CN114714241B - 一种高精度齿轮渐开线样板微进刀纯滚动研磨装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密加工和测量技术领域，提供一种高精度齿轮渐开线样板微进刀纯滚动研磨装置及其使用方法，其结构包括：油石、油石夹具、压电促动器、连接块、连接桥、连接桥挡板和位姿调整螺钉；通过压电促动器实现研磨过程中油石纳米量级的进刀，在研磨过程中可以实现渐开线样板的可控定量去除，有利于提高渐开线样板的研磨效率和研磨精度。本发明装置有利于降低齿轮渐开线样板的齿廓偏差和齿面的表面粗糙度并改变齿轮渐开线样板经磨削后的表面纹理，可用于高精度齿轮渐开线样板的加工，具有良好的应用前景与推广价值。

Description

一种高精度齿轮渐开线样板微进刀纯滚动研磨装置及其使用 方法

技术领域

本发明属于精密加工和测量技术领域，涉及一种高精度齿轮渐开线样板微进刀纯滚动研磨装置及其使用方法。

背景技术

渐开线廓形是目前使用最普遍、加工工艺最成熟的一种齿轮廓形，广泛应用于减/变速器、齿轮刀具、高端装备、工业机器人等各个领域。代表齿轮渐开线最高加工精度的器件是用于齿轮渐开线量值传递基准的齿轮渐开线样板(下文简称渐开线样板)。渐开线样板是校准各种渐开线测量仪器的标准计量器具，主要用于传递齿轮渐开线参数量值、修正仪器示值和确定仪器示值误差。

我国齿轮渐开线样板国家标准【GB/T 6467-2010】要求，1级精度齿轮渐开线样板值应满足在计值范围内当基圆半径r_b≤100mm时，齿廓形状偏差最大允许值f_fαT≤1.0μm，当基圆半径100mm<r_b≤200mm时，齿廓形状偏差最大允许值f_fαT≤1.4μm。常规的渐开线齿轮加工方法如滚齿、磨齿等一般无法满足这样的精度要求，发明专利【CN202011440508.5】公开了一种利用纯滚动电解加工齿轮渐开线样板的方法，可以用于齿轮渐开线样板的半精加工。

研磨是零件的精加工和光整加工方法之一，是精密零件加工所不可缺少的工艺。所谓研磨是指将研磨液加到研具上，研具为具有一定刚性的硬质工具，通过研具、磨料与工件的相对运动去除工件表面微量的材料来进行微量加工，从而获得尺寸精度良好的、光滑的精加工表面。利用超精密研抛技术，可降低渐开线样板的齿廓形状偏差和齿廓面表面粗糙度。发明专利【CN202110734382.0】公开了一种高精度齿轮渐开线样板研磨装置及应用，可以实现渐开线样板的研磨加工和在位测量，但是在研磨过程中油石与待加工齿面为被动接触，不易控制研磨的去除量，而且需要频繁更换油石和测头，效率较低。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，为加工高精度齿轮渐开线样板(下文简称为渐开线样板)，本发明提供一种高精度齿轮渐开线样板微进刀纯滚动研磨装置及其使用方法。

本发明采用的技术方案为：

一种高精度齿轮渐开线样板微进刀纯滚动研磨装置，所述渐开线样板微进刀纯滚动研磨装置包括：油石、油石夹具、压电促动器、连接块、连接桥、连接桥挡板和位姿调整螺钉。

油石工作面与油石定位面的平面度误差不超过1μm，两面的平行度误差不大于2μm，加工油石时待两面的形位误差达到要求后，对两面进行粗糙化处理。在研磨加工一段时间后，可以将油石上下移动1～2mm，或翻转油石，或将油石工作面与油石定位面互换，以避免油石在同一位置的过度使用。

通过紧定螺钉将油石压紧在油石夹具的油石安装面上，油石安装面的平面度误差不超过1μm，当紧定螺钉为拨球螺钉或其他硬质材料螺钉时，需要在油石和紧定螺钉间加装铜垫片；当紧定螺钉为尼龙或黄铜等软质材料时，紧定螺钉可直接和油石接触。

压电促动器一端与油石夹具连接，一端与连接块连接，压电促动器外接促动模块实现研磨过程中纳米量级的可控进刀。

连接块的长度依据待加工齿轮渐开线样板的尺寸设计，应避免本发明装置干涉滚动组件；连接块上设有配重，使整个装置的重心在连接桥的中心轴线上；通过在连接块定位面和连接桥上的连接块安装面间加装垫片或研磨连接块定位面，使油石工作面与导轨平面的垂直度误差不大于10μm。

