圓柱齒輪加工機(jī)床

張 曙 張炳生 譚為民

張曙 同濟(jì)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，上海市科技功臣、全國優(yōu)秀科技工作者、中國機(jī)械工程學(xué)會榮譽(yù)理事。

1 圓柱齒輪加工

齒輪是重要的機(jī)械零件，應(yīng)用極其廣泛，汽車、飛機(jī)、火車、輪船、機(jī)床和各種生產(chǎn)機(jī)械都需要有齒輪，可以說幾乎無處不在。齒輪的類別很多，有圓柱齒輪、錐齒輪、平面齒輪和非圓齒輪等。本文限于篇幅，僅涉及圓柱齒輪加工。圓柱齒輪的齒廓形狀大多為漸開線，其加工的基本原理是按照齒輪嚙合過程展成，故稱為展成法。

根據(jù)用途不同，圓柱齒輪的結(jié)構(gòu)各異、精度相差甚遠(yuǎn)、尺寸也大小不一，有的如大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)向齒輪直徑甚至大于10 m，有的微型機(jī)器人的齒輪直徑僅2～3 mm，如圖1所示。

根據(jù)所要求的齒輪精度等級，圓柱齒輪的加工方法多種多樣，有切削加工和非切削加工，切削加工又有滾齒、插齒、剃齒、磨齒、珩齒等多種工藝方法，如圖2所示。

由于圓柱齒輪的加工原理基于展成法，即刀具與工件要保持相互嚙合關(guān)系。對圓柱直齒齒輪而言，刀具轉(zhuǎn)一圈，工件轉(zhuǎn)過一個齒；對圓柱螺旋斜齒輪，還需要附加螺旋角轉(zhuǎn)動。傳統(tǒng)的齒輪加工機(jī)床是依靠復(fù)雜的齒輪傳動鏈來實現(xiàn)這個要求。

隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了“電子齒輪”，即兩臺伺服電動機(jī)保持一定的轉(zhuǎn)速比例關(guān)系，省去復(fù)雜的齒輪傳動系統(tǒng)，以電代機(jī)，實現(xiàn)“零機(jī)械傳動”，同時借助角度測量反饋系統(tǒng)（如高分辨率編碼器）提高兩臺伺服電動機(jī)的同步程度。伺服系統(tǒng)同步的精度直接反映到齒輪機(jī)床的加工精度，成為現(xiàn)代數(shù)控齒輪加工機(jī)床的核心技術(shù)。

2 滾齒車削復(fù)合加工機(jī)床

按照工藝流程，齒輪零件的加工一般是先車削，然后進(jìn)行切齒和倒角，分別在不同的機(jī)床上進(jìn)行。為了縮短過程鏈和加工時間，提高生產(chǎn)效率，在一臺機(jī)床上一次裝夾就完成全部加工工序就成為齒輪加工機(jī)床追求的目標(biāo)。美國格里森（Gleason）公司的Agi l lus 180TH萬能型復(fù)合加工機(jī)床，能夠加工各種軸類和盤類齒輪零件，即使小批量也能夠?qū)崿F(xiàn)高生產(chǎn)率和成本優(yōu)化，如圖3所示。

180TH滾齒車削復(fù)合機(jī)床的結(jié)構(gòu)配置特點是雙立柱，一個立柱用以完成滾齒加工，另一個用以完成車削加工，共有10～12個數(shù)控軸。床身采用礦物鑄造（人造花崗石），以提高機(jī)床的動態(tài)性能，延長刀具壽命。獨立的排屑通道設(shè)計，實現(xiàn)快速熱移除，以保證加工精度。機(jī)床的外觀和結(jié)構(gòu)配置如圖4所示。

從圖4中可見，左邊的立柱是滾齒，滾刀主軸滑座可沿立柱上下移動（Z軸），滾刀主軸可在滑座上作±45°偏轉(zhuǎn)（A軸），完成直齒或斜齒的滾切。配有數(shù)控尾架（Z4軸），以便準(zhǔn)確定心，快速裝卸工件。

右邊的立柱是車削，具有12工位的轉(zhuǎn)塔刀架可沿立柱上下移動（Z2軸），實現(xiàn)軸向進(jìn)給運(yùn)動。轉(zhuǎn)塔上除車刀外，還可安裝自驅(qū)動的銑刀或鉆頭，進(jìn)行輔助的銑削和鉆削加工。在轉(zhuǎn)塔上可安裝倒角、去毛刺裝置，以便需要時在滾齒后進(jìn)行倒角。

