有着结构简单、传动链刚度高、磨齿精度高等优点,具有较大的改装空间。通过一系列的研究工作,有可能将其改装精化成磨削超精密圆柱渐开线齿轮的加工母机,实现2级到1级精度超精密齿轮的加工。1级精度超精密齿轮的研制成功,可提高齿轮的传递基准,从而可提高齿轮制造的技术水平。

齿距偏差测量中系统误差的分离方法

德国联邦物理技术研究院(PTB)与日本计量院(NMIJ)提出了将闭环技术应用于齿距偏差的测量,用于消除测量过程中的系统误差,达到高精度测量齿距偏差的目的.通过借鉴闭环测量技术,提出了齿距偏差两步测量法用于消除齿距偏差测量中的系统误差.首先将被测齿轮安装于齿距偏差测量仪中,对齿距偏差进行初次测量;测量结束后,将齿轮在测量仪中绕轴线改变一个齿距角的位置,再次对齿距偏差进行测量.根据齿距偏差与测量系统误差的关系及两次测量数据,可以建立数学模型对齿距偏差与系统误差进行求解,达到分离系统误差的目的.分别采用闭环技术与两步法对模数为6,齿数为20与模数为4,齿数为30的两个齿轮齿距偏差进行测量,并对测量结果进行比对,单个齿距偏差值分别相差0.10μm与0.15μm.测量结果说明,两步法可以应用于齿距偏差的高精度测量,同时,其测量过程相对于闭环技术更加简单,更易于广泛应用.

基于多齿分度改善高精度齿轮齿距精度

为了提高齿距精度,基于多齿分度理论对Y7125磨齿机分度系统进行改进,用多齿分度盘代替普通分度板实现分度。分析了多齿分度盘自由啮合状态下的分度精度,讨论了安装过程中多齿分度盘的轴向偏摆与径向偏移对其分度精度的影响。理论上满足加工高精度齿轮齿距精度的要求,为加工2级到1级高精度齿轮奠定了基础。