连接桥上设有连接桥定位面，连接桥定位面与连接块安装面共面，连接桥定位面与导轨平面接触；连接桥的侧面通过螺钉与连接桥挡板连接，连接桥挡板上设有螺纹孔，用于安装位姿调整螺钉。

通过位姿调整螺钉调整本发明装置与导轨间的相对位置，即可调整油石工作面与待加工齿面的相对位置，并将本发明装置压紧在导轨上。

一种高精度齿轮渐开线样板微进刀纯滚动研磨装置的使用方法，包括以下步骤：

第一步，在研磨加工渐开线样板前，需要对渐开线样板的待加工齿面(下文简称为待加工齿面)进行测量，得到待加工齿面的齿廓偏差曲线f_i∝f(ρ_i)和计值长度L_α内的齿廓形状偏差f_fα、齿廓倾斜偏差f_Hα，并对压电促动器进行在位标定；

第二步，先将待加工齿面计值范围内齿廓偏差曲线最低点对应的齿部调整到导轨平面内，将油石工作面贴紧待加工齿面，通过光隙法判断油石工作面与待加工齿面的接触状态，调整位姿调整螺钉，直至油石工作面与待加工齿面间无明显光隙；驱动滚动组件往复滚动3～5次，观察油石工作面和待加工齿面的痕迹，如果接触线的长度小于齿面齿宽80％，则调整位姿调整螺钉，再重复上述过程；如果接触线的长度达到齿面齿宽80％以上，则进行渐开线样板的研磨加工；

第三步，对待加工齿面进行研磨加工，记待加工齿面计值范围内齿廓偏差曲线最低点对应的展开长度为ρ_i0，该处的齿廓偏差为f_i0，以该点为基准，纯滚动过程中油石的进刀量即压电促动器的伸长量根据待加工齿面在展开长度ρ_i处的齿廓偏差f_i计算，在展开长度ρ_i处的进刀量为f_i－f_i0－f_Hα×(ρ_i－ρ_i0)/L_α+C，一般C取0.2μm～0.5μm；

第四步，再次测量渐开线样板，如果待加工齿面的齿廓形状偏差f_fα<0.8μm且全齿面均已被研磨，则结束渐开线样板的加工，如果不满足上述条件，则调整油石工作面参与研磨的位置后重复第一至三步，继续渐开线样板的研磨，此时不需要再对压电促动器进行标定；

本发明的有益效果在于，发明一种高精度齿轮渐开线样板微进刀纯滚动研磨装置及其使用方法，通过压电促动器实现研磨过程中纳米量级的进刀；在研磨过程中可以实现渐开线样板的可控定量去除，有利于提高渐开线样板的研磨效率和研磨精度；该发明装置有利于降低渐开线样板的齿廓偏差和齿面的表面粗糙度并改变渐开线样板经磨削后的表面纹理，可用于高精度渐开线样板的加工，具有良好的应用前景与推广价值。

附图说明

图1为一种高精度齿轮渐开线样板微进刀纯滚动研磨装置示意图；

图2为一种高精度齿轮渐开线样板微进刀纯滚动研磨装置使用方法示意图；

图3为油石的结构示意图；

图4为油石夹具的结构示意图；

图5为连接块的结构示意图；

图6为连接桥的结构示意图；

图中：1油石；1-1油石工作面；1-2油石定位面；2油石夹具；2-1油石安装面；2-2油石夹具定位面；3紧定螺钉；4压电促动器；5连接块；5-1压电促动器安装面；5-2连接块定位面；5-3配重；6连接桥；6-1连接桥定位面；6-2连接块安装面；7连接桥挡板；8位姿调整螺钉；9滚动组件；9-1待加工齿面；10导轨；10-1导轨平面；10-2导轨侧面。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。

为加工高精度渐开线样板，本发明提供了一种高精度齿轮渐开线样板微进刀纯滚动研磨装置及其使用方法，包括：油石1、油石夹具2、紧定螺钉3、压电促动器4、连接块5、连接桥6、连接桥挡板7、位姿调整螺钉8。

油石1为碳化硅烧结的长方体，碳化硅硬于轴承钢等渐开线样板常用材料，具有良好的精度保持性，且自身具有研磨抛光作用油石工作面1-1与油石定位面1-2的基面平面度误差为1μm，两面的平行度误差为2μm，加工油石1时待两面的形位误差达到要求后，对两面进行粗糙化处理。在油石1使用10min后后，将油石1上下移动1mm，在油石1使用1h后将油石工作面1-1与油石定位面1-2互换，以避免油石1在同一位置的过度使用。

