本发明涉及到一种金属切削加工方法及设备，特别是对平面包络弧面蜗杆齿形的加工及其数控机床。 在加工平面包络弧面蜗杆齿形时，由于受其设备传动链的约束，仅能采用平面定弧包络的工艺方法加工，即在一次工序中仅能以沿固定圆弧运动的平面包络蜗杆齿廓。蜗杆齿形的加工包括：加工蜗杆工作齿部-对左侧进口端进行修缘-对右侧出口端进行修缘-对右侧进口端进行修缘-对左侧出口端进行修缘。附图1为平面包络弧面蜗杆齿形传统加工工艺示意图。图a为加工左侧齿面;图b为加工右侧齿面;图c为右侧进口端修缘;图d为左侧进口端修缘;图e为左侧出口端修缘;图f为右侧出口端修缘。修缘时，由于参数的改变（或变中心距，或变周节），须对机床进行调整。当对左右齿侧分别修缘时，又须调整刀具或砂轮的工作位置。因而这一修缘过程要耗费大量工时，而且调整频繁，工效极低，是传统工艺方法的主要症结。另外，对于平面包络弧面蜗杆传动及其蜗轮滚刀的制造，多是采用与蜗杆相同的包络磨削方法磨出廓形，然后再单独刃磨齿后面，保留刃带，其工艺极不稳定，整体刀具刃磨困难。镶齿刀具为保证刃磨后的复位精度，刀具设计复杂，难以制造。
现有加工平面包络弧面蜗杆齿形的设备分为两种类型：一是滚齿机改装的，将滚刀主轴改装成工件主轴，刀具（车刀、铣刀或砂轮架）装在滚齿机的工件转台上。由于滚齿机主柱导轨狭窄，刀架刚性较差，其传动和结构均受制约，不能适应大直径和长形蜗杆的加工;二是车床类型机床的改装，此种改造方式较普遍，工件主轴刚性好，适合长形及大直径蜗杆的加工。但机床改造工作量大，须配制转台及相应地传动系统和调整机构。
以上两种改造方案均有以下缺点：一是机床工作规范小，为满足常用中心距的蜗杆制造，须改造多台机床，而且大中心距机床的改造投资大;二是只能使用传统的工艺方法加工，机床调整频繁，工效低，周期长，成本高。
本发明的目的是提供一种采用变弧包络工艺方法加工平面包络弧面蜗杆齿形和实现此种方法的数控机床。
本发明的技术解决方案是这样的：采用一台可以实现变弧包络运动的数控机床将弧面蜗杆包络过程的主要运动进行分解，再利用数控技术按变弧包络需要的数学模式将各运动进行组合，以实现变弧包络工艺方法。变弧包络是指在同一包络过程中，刀具平面沿不同半径的弧线对弧面蜗杆齿廓进行包络，以达到进口端修缘、工作区域齿廓和出口端修缘三步工序在一次行程中实现的目的。所使用的修缘方法是通过改变包络平面运动的半径来实现的。
现结合附图对本发明作出详细说明：
附图2为变弧包络加工工艺示意图。图中，a为左侧齿面变弧包络加工;b为右侧齿面变弧包络加工。当包络右侧齿廓时，进口端修缘区（φr角内）使用减小半径、进入工作齿廓区（φ角内）使用选定半径、出口端修缘区（φc角内）使用增大半径;在包络左侧齿廓时则相反，进口端修缘区（φr角内）使用增大半径、进入工作齿廓区（φ角内）使用选定半径、出口端修缘区（φc角内）使用减小半径。变换半径的实质是在传动比不变的情况下改变节距。当选定修缘量（Δfr、Δfc）和修缘区包角（φr、φc）时，则半径增量ΔR即可由下式得出：
ΔRr＝- (Δfr)/(φr) ΔRc＝ (Δfc)/(φc)
式中：Δfr、Δfc 见表一
φr＝ (2φr)/(mz) φc＝ (2φc)/(mz)
式中：φr、φc 见表二
注：蜗杆啮出口修缘值Δfc＝ 2/3 Δfr
注：表中P-蜗轮齿距，毫米。
变弧包络过程为进口端修缘区（φr区）用半径R+ΔRr，工作齿部用R、出口端修缘区（φc区）用半径R+ΔRc三段弧线运动的刀具包络蜗杆齿廓右侧齿面;在进口端用半径R+ΔRc，工作齿部用R、出口端用半径R+ΔRr三段弧线运动的刀具包络蜗杆齿廓的左齿面，左、右齿侧面均在一次行程中实现最终廓形的包络。