轉(zhuǎn)塔上可配置機(jī)械手爪，與機(jī)床右側(cè)的環(huán)形傳送帶配合，進(jìn)行工件的交換和裝卸。轉(zhuǎn)塔上還可選配測量頭，對刀具磨損進(jìn)行補(bǔ)償。

該機(jī)床的技術(shù)性能見表1。

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3 小模數(shù)8軸數(shù)控滾齒機(jī)

為了適應(yīng)儀器儀表、鐘表和微機(jī)械行業(yè)加工小模數(shù)齒輪的市場需求，瑞士拉姆特-瓦利（Lamber t-Wahl i）公司推出W90 和W1000micro兩款小模數(shù)數(shù)控滾齒機(jī)。W1000micro數(shù)控滾齒機(jī)共有8個數(shù)控軸，采用博世力士樂IndraMotionMTX 數(shù)控系統(tǒng)，適用于模數(shù)小于0.8 mm的直齒輪、斜齒輪、冠狀齒輪、端面齒輪、橢圓齒輪、直齒傘齒輪、蝸輪的粗滾和精滾加工。機(jī)床的外觀、典型零件和結(jié)構(gòu)布局如圖5所示。

從圖中可見，該機(jī)床采用臥式布局，工件主軸和尾架配置在機(jī)床前方，分別可作縱向移動（左Z軸和右Z軸）。后方是立柱，滾刀主軸滑座沿立柱上下移動（Y軸），并可繞中心偏轉(zhuǎn)±35°（A軸），分別用于加工右旋或左旋斜齒輪，立柱可作前后移動，實現(xiàn)徑向進(jìn)給（X軸）。工件主軸與滾刀主軸通過電子齒輪連接，實現(xiàn)比例同步伺服驅(qū)動。

W1000micro滾齒機(jī)可按加工齒輪的形狀配置不同的自動上料器，也可用機(jī)械手上下料。如圖6所示。

W1000micro小模數(shù)數(shù)控滾齒機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表2 。

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4 特大型數(shù)控滾齒機(jī)

風(fēng)電、礦山冶金機(jī)械和水泥窯等都需要大型和重型齒輪。美國希斯莊明（SchiessBrighton）公司為中國中信集團(tuán)開發(fā)了特大型6軸數(shù)控滾齒機(jī)，在原有希斯RF-CNC滾齒機(jī)的基礎(chǔ)上重新設(shè)計了新RF-CNC系列數(shù)控滾齒機(jī)，使之成為現(xiàn)代化的、高效的特大型齒輪加工機(jī)床。新RF-CNC系列有兩個型號，齒輪最大加工直徑分別為：16 m和10 m（單齒銑削)；或14 m和8.5 m（滾齒），其加工實況如圖7所示。

數(shù)控滾齒機(jī)較之傳統(tǒng)滾齒機(jī)的最大優(yōu)點在于大大提高齒輪加工速度(大約5～10倍)；因為數(shù)控滾齒機(jī)可使用切削速度為160 m/min的硬質(zhì)合金滾刀；而傳統(tǒng)滾齒機(jī)僅可使用切削速度為16 m/min的高速鋼滾刀。

機(jī)床主要部件，如床身、立柱、工作臺底座和工作臺等，均采用高強(qiáng)度的鑄件。這是機(jī)床穩(wěn)定性強(qiáng)、剛性好、精度保持性高且經(jīng)久耐用的先決條件。

所有直線和環(huán)形的導(dǎo)軌，全部采用靜壓導(dǎo)軌。靜壓導(dǎo)軌可提供高質(zhì)量的接觸表面和無接觸的部件運(yùn)動，從而提高了機(jī)床精度和阻尼性能，且在整個使用壽命中，能保持精度穩(wěn)定，使各軸達(dá)到極佳的定位精度和重復(fù)定位精度。例如，工作臺由多個靜壓油腔的大直徑靜壓軸承支撐；每一靜壓油腔均配有獨立和可調(diào)的油路和冷卻循環(huán)裝置，以保證靜壓油溫恒定，避免產(chǎn)生熱變形，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

工作臺驅(qū)動采用兩個小齒輪嚙合固定在工作臺的大齒圈上進(jìn)行驅(qū)動。所有進(jìn)給軸，無論是直線的或者圓周的，均安裝Heidenhain直接測量系統(tǒng)。各直線進(jìn)給軸采用滾柱絲杠驅(qū)動。

Rf-CNC 50/140-160特大型數(shù)控滾齒機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表3。

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5 蝸桿、成形復(fù)合磨齒機(jī)

