大型、精密齒輪加工裝備

文/胡弘 劉插旗

隨著我國(guó)船舶、機(jī)車、風(fēng)電核電、石油化工、冶金礦山、軍工等行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)大型、精密齒輪的需求進(jìn)一步加大，從而對(duì)大型、精密數(shù)控磨齒機(jī)提出了迫切的市場(chǎng)需求。

國(guó)外大型磨齒機(jī)加工工件直徑，圓柱齒輪可達(dá)Φ6米，模數(shù)400微米～40毫米，加工精度可達(dá)DIN 3 級(jí)；圓錐齒輪可達(dá)Φ2.2米，加工模數(shù)可達(dá)35毫米，加工精度可達(dá)DIN 5 級(jí)或AGMA5級(jí)。我國(guó)數(shù)控磨齒機(jī)的研發(fā)起步較晚，加之國(guó)外長(zhǎng)期技術(shù)封鎖，大型磨齒機(jī)需求用戶只能依賴進(jìn)口，進(jìn)口周期長(zhǎng)、價(jià)格昂貴。國(guó)外技術(shù)封鎖和價(jià)格壟斷已經(jīng)嚴(yán)重限制了我國(guó)機(jī)床工業(yè)和裝備制造業(yè)的快速發(fā)展。

陜西秦川機(jī)械發(fā)展股份有限公司是我國(guó)精密齒輪磨床專業(yè)化生產(chǎn)廠家，形成了系列蝸桿砂輪、成形砂輪、大平面砂輪磨齒機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，磨齒規(guī)格為200毫米～2.5米，數(shù)控化率達(dá)到100%，磨削工件精度達(dá)到4級(jí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化級(jí)產(chǎn)品磨削精度達(dá)到3級(jí)，模數(shù)0.4mm-35mm；國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率超過(guò)80%，是國(guó)際上齒輪磨床品種最多、規(guī)格最全、產(chǎn)量最高的制造廠家，也是我國(guó)唯一能夠與德國(guó)、瑞士、美國(guó)等世界頂級(jí)磨齒機(jī)制造巨頭抗衡的民族品牌。

近年來(lái)，秦川公司加大了大型、精密數(shù)控磨齒機(jī)的開(kāi)發(fā)力度，研制成功YK73200大型數(shù)控圓柱齒輪磨齒機(jī)、YK75200大型數(shù)控圓柱內(nèi)齒輪磨齒機(jī)、QMK009大型數(shù)控錐齒輪磨齒機(jī)和QJK002大型數(shù)控錐齒輪銑齒機(jī)，形成了大型、精密齒輪（包括圓柱齒輪和圓錐齒輪）的成套加工裝備和制造能力，為我國(guó)裝備制造業(yè)提供國(guó)產(chǎn)化的大型精密、齒輪加工裝備。

一、大型數(shù)控圓錐齒輪加工機(jī)床

（一）產(chǎn)品介紹

大型數(shù)控圓錐齒輪機(jī)床是公司在國(guó)家“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)“高速、精密、大型數(shù)控圓錐齒輪磨齒機(jī)”課題支持下自主研發(fā)的高檔數(shù)控機(jī)床裝備，包括QMK009大型數(shù)控錐齒輪磨齒機(jī)和QJK002大型數(shù)控錐齒輪銑齒機(jī)。其成功研發(fā)可解決國(guó)內(nèi)大型錐齒輪精密加工的難題，從而徹底擺脫大型重載圓錐齒輪副長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的局面，機(jī)床填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

機(jī)床主要參數(shù)QMK009大型數(shù)控錐齒輪磨齒機(jī)最大工件直徑 2.5米最大模數(shù) 50毫米中點(diǎn)螺旋角 0～50度最大齒寬 500毫米QJK002大型數(shù)控錐齒輪銑齒機(jī)最大工件直徑 2.5米最大模數(shù) 50毫米中點(diǎn)螺旋角 0～50度最大齒寬 500毫米

