精密梯形丝杠副传动技术研究.pdf

精密梯形丝杠副传动技术研究王飞杰朱玉虎陈 然刘来运(河南航天液压气动技术有限公司河南 郑州)摘 要:梯形丝杠副的径向配作间隙影响其配合性质其中梯形丝杠副用来存储润滑油和提供热膨胀余量的侧隙直接影响了梯形丝杠副传动的连续平稳性 针对径向配作间隙提出了基于齿厚数显卡尺控制内、外梯形螺纹中径处法向齿厚值间接实现控制内、外梯形螺纹中径值并开发了 径向间隙控制程序实现梯形丝杠副的最佳径向间隙要求 研究了梯形丝杠副径向配作间隙和梯形螺纹牙型半角对传动啮合的影响总结出牙型半角对梯形丝杠和配作螺母的磨损规律 通过试验进行验证该磨损规律可实现梯形丝杠副最佳的牙型半角啮合有效解决了梯形丝杠副磨损严重、自锁性差等问题提高了梯形丝杠副传动的平稳性关键词:梯形丝杠副 径向配作间隙 牙型半角 啮合中图分类号:文献标识码:文章编号:():.:引言梯形丝杠副是由梯形丝杠和配作螺母组成的传动副具有将螺旋传动转化成直线运动的功能由于导程比较大可以在低速转动时实现较快的进给并且承载能力强广泛应用于机床、煤炭、矿山、医疗、国防等领域梯形丝杠副的径向配作间隙是其满足产品验收指标的一项关键参数是由梯形丝杠的外螺纹中径和配作螺母的内螺纹中径 进行保证的 叶文俊等从材料、结构、表面粗糙度等方面对梯形丝杠副易磨损的原因进行了分析马武祥等基于 对螺母与锚杆螺纹联接进行数值分析分析了不同配合间隙对螺纹联接的影响规律王飞杰等基于 开发三针测量外螺纹中径的计算程序该程序可以准确、高效地计算出所有规格外螺纹三针测量所用 值应用于车间加工精密外螺纹在机测量或者塞规计量检测不过对于批量生产的精密外螺纹三针测量无法满足车间加工效率 此外现阶段梯形丝杠副的加工是依据机械行业标准/标准进行的该标准中的螺距范围为 非标准中的螺纹规格无法按照此标准中的螺距范围的技术要求进行加工解决这一问题的做法是从梯形丝杠副径向配作间隙原理出发在符合/.标准中.外螺纹中径等级公差的基础上设置梯形丝杠外螺纹的中径极限偏差并依据径向间隙要求设置配作螺母内螺纹的中径极限偏差 本文基于齿厚数显卡尺控制内、外梯形螺纹中径处的法向齿厚值间接实现控制内、外梯形螺纹中径值提高了梯形丝杠副车间加工的测量效率并保证了精度 研究了梯形丝杠副径向配作间隙和梯形螺纹牙型半角对传动啮合的影响总结出牙型半角对梯形丝杠和配作螺母的磨损规律 梯形丝杠副的加工技术.内、外梯形螺纹中径极限偏差尺寸设定本文依据梯形丝杠副中丝杠有效螺纹长度和制造精度等级查阅附表(/)选取螺母与丝杠的径向配作间隙为()根据式()、式()求得满足梯形丝杠副径向配作间隙要求的梯形丝杠和配作螺母的中径极限偏差 ()()式中:螺母与丝杠配作的径向间隙最大值:螺母与丝杠配作的径向间隙最小值:孔的上偏差:孔的下偏差:轴的上偏差:轴的下偏差.齿厚卡尺控制内、外梯形螺纹中径值参考梯形螺纹槽型图(/.)使用 设计软件画出附有极限偏差尺寸状态下的内螺纹和外螺纹槽型图利用 设计软件标注并测量得出附有极限偏差尺寸状态下的梯形丝杠和配作螺母中径处的齿厚值(、)如图、图 所示119999?E&*F TF J&4&*?E&4?E F J?E F Tcc?E?E图 梯形丝杠牙形图 图 配作螺母牙形图图中:三针测量中最佳三针直径 ()式中:梯形螺纹螺距:梯形螺纹牙型角:梯形螺纹中径.车间加工实际控制内、外梯形螺纹中径处法向齿厚值 实际加工中根据.