通过紧定螺钉3将油石1压紧在油石夹具2的油石安装面2-1上，油石安装面2-1和油石夹具定位面2-2的平面度误差为1μm，两面间平行度误差为2μm；紧定螺钉3选择尼龙材料，紧定螺钉3直接和油石1接触。

压电促动器4两端定位面的平面度误差为1μm，平行度误差为2μm，一端与油石夹具2的油石夹具定位面2-2连接，一端与连接块5的压电促动器安装面5-1连接。

连接块5的长度依据渐开线样板的尺寸设计，需避免本发明装置干涉滚动组件9；连接块5上设有配重5-3，使整个装置的重心在连接桥6的中心轴线上；通过在连接块定位面5-2和连接块安装面6-2间加装垫片或研磨连接块定位面5-2，使油石工作面1-1与导轨平面10-1间的垂直度误差为8μm。

连接桥6上设有连接桥定位面6-1，连接桥定位面6-1与连接块安装面6-2共面，平面度误差为1μm，连接桥定位面6-1与导轨平面10-1接触；连接桥6的侧面通过螺钉与连接桥挡板7连接，连接桥挡板7上设有螺纹孔，用于安装位姿调整螺钉8。

位姿调整螺钉8与导轨侧面10-2接触，通过位姿调整螺钉8调整本发明装置与导轨10间的相对位置，即可调整油石工作面1-1与待加工齿面9-1间的相对位置，并将本发明装置压紧在导轨10上。

下面介绍本发明装置的使用方法：

第一步，在研磨加工渐开线样板前，需要对待加工齿面9-1进行测量，得到待加工齿面9-1的齿廓偏差曲线f_i∝f(ρ_i)和计值长度L_α＝78mm内的齿廓形状偏差f_fα＝1.8μm、齿廓倾斜偏差f_Hα＝2.4μm，并对压电促动器4进行在位标定。

第二步，先将待加工齿面9-1计值范围内齿廓偏差曲线最低点对应的齿部调整到导轨平面10-1内，将油石工作面1-1贴紧待加工齿面9-1，通过光隙法判断油石工作面1-1与待加工齿面9-1的接触状态，调整位姿调整螺钉8，直至油石工作面1-1与待加工齿面9-1间无明显光隙；驱动滚动组件9往复滚动3～5次，观察油石工作面1-1和待加工齿面9-1的痕迹，如果接触线的长度小于待加工齿面9-1的齿宽的80％，则调整位姿调整螺钉8，再重复上述过程；如果接触线的长度达到待加工齿面9-1齿宽的80％，则进行待加工齿面9-1的研磨。

第三步，对待加工齿面9-1进行研磨加工，记待加工齿面9-1计值范围内齿廓偏差曲线最低点对应的展开长度ρ_i0＝10mm，该处的齿廓偏差为f_i0＝0.2μm，以该点为基准，纯滚动过程中油石1的进刀量即压电促动器4的伸长量根据待加工齿面9-1在展开长度ρ_i处的齿廓偏差f_i计算，在展开长度ρ_i处的进刀量为f_i－f_i0－f_Hα×(ρ_i－ρ_i0)/L_α+C＝f_i－0.2－2.4×(ρ_i－10)/78+0.2，C取0.2μm。

第四步，再次测量渐开线样板，如果待加工齿面9-1的齿廓形状偏差f_fα<0.8μm且全齿面均已被研磨，则结束待加工齿面9-1的研磨，如果不满足上述条件，则调整油石工作面1-1参与研磨的位置后重复第一至三步，继续待加工齿面9-1的研磨，此时不需要再对压电促动器4进行标定。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高精度齿轮渐开线样板微进刀纯滚动研磨装置，其特征在于，所述渐开线样板微进刀纯滚动研磨装置包括油石(1)、油石夹具(2)、紧定螺钉(3)、压电促动器(4)、连接块(5)、连接桥(6)、连接桥挡板(7)、位姿调整螺钉(8)；

加工油石(1)时，待油石(1)的油石工作面(1-1)与油石定位面(1-2)的形位误差达到要求后，对两面进行粗糙化处理；在油石(1)使用后，可以将油石(1)上下移动1~2 mm，或翻转油石(1)，或将油石工作面(1-1)与油石定位面(1-2)互换，避免油石(1)在同一位置的过度使用；

通过紧定螺钉(3)将油石(1)压紧在油石夹具(2)的油石安装面(2-1)上；所述的压电促动器(4)一端与油石夹具(2)的油石夹具定位面(2-2)连接，另一端与连接块(5)的压电促动器安装面(5-1)连接，油石夹具(2)、压电促动器(4)、连接块(5)在精密加工后进行连接且连接后不再拆卸；