（二）國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

曲線齒錐齒輪，特別是大型高精度硬齒面曲線齒錐齒輪是一種關(guān)鍵基礎(chǔ)零件，廣泛應(yīng)用于船舶和其他各類海洋工程設(shè)備的推進(jìn)器、陸地和海上鉆機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)、冶金機(jī)械、重型工程機(jī)械以及建材、火電和礦山等行業(yè)中的立磨機(jī)等。

大型重載高精度錐齒輪制造的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是采用硬齒面磨齒工藝。Gleason制弧齒錐齒輪用桶形砂輪可以磨削的工件最大直徑為1米，精度為GB5級(jí)；Klingelnberg制延伸外擺線硬齒面齒輪機(jī)床的最大加工齒輪直徑能達(dá)到2.2米，精度為DIN5級(jí)，采用硬齒面刮削工藝。由于延伸外擺線齒齒面接觸穩(wěn)定性好，接觸狀況對(duì)載荷變化不敏感，國(guó)際上大型重載錐齒輪多采用Klingelnberg延伸外擺線齒制。

目前世界上制造大型高精度硬齒面弧齒錐齒輪機(jī)床水平最高的為德國(guó)Klingelnberg公司的大功率延伸外擺線齒錐齒輪機(jī)床AK1605，采用熱后硬齒面刮削加工工藝，最大直徑為2.2米，最大法向模數(shù)35毫米，不能用桶形砂輪磨齒，精度達(dá)DIN 5 或 AGMA 13。由于該機(jī)床可用于軍品制造，對(duì)中國(guó)禁運(yùn)。

我國(guó)軟齒面曲線齒錐齒輪機(jī)床加工工件最大直徑1.6米，最大模數(shù)30毫米。硬齒面工件用桶形砂輪磨齒最大直徑1米，最大模數(shù)25毫米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國(guó)防和國(guó)家建設(shè)的需求。目前1米以上直徑的硬齒面曲線齒錐齒輪全部依賴進(jìn)口，供貨周期一般要在一年半左右，訂貨也極其困難。一對(duì)1米左右的硬齒面齒輪價(jià)格在70萬(wàn)元左右。由于交貨期長(zhǎng)、價(jià)格昂貴，該產(chǎn)品成了許多行業(yè)快速發(fā)展的瓶頸環(huán)節(jié)。

陜西秦川機(jī)械發(fā)展股份有限公司是世界上最早研究采用小直徑刀具加工大型圓錐齒輪的公司。早在2004年，公司就開(kāi)始與高等院校合作開(kāi)展此項(xiàng)研究，率先在“公司研制的”VTM180/5五軸聯(lián)動(dòng)車銑鏜復(fù)合加工中心上加工出了工件直徑1.6米的弧齒錐齒輪副，并亮相于北京國(guó)際機(jī)床展，填補(bǔ)了國(guó)際空白。隨后，國(guó)外一些機(jī)床公司也紛紛開(kāi)展了此類加工技術(shù)的研究，并有部分產(chǎn)品推出。但到目前為止，未曾看到國(guó)外的大型圓錐齒輪磨削設(shè)備展示。

公司基于自主創(chuàng)新的數(shù)字產(chǎn)形輪展成磨削原理（已申報(bào)“一種錐齒輪的加工方法”的發(fā)明專利，受理號(hào)201010124341.1）研發(fā)的大型數(shù)控圓柱齒輪磨齒機(jī)，最大磨削直徑2.5米，最大端面模數(shù)50毫米，可磨削包括Klingelnberg延伸外擺線齒輪在內(nèi)的多種齒制，填補(bǔ)了國(guó)際空白。同時(shí)，公司根據(jù)圓錐齒輪的加工特點(diǎn)，對(duì)機(jī)床進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)，采用了雙驅(qū)動(dòng)技術(shù)、雙蝸桿消隙技術(shù)、靜壓軸承和閉式靜壓導(dǎo)軌技術(shù)、擺頭直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，滿足了大型精密圓錐齒輪的精密磨削要求；以大型數(shù)控圓錐齒輪磨齒機(jī)的核心技術(shù)為基礎(chǔ)，公司還開(kāi)發(fā)了大型數(shù)控圓錐齒輪銑齒機(jī)，配套開(kāi)發(fā)了大型齒輪測(cè)量中心，形成了成套加工、檢測(cè)裝備，最大限度地解決了我國(guó)大型重載圓錐齒輪的熱后精密加工、檢測(cè)難題，使我國(guó)在國(guó)際上處于大型高精度硬齒面錐齒輪制造的先進(jìn)行列，滿足了船舶（海洋工程）、冶金、礦山、能源等行業(yè)對(duì)大型高精度硬齒面錐齒輪加工裝備的迫切要求。