当加工蜗杆齿形时，工件旋转θ角，刀具转台则转动ψ角，其工作原理如附图3所示：
φ＝ (k)/(z) θ＝iθ
式中：k-蜗杆头数，z-蜗杆齿数。
转台中心相应移动X、Y距离，使其轨迹成为以R0为半径的圆弧，即：
Xi＝R0Sinφi yi＝R0COSφi
RO=do2- LS i n a]]>
式中：d-成形圆直径。
L-刀具平面离转台中心距离。
α-中心平面齿槽半角。
当进行变弧包络时，在进口端或出口端使转台中心移动X、Y距离，以R0+ΔRr和R0+ΔRc代替R0。当转台刀具进入φr区时，转台中心按Xi＝（R0+ΔRr）Sinφi、Yi＝（R0+ΔRr）COSφi移动;转入工作齿区时，转台中心按Xi＝R0Sinφi、Yi＝R0COSφi移动;当进入φc区时，转台中心按Xi＝（R0+ΔRc）Sinφi、Yi＝（R0+ΔRc）COSφi移动。
变弧包络法除最终磨削外，也适用于以车削和铣削方式进行的粗加工和半精加工工序。当采用变弧包络工艺加工蜗轮滚刀刀齿后面时，应使横向送进除按定弧轨迹运动外，还要附加一铲磨动作，并确保其复位的精度。其铲磨质量仍按滚刀刀齿的后角确定。
以传统的机床很难实现变弧包络工艺方法，要在一次走刀过程里自动准确地切换包络圆的半径，只有应用数控技术。本发明还提供了一种可以实现以变弧包络工艺加工平面包络弧面蜗杆齿形的数控机床。该数控机床包括现有的数控车床的一般结构，并具有现有数控车床的功能。附图4为该数控机床的正视图，附图5为俯视图。该数控机床由数控柜1、床头箱2、主轴3、溜板箱4、中拖板5、磨头（铣头、车刀架）6、大拖板7、转台8、床身9、尾座10、脉冲发生器11、电控柜12、丝杠13、转台伺服电机14、中拖板伺服电机15、大拖板伺服电机16、以及其它润滑、排屑冷却系统组成。磨头、铣刀架是可以更换的，根据加工工艺需要，分别装置在转台上，可以完成车、磨、铣加工功能。该数控机床的主要特征是在现有数控车床的大拖板7上设计了一个转台8，该转台8通过数控车床主轴尾部的脉冲发生器11指令转台伺服电机14带动转台8作Y轴回转运动，使之与X、Z坐标的运动形成适于变弧包络加工的传动链。
该数控机床采用计算机数控系统，根据平面包络弧面蜗杆的技术参数，编制程序，制成磁带或纸带，再将磁带或纸带输入机床的数控系统，经处理后发出指令信号，传入伺服电机，按主轴脉冲发生器11的信号驱动机床各传动机构，实现变弧包络运动。伺服电机有三台，伺服电机16驱动大拖板7作Z坐标纵向运动;伺服电机15驱动中拖板5作X坐标横向运动;伺服电机14驱动转台作Y坐标回转运动。为了便于操作，本机床数控系统在软件设置中要求有如下功能：各坐标的运动均有数码显示，其示值精度为0.01mm，应保留机床原始设定的纵横坐标，以便调整工艺位置;各坐标均可自定原点，而后进入匹配状态;在输入主要技术参数（m-模数、A-中心距、i-速比、n-蜗杆包容齿数、R0-成形圆半径）之后，各伺服系统就可按计算机的固化程序进入匹配状态。
变弧包络工艺方法将多次修缘工序集中，大大提高了蜗杆齿形加工的工效，降低了成本，缩短了蜗杆的制造周期。该数控机床由于没有采用传统的纯机械传动，扩展了机床的加工范围，简化了机床系列。以数控实现变弧包络，结构紧凑，体积小，降低了设备投资。同时，由于数控较灵活，减少了许多调整装置，如转台回转中心的纵横调整，只须由原点的设定即可保证，从而简化了操作。另外，该机床可以实现往复行程都进行加工，减少空程，提高了工效。