所述的连接块(5)一端面为压电促动器安装面(5-1)，另一端设有配重(5-3)，配重(5-3)用于使整个装置的重心在连接桥(6)的中心轴线上；中部设有与连接块安装面(6-2)配合的连接块定位面(5-2)；通过在连接块定位面(5-2)和连接块安装面(6-2)间加装垫片或研磨连接块定位面(5-2)，使油石工作面(1-1)与导轨平面(10-1)间的垂直度误差满足要求；

所述的连接桥(6)两端设有连接桥定位面(6-1)，中部设有连接块安装面(6-2)，且连接桥定位面(6-1)与连接块安装面(6-2)共面；连接桥定位面(6-1)与导轨平面(10-1)接触；连接桥(6)的两个侧面通过螺钉与连接桥挡板(7)连接，连接桥挡板(7)上设有螺纹孔，用于安装位姿调整螺钉(8)；

所述的位姿调整螺钉(8)与导轨侧面(10-2)接触，通过位姿调整螺钉(8)调整本发明装置与导轨(10)间的相对位置，即可调整油石工作面(1-1)与待加工齿面(9-1)间的相对位置，并将该研磨装置压紧在导轨(10)上。

2.根据权利要求1所述的一种高精度齿轮渐开线样板微进刀纯滚动研磨装置，其特征在于，所述的油石工作面(1-1)与油石定位面(1-2)的基面的平面度误差不超过1 μm，两面的平行度误差不大于2 μm。

3.根据权利要求1所述的一种高精度齿轮渐开线样板微进刀纯滚动研磨装置，其特征在于，所述的油石工作面(1-1)与导轨平面(10-1)间的垂直度误差不大于10 μm。

4.一种根据权利要求1或2或3所述的高精度齿轮渐开线样板微进刀纯滚动研磨装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，在研磨加工渐开线样板前，需要对渐开线样板的待加工齿面(9-1)进行测量，得到待加工齿面(9-1)的齿廓偏差曲线f _i ∝f(ρ _i )和计值长度L _α内的齿廓形状偏差f _fα、齿廓倾斜偏差f _Hα，并对压电促动器进行在位标定；

第二步，先将待加工齿面(9-1)计值范围内齿廓偏差曲线最低点对应的齿部调整到导轨平面(10-1)内，将油石工作面(1-1)贴紧待加工齿面(9-1)，通过光隙法判断油石工作面(1-1)与待加工齿面(9-1)的接触状态，调整位姿调整螺钉(8)，直至油石工作面(1-1)与待加工齿面(9-1)间无明显光隙；驱动滚动组件(9)往复滚动3~5次，观察油石工作面(1-1)和待加工齿面(9-1)的痕迹，如果接触线的长度远小于待加工齿面(9-1)的齿宽，则调整位姿调整螺钉(8)，再重复上述过程；如果接触线的长度约等于待加工齿面(9-1)的齿宽，则进行待加工齿面(9-1)的研磨；

第三步，对待加工齿面(9-1)进行研磨加工，记待加工齿面(9-1)计值范围内齿廓偏差曲线最低点对应的展开长度为ρ _i0，该处的齿廓偏差为f _i0，以该点为基准，纯滚动过程中油石(1)的进刀量即压电促动器(4)的伸长量根据待加工齿面(9-1)在展开长度ρ _i 处的齿廓偏差f _i 计算，在展开长度ρ _i 处的进刀量为f _i －f _i0－f _Hα×(ρ _i －ρ _i0)/L _α＋C ，C取0.2μm ~0.5μm；

第四步，再次测量渐开线样板，如果待加工齿面(9-1)的齿廓形状偏差f _fα满足要求且全齿面均已被研磨，则结束待加工齿面(9-1)的研磨，如果不满足上述条件，则调整油石工作面(1-1)参与研磨的位置后重复第一至三步，继续待加工齿面(9-1)的研磨，此时不需要再对压电促动器(4)进行标定。

5.根据权利要求4所述的一种高精度齿轮渐开线样板微进刀纯滚动研磨装置的使用方法，其特征在于，所述第二步中，当接触线的长度小于齿面齿宽80%时，则调整位姿调整螺钉；当接触线的长度达到齿面齿宽80%以上，则进行渐开线样板的研磨加工。

6.根据权利要求4所述的一种高精度齿轮渐开线样板微进刀纯滚动研磨装置的使用方法，其特征在于，所述第四步中，齿廓形状偏差要求为：f _fα<0.8 μm。

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