Ti tan 1200G型大型復(fù)合磨齒機(jī)是以格里森公司推出的Ti tan1200H滾齒機(jī)為平臺的Ti tan系列產(chǎn)品。Titan系列是工件直徑800～6400 mm、最大加工模數(shù)為40 mm的大型齒輪加工機(jī)床系列。其愿景旨在為大型齒輪加工機(jī)床建立高性能、易操作和高生產(chǎn)率的新標(biāo)桿。設(shè)計的理念是：最小的占地面積、最高的性能和用戶友好。基于其優(yōu)越的性能，Titan系列的滾齒機(jī)和磨齒機(jī)既可用于小批量生產(chǎn)，也適用于大批量生產(chǎn)。Titan 1200G 和1500G皆可在同一臺機(jī)床上進(jìn)行蝸桿砂輪磨齒和成形砂輪磨齒。Titan 1200G的最大加工直徑為1200 mm，其外觀如圖9所示。

蝸桿砂輪磨齒的特點是高效率，而成形砂輪磨齒的特點是高精度，格里森公司將兩者集成在一臺磨齒機(jī)上，采取新的加工策略，以期新機(jī)床同時具備高效率、高精度和高柔性。要實現(xiàn)這個目標(biāo)的關(guān)鍵在于蝸桿砂輪、成形粗磨砂輪和精磨成形砂輪兩者之間的自動交換、自動定位和自動修正，其過程如圖10所示。

從圖10中可見，帶有機(jī)械手的砂輪移動裝置與4工位的砂輪庫組成砂輪自動交換系統(tǒng)，砂輪庫可存放2～4個砂輪，例如用于高效磨齒的蝸桿砂輪（藍(lán)色）和用于成形精磨的片狀砂輪（粉紅色）。機(jī)械手抓取砂輪后，將其移動到主軸前方，機(jī)械手轉(zhuǎn)過90°，

Special Topice & Interview主軸將砂輪軸夾緊，尾座支撐并自動定位，然后借助砂輪修整器修正砂輪，冷卻噴嘴移動到砂輪上方或兩側(cè)，開始進(jìn)行磨齒。砂輪主軸采用直接驅(qū)動，HSK接口夾緊系統(tǒng)和自動調(diào)節(jié)的冷卻油噴嘴。

磨齒過程的轉(zhuǎn)換由兩個軟件支持：Op t i-Gr ind用于粗磨和精磨片狀砂輪的特性配合，借助完善的多片技術(shù)，即使少齒數(shù)也能高效率地加工；Power-Grind用于蝸桿砂輪粗磨與后續(xù)精密成形磨齒的配合，借助軟件可實現(xiàn)磨齒的高效率。例如，采用蝸桿砂輪對模數(shù)14 mm、齒數(shù)84、齒寬255 mm的大型齒輪進(jìn)行磨齒，比傳統(tǒng)的成形磨齒效率提高了36%。

Ti tan 1200G磨齒機(jī)操作方便，加工時加工空間可接近性好，易于維護(hù)，占地面積比傳統(tǒng)磨齒機(jī)少35%，且由于采用智能能源管理系統(tǒng)以及最新的驅(qū)動技術(shù)和電動機(jī)，能源消耗減少了40%。

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Titan 1200G數(shù)控磨齒機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表4 。

6 結(jié)語和展望

齒輪加工工藝復(fù)雜，本文僅就圓柱齒輪的滾齒和磨齒進(jìn)行闡述，未涉及插齒、剃齒、珩齒等工藝，一方面限于篇幅，另一方面這些機(jī)床的結(jié)構(gòu)相對簡單。

數(shù)控系統(tǒng)的電子齒輪給齒輪加工機(jī)床帶來根本性的變化。由于比例伺服同步精度決定了齒輪加工機(jī)床的精度，使加工4級、甚至更高精度的齒輪成為可能。我國秦川機(jī)床集團(tuán)在此領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入國際先進(jìn)水平，在齒輪磨床產(chǎn)品方面可以與進(jìn)口產(chǎn)品抗衡。

提高生產(chǎn)效率永遠(yuǎn)是推動機(jī)床發(fā)展的動力，在齒輪加工中也不例外，各種復(fù)合加工形式都將獲得應(yīng)用。此外，發(fā)展小模數(shù)和特大型齒輪加工機(jī)床是我們面臨的挑戰(zhàn)，不能夠因為市場規(guī)模不大而加以忽視。

美國格里森公司把自己定位為齒輪加工全面解決方案提供商，非常值得學(xué)習(xí)。不僅提供不同的齒輪加工機(jī)床，還包括齒輪測量機(jī)、齒輪刀具等。