节得出的齿厚值进行加工得到梯形丝杠和配作螺母零件利用齿厚数显卡尺对内螺纹和外螺纹中径处的法向齿厚进行测量并刻号记录利用齿厚数显卡尺对内螺纹和外螺纹中径处的法向齿厚进行测量测量过程包括:)设定齿厚数显卡尺的竖直尺的值使齿厚数显卡尺的测量位置在梯形丝杠的外螺纹或配作螺母的内螺纹中径处利用式()计算测量梯形丝杠的外螺纹时竖直尺的值 利用式()计算测量配作螺母的内螺纹时竖直尺的值 ()()()()式中:该螺纹规格基本牙型牙高:该螺纹规格基本牙型和设计牙型上的内螺纹小径:内径千分尺测量该配作螺母的内螺纹小径实测值:外径千分尺测量该梯形丝杠的内螺纹大径实测值:该螺纹规格基本牙型和设计牙型上的外螺纹大径即公称直径)将齿厚数显卡尺的测量方向转动一个螺纹升角 以测量方向与测量齿面切面垂直从而使齿厚数显卡尺的示数为实际法向齿厚值 ()式中:梯形螺纹的头数:梯形螺纹基本牙型和设计牙型的外螺纹中径.配作螺母的配作加工根据/标准中.“配作螺母螺纹中径的极限偏差需根据螺母与丝杠配作的径向间隙进行控制”梯形丝杠与配作螺母在中径处的法向齿厚值存在以下关系:()()式中:梯形丝杠牙中径处齿厚值:与之配作的螺母牙中径处齿厚值 图 梯形丝杠副径向 配作间隙计算利用 可视化程序编制的梯形丝杠副配作间隙计算程序可以便捷、高效地实现最佳 间 隙 要 求 以 为例程序界面图如图 所示由图 可知当加工出梯形丝杠或者配作螺母的中径处齿厚值时可以依据该值进行配作加工得出预定梯形丝杠副径向配作间隙值相对应的零件 该方法便捷、高效精度高可实现配对出的梯形丝杠副具有最佳径向间隙值保证梯形丝杠副具有良好的传动性能梯形丝杠副配作间隙 计算程序代码:()(.).()(.)(梯形丝杠中径处齿厚测量时齿厚卡尺竖直尺设置为:).()(.).()(.)(配作螺母中径处齿厚测量时齿厚卡尺竖直尺设置为:).().()(.).(.)(.)(.).梯形丝杠副径向配合间隙对传动的影响考虑到内、外梯形螺纹作用中径对实际螺旋升角的影响以 为例利用式()计算径向配作间隙为.下的梯形丝杠与配作螺母的实际螺旋升角并求出梯形丝杠副的实际螺旋升角啮合偏差 如图、图 所示cNNc图 配作间隙对梯形丝杠和配作螺母实际螺旋升角的影响由图、图 分析可知梯形丝杠的实际导程角与梯形丝杠副的径向配作间隙呈正比配作螺母的实际导程角与梯形丝杠副的径向配作间隙呈反比梯形丝杠副的实际螺旋升角啮合偏差与其径向配合间隙值呈正比在径向配作间隙 范围内实 际 螺 旋 升 角 啮 合 偏 差 最 大 为 即 考虑到梯形螺纹牙型半角存在偏差径向配作间隙对传动平稳性的影响可以忽略其径向配作间隙仅影响传动过程的发热与存储润滑油NNc图 配作间隙对丝杠副实际螺旋升角的影响 梯形丝杠副牙型半角对传动的影响梯形丝杠副的传动是以牙面啮合进行的以梯形丝杠螺旋线起点向上为正当螺母受到压载荷时啮合传动是螺母下牙面与丝杠上牙面进行接触当螺母受到拉载荷时啮合传动是螺母上牙面与丝杠下牙面进行接触 此时梯形丝杠和配作螺母的牙型半角是影响梯形丝杠副传动的关键因素 如果梯形丝杠与配作螺母的接触侧牙型半角均为标准值:(/)那么梯形丝杠副传动为全牙面啮合如果梯形丝杠或配作螺母的牙型半角为 那么梯形丝杠副传动时的啮合区域与牙型半角偏差值呈反比即偏差越大梯形丝杠副传动时的啮合区域越小 啮合图示见图 Bcc?Ccc?c c c c 图 梯形丝杠与配作螺母啮合图由图 可知梯形丝杠副接触侧当梯形丝杠的牙型半角为、配作螺母的牙型半角为 时挤压区域为以中径处啮合线为界梯形丝杠靠近牙顶的区域、配作螺母靠近槽底的区域梯形丝杠副接触侧当梯形丝杠的牙型半角为、配作螺母的牙型半角为 时挤压区域为以中径处啮合线为界梯形丝杠靠近牙底的区域、配作螺母靠近槽顶的区域梯形丝杠副的啮合区域大小影响其传动的平稳性、自锁性、丝杠副的磨损和牙面接触压力因此应尽可能增大接触面积保证足够的啮合区域 当梯形丝杠和配作螺母的牙型半角与标准值相比存在偏差丝杠副传动时配作螺母在梯形丝杠的牙面啮合区域以中径线为边界分为 