（三）產(chǎn)品的技術(shù)先進(jìn)性和創(chuàng)新性

1．首次提出數(shù)字產(chǎn)形輪展成加工法。

該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

采用桶形砂輪加工法的弧齒錐齒輪磨齒機(jī)都是齒線形式相對(duì)固定剛性產(chǎn)形輪，只能加工弧齒錐齒輪，不能加工延伸外擺線錐齒輪、準(zhǔn)漸開(kāi)線錐齒輪和直齒錐齒輪。公司自主創(chuàng)新的數(shù)字產(chǎn)形輪的齒線是“柔性的”，可以是任意的曲線，包括現(xiàn)行的Gleason圓弧收縮齒制、Oerlikon延伸外擺線等高齒制、Klingelnberg延伸外擺線等高齒制、Klingelnberg準(zhǔn)漸開(kāi)線等高齒制、直齒錐齒輪等。

與其他數(shù)字法相比，本方法的加工過(guò)程是產(chǎn)形輪齒面包絡(luò)被加工齒輪齒面的過(guò)程，相當(dāng)于一對(duì)齒輪的嚙合過(guò)程，而不是先計(jì)算被加工齒輪齒面坐標(biāo)，再按自由曲面加工。所以開(kāi)發(fā)出的機(jī)床是基于精確齒輪嚙合原理加工的齒輪機(jī)床，可以保證加工的齒輪具有優(yōu)良的嚙合性能。

產(chǎn)形輪與被加工齒輪的展成運(yùn)動(dòng)用數(shù)控技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并可實(shí)現(xiàn)各種需要的展成運(yùn)動(dòng)修正；方便地控制齒面接觸斑點(diǎn)的位置、大小和形狀；也可以加工出理論上完全共軛的齒輪副。

2．首創(chuàng)了采用小直徑刀具多軸聯(lián)動(dòng)加工大型曲線齒錐齒輪的機(jī)床結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)機(jī)床結(jié)構(gòu)采用專用錐齒輪銑刀盤，當(dāng)齒輪的錐距和齒寬增加時(shí)，刀盤直徑必須隨之加大，帶來(lái)很多難以克服的問(wèn)題。本制造系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

采用小直徑標(biāo)準(zhǔn)刀具，刀具直徑只與齒輪模數(shù)有關(guān)，大大降低了刀具成本。

既可磨削Gleason制弧齒錐齒輪，又能磨削Klingelnberg制延伸外擺線錐齒輪。

在切削力一定的情況下，主軸扭矩小，機(jī)床受力小，變形小。

效率高，是傳統(tǒng)方法的三倍。

容易達(dá)到高回轉(zhuǎn)精度,易實(shí)現(xiàn)動(dòng)平衡。

磨削接觸區(qū)域小，可有效避免磨削燒傷。

能耗低，安全性高。

機(jī)床可采用龍門結(jié)構(gòu)，工件軸線垂直布置，工件旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)能夠達(dá)到更高的精度和更大的承載。

（四）市場(chǎng)前景

該機(jī)床的研發(fā)成功使我國(guó)擁有了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低成本、高精度大型錐齒輪國(guó)產(chǎn)化加工機(jī)床，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。據(jù)調(diào)研，我國(guó)船舶、石油采鉆、冶金機(jī)械、重型工程機(jī)械以及建材、火電和礦山等行業(yè)中每年需進(jìn)口大量的大型錐齒輪副，僅一家船舶和建材機(jī)械減速機(jī)廠每年就需進(jìn)口上百套，平均每套價(jià)值70萬(wàn)元，具有巨大的市場(chǎng)前景。

二、大型數(shù)控成形砂輪磨齒機(jī)

（一）產(chǎn)品介紹

大型數(shù)控成形砂輪磨齒機(jī)是公司在國(guó)家“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)“高速、精密、大型數(shù)控圓柱齒輪磨齒機(jī)”課題支持下自主研發(fā)的制造裝備，包括YK73200圓柱外齒輪（含內(nèi)齒輪磨削功能）和YK75200圓柱內(nèi)齒輪兩種數(shù)控成形砂輪磨齒機(jī)。該機(jī)床的成功研發(fā)可解決國(guó)內(nèi)大型圓柱齒輪精密加工的難題，擺脫大型高速精密圓柱齒輪磨齒機(jī)長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的局面，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

機(jī)床規(guī)格YK73200/YK75200加工范圍最大齒頂直徑 Φ2米（Φ2.5米max）最小齒根直徑 Φ300毫米（內(nèi)齒輪Φ800毫米min）模數(shù) 2～35毫米（內(nèi)齒輪20毫米）齒數(shù) 不限

最大直齒寬度 1米（內(nèi)齒輪400毫米)螺旋角 ±35度（內(nèi)齒輪±25度）主要機(jī)械參數(shù)磨具功率 40千瓦（max）（內(nèi)齒輪16千瓦）砂輪直徑 Φ400毫米～Φ300毫米（內(nèi)齒輪Φ350毫米）砂輪厚度 110毫米（max）（內(nèi)齒輪50毫米）砂輪線速度 50米/秒（max）工作臺(tái)最大負(fù)載 20噸（max）工作臺(tái)直徑 Φ1.4米工作臺(tái)高度 1.15米機(jī)床加工精度GB/T10095-2001 4級(jí)及以上

（二）國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

隨著我國(guó)船舶、機(jī)車、風(fēng)電核電、石油化工、冶金礦山、軍工等行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)大型（直徑1.5米以上）、精密（5級(jí)甚至4級(jí)以上精度）齒輪的需求進(jìn)一步加大。例如，風(fēng)力發(fā)電行業(yè)增速齒輪箱需要1.5米、精度5級(jí)以上的精密內(nèi)齒輪，船舶行業(yè)齒輪箱需要2.5米、精度5級(jí)以上精密齒輪，而大型雷達(dá)轉(zhuǎn)塔則要用到2米以上高精度齒輪。因此，國(guó)內(nèi)制造行業(yè)對(duì)高速、精密、大型數(shù)控磨齒機(jī)提出了迫切的市場(chǎng)需求。

國(guó)外大型磨齒機(jī)加工直徑可達(dá)Φ6米，加工模數(shù)可達(dá)40毫米，精度可達(dá)DIN 3 級(jí)。公司研發(fā)的兩款加工直徑2米以上的高速、精密、大型數(shù)控圓柱齒輪磨齒機(jī)解決了涉及整機(jī)和關(guān)鍵部件的精度提高難題，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，打破了國(guó)外在大型磨齒機(jī)領(lǐng)域的壟斷地位，滿足了市場(chǎng)需求，為我國(guó)制造業(yè)提供了大型精密設(shè)備。

(三）產(chǎn)品的技術(shù)先進(jìn)性和創(chuàng)新性

1．產(chǎn)品在制造過(guò)程中解決了以下關(guān)鍵技術(shù)難題

1）大型精密機(jī)床關(guān)鍵類零件高剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及同類型機(jī)床可重構(gòu)性技術(shù)研究；

2）解決機(jī)床大型精密機(jī)床熱平衡及其補(bǔ)償技術(shù)；

3）解決大型回轉(zhuǎn)工作臺(tái)蝸輪副消隙傳動(dòng)技術(shù)及高精度大型蝸輪副設(shè)計(jì)制造技術(shù)；

4）大型精密機(jī)床靜壓導(dǎo)軌及靜壓軸承設(shè)計(jì)制造技術(shù)；

5）大規(guī)格成形砂輪磨齒機(jī)大功率砂輪主軸直接驅(qū)動(dòng)、內(nèi)置動(dòng)平衡（含自動(dòng)修整對(duì)刀、磨削對(duì)刀、砂輪防碰撞功能等）設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù)；

6）大規(guī)格機(jī)床在機(jī)測(cè)量技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用；

7）大型機(jī)床制造工藝技術(shù)以及相關(guān)試驗(yàn)、檢測(cè)技術(shù)。

2．技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

1）開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成形磨削專用軟件：集成了漸開(kāi)線齒輪、擺線齒輪、各種蝸桿、任意點(diǎn)列曲線齒形的截形計(jì)算及砂輪修整G代碼自動(dòng)生成軟件；

2）開(kāi)發(fā)了成形磨齒工藝專家系統(tǒng)：對(duì)用戶的齒輪磨削工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行研究、分析和優(yōu)化，形成磨齒工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，編制磨齒工藝管理軟件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)磨齒工藝專家軟件系統(tǒng)；

3）開(kāi)發(fā)了機(jī)床工件安裝誤差自動(dòng)糾正磨削與測(cè)量技術(shù)：工件安裝到機(jī)床上以后，通過(guò)在機(jī)測(cè)量測(cè)得齒輪安裝誤差，對(duì)安裝誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分離，分離出砂輪截形誤差和機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)，將處理結(jié)果傳遞到數(shù)控系統(tǒng)和砂輪修形系統(tǒng)，對(duì)數(shù)控程序和砂輪修整數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，提高齒輪的加工精度。另外可通過(guò)對(duì)工件安裝位置的測(cè)量，將安裝誤差進(jìn)行分析處理，對(duì)機(jī)床加工程序和測(cè)量程序進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)償，達(dá)到對(duì)安裝誤差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，即使工件存在安裝誤差，機(jī)床也能磨出高質(zhì)量的齒輪。在齒輪測(cè)量時(shí)，也可以對(duì)齒輪安裝誤差進(jìn)行補(bǔ)償，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4）機(jī)床無(wú)傳感器監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)應(yīng)用：通過(guò)數(shù)控磨齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的位置、速度、扭矩、電流、電壓等接口，獲取機(jī)床動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)，采用先進(jìn)的信號(hào)處理方法，提取機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)早期微弱故障特征，評(píng)估機(jī)床加工性能，為機(jī)床的故障診斷和早期預(yù)警提供理論基礎(chǔ)。

5）機(jī)床數(shù)控軸誤差信號(hào)趨勢(shì)分析的故障預(yù)警技術(shù)：通過(guò)對(duì)機(jī)床數(shù)控軸動(dòng)態(tài)誤差和各種振動(dòng)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)誤差趨勢(shì)開(kāi)始變大，故障征兆開(kāi)始出現(xiàn)時(shí)，及時(shí)對(duì)機(jī)床故障進(jìn)行預(yù)警處理，提高機(jī)床的穩(wěn)定性和可靠性。

（四）市場(chǎng)前景

YK73200和YK75200高速、精密、大型數(shù)控圓柱齒輪磨齒機(jī)是一種集機(jī)械、電子、液壓、氣動(dòng)于一體的高新技術(shù)產(chǎn)品，適用于大型精密圓柱齒輪零件的大批量加工。機(jī)床加工精度高、輔助時(shí)間短，生產(chǎn)效率高。

該產(chǎn)品的成功研制使我國(guó)高速、精密、大型數(shù)控磨齒機(jī)的開(kāi)發(fā)和制造水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，填補(bǔ)了我國(guó)2米以上高速、精密、大型數(shù)控磨齒機(jī)的國(guó)內(nèi)空白，替代了進(jìn)口，促進(jìn)了我國(guó)船舶、機(jī)車、風(fēng)電核電、石化、冶金、礦山、軍工等行業(yè)制造水平和能力的提高。

國(guó)外同類機(jī)床產(chǎn)品的售價(jià)為1200萬(wàn)元以上。公司開(kāi)發(fā)的同類產(chǎn)品單臺(tái)成本約在450萬(wàn)元，售價(jià)約700萬(wàn)元，具有較高的性能價(jià)格比，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益均十分顯著，市場(chǎng)前景非常廣闊。