部分(、)为了减小梯形丝杠副传动的啮合面偏差可根据梯形丝杠的牙面磨损情况并参考配作螺母的牙型检测图进行调整配作螺母实现梯形丝杠副的最佳牙面啮合 其中梯形丝杠的牙面磨损(接触)情况可按以下方法获得:)在丝杠副配间隙过程中因配作螺母竖直旋合的过程在自重的影响下会在与梯形丝杠牙面接触的一侧磨出痕迹即为磨合区域颠倒梯形丝杠副进行旋合配作螺母在自重的影响下会在与梯形丝杠牙面接触的另一侧磨出痕迹)通过梯形丝杠副装机试验配作螺母在受到拉、压载荷时会在梯形丝杠两侧牙面磨出痕迹得出啮合区域 啮合区域理论磨损图如图 所示 图 梯形丝杠理论啮合区域磨损图由图 可知根据磨损区域所在的位置基于上一个配作螺母的牙型图进行综合调整配作螺母调整方法如下:)当啮合区位于位置应选择相对于上一螺母左半角减小的)当啮合区位于位置应选择相对于上一螺母左半角增大的)当啮合区位于位置应选择相对于上一螺母右半角减小的)当啮合区位于位置应选择相对于上一螺母右半角增大的 试验分析与论证某产品使用梯形丝杠副传动梯形丝杠和配作螺母的牙型检测数据及试验磨损情况见表 在进行拉、压载荷试验后梯形丝杠牙面的磨损情况见图利用牙型半角对梯形丝杠和配作螺母的磨损规律调整螺母(配作螺母 调整为配作螺母)试验各项指标均满足验收要求表 梯形丝杠和配作螺母的牙型检测数据牙(槽)牙型半角配作螺母(槽)梯形丝杠(牙)配作螺母(槽)备注左:右:左:右:左:右:左:右:左:右:左:右:左:右:左:右:左:右:图 梯形丝杠试验啮合区域磨损图由表 和图可知与配作螺母 相比配作螺母 与梯形丝杠配合牙型半角偏差减小啮合区域增大 牙 面 贴 合 度好有效增大了牙形接触面积提升了梯形丝杠副的传动自锁性 结语本研究以非标准中螺纹规格的梯形丝杠副为研究对象提出了基于齿厚数显卡尺控制梯形丝杠副径向配作间隙的技术方法研究了梯形丝杠副径向配作间隙和梯形螺纹牙型半角对传动啮合的影响总结出牙型半角对梯形丝杠和配作螺母的磨损规律:)基于齿厚数显卡尺控制梯形丝杠副径向配作间隙的技术方法包括通过控制内、外梯形螺纹中径处的法向齿厚值间接实现控制内、外梯形螺纹中径值的目的提高了梯形丝杠副车间生产加工的测量效率并保证了精度)梯形丝杠的实际导程角与梯形丝杠副的径向配作间隙呈正比配作螺母的实际导程角与梯形丝杠副的径向配作间隙呈反比 梯形丝杠副实际螺旋升角偏差与其径向配作间隙呈正比在径向配作间隙.范围内实际导程啮合偏差最大为.考虑到梯形螺纹牙型半角存在偏差径向配作间隙对传动平稳性的影响可以忽略其径向配作间隙仅影响传动过程的发热与存储润滑油)梯形丝杠副牙型半角是影响丝杠副啮合传动的关键因素其啮合区域与牙型半角偏差呈反比可根据牙型半角对梯形丝杠和配作螺母的磨损规律对螺母进行调整实现梯形丝杠副的最佳牙面啮合达到提高传动的平稳性、自锁性降低丝杠副磨损的目的参考文献 王文甲.梯形丝杠电动缸强度和屈曲分析.合肥:合肥工业大学.叶文俊王全宝胡映秋等.梯形丝杠螺母副易磨损的原因分析和改进方法.制造技术与机床():.马武祥许岩波肖智广等.基于 对螺母与锚杆螺纹联结的数值分析.隧道建设():.王飞杰闫泽旺路超等.基于 开发三针测量外螺纹中径程序.工具技术():.中国机械工业联合会.机床梯形丝杠、螺母 技术条件:/.北京:机械工业出版社:.中国轻工业联合会.梯形螺纹 第 部分 牙型:/.北京:中国标准出版社:.林德舜.实现最佳三针测量螺纹中径的方法.计量工作():.林卓然.语言程序设计.版.北京:电子工业出版社.():.王飞杰陈然刘来运等.基于/和 的梯形丝杠副建模与有限元分析.煤矿机械():.作者简介:王飞杰()河南开封人硕士研究生工程师研究方向:梯形丝杠副精密加工技术收稿日期: