滾齒加工裝備及其技術(shù)發(fā)展趨勢*

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(1.宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644003；2.宜賓普什機(jī)床有限責(zé)任公司，四川 宜賓 644000)

0 引言

齒輪品種規(guī)格繁多、使用量大面廣，是汽車、船舶、航空、工程機(jī)械、日常工具及國防工業(yè)等領(lǐng)域重要的基礎(chǔ)部件之一。齒輪的生產(chǎn)制造在裝備制造業(yè)中占有十分重要的地位，其性能不僅與國家工業(yè)發(fā)展息息相關(guān)，也與日常生活密不可分。齒輪加工機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度大，是裝備制造業(yè)中的重要基礎(chǔ)裝備。根據(jù)加工原理，齒輪加工方法主要有成形法和展成法(范成法)。成形法加工時(shí)沒有齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)，加工精度很低；展成法加工時(shí)齒輪刀具與被加工齒輪之間有嚙合運(yùn)動(dòng)，包絡(luò)出被加工齒輪的齒廓(齒面)，且生產(chǎn)效率和加工精度較高，常見的有滾齒、插齒、剃齒(屬精加工)，其中滾齒加工應(yīng)用最為廣泛。在滾齒機(jī)上可切削直齒、斜齒圓柱齒輪，還可加工花鍵、蝸輪、鏈輪等。滾齒機(jī)的擁有量約占齒輪機(jī)床總量的45～50%[1]。

雖然到上世紀(jì)70年代末，我國已基本形成了完整的齒輪制造體系，但設(shè)計(jì)制造水平不高，與國外先進(jìn)制造水平還有較大差距。近年來， 我國齒輪產(chǎn)業(yè)已超越意大利躍居全球第四，但產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)性矛盾突出、產(chǎn)能過剩、自主創(chuàng)新能力不足等問題突出。隨著制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，工業(yè)化與信息化的融合逐步加深，齒輪行業(yè)必將呈現(xiàn)出設(shè)計(jì)信息化、裝備智能化、流程自動(dòng)化、管理現(xiàn)代化的發(fā)展趨勢，齒輪制造企業(yè)將逐步從規(guī)模速度型轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)新效益型。本文在分析滾齒加工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合滾齒加工的難點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)研究，展望了滾齒加工技術(shù)與裝備的未來發(fā)展趨勢。

1 滾齒加工技術(shù)與裝備

1.1 滾齒加工基本原理

滾齒加工是利用螺旋齒輪嚙合原理進(jìn)行切削的，滾刀的實(shí)質(zhì)就是一個(gè)蝸桿，而工件就是與之相嚙合的齒輪[2]。滾齒時(shí)，滾刀與工件在一定的速度比下做展成運(yùn)動(dòng)，同時(shí)相對于工件全齒寬做軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。通過調(diào)整嚙合速度比，只需一把刀具就能加工出模數(shù)相同而齒數(shù)不同的齒輪。用不同齒形的滾刀還可加工渦輪、鏈輪、花鍵、擺線齒輪等各種齒形的齒輪。滾齒機(jī)在加工時(shí)一般同時(shí)進(jìn)行三種運(yùn)動(dòng)：切削運(yùn)動(dòng)，即滾刀的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；展成運(yùn)動(dòng)，即分齒運(yùn)動(dòng)；垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，即滾刀沿齒坯軸線的走刀運(yùn)動(dòng)。其中，分齒傳動(dòng)誤差直接影響切齒精度。

在齒輪加工原理及工藝特點(diǎn)上，滾齒比插齒、擠齒、軋齒更加優(yōu)異，使得滾齒機(jī)能加工圓柱直、斜齒輪、錐形齒輪、渦輪、花鍵等齒類零件，且由于它所加工的齒類零件的結(jié)構(gòu)型式、生產(chǎn)效率等都具有其它加工工藝難以完成或無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，使得滾齒機(jī)在齒輪加工設(shè)備中所占的市場份額大大多于其他齒輪加工機(jī)床。

1.2 滾齒機(jī)的國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

滾齒機(jī)按結(jié)構(gòu)形式分為立式和臥式，小型滾齒機(jī)和加工長軸齒輪的專用滾齒機(jī)多為臥式。小型滾齒機(jī)用于加工儀表齒輪；大型高精度滾齒機(jī)一般采用立式和臥式組合結(jié)構(gòu)，并且在滾刀主軸和工作臺上設(shè)置運(yùn)動(dòng)誤差檢測反饋裝置，自動(dòng)補(bǔ)償誤差以提高精度。根據(jù)數(shù)控化程度，分為普通滾齒機(jī)、中低檔數(shù)控滾齒機(jī)、高檔數(shù)控滾齒機(jī)。普通滾齒機(jī)的加工精度為7～6級，數(shù)控滾齒機(jī)的精度可達(dá)4～3級。

經(jīng)過100多年的發(fā)展，發(fā)達(dá)國家的滾齒加工技術(shù)及其設(shè)備日趨成熟和完備。在歐洲，以德國Liebherr公司為代表，其典型的LC系列產(chǎn)品滿足了不同行業(yè)、不同規(guī)格齒輪加工的需求，如LC82、LC122、LC182、LC282、LC382等系列機(jī)床適用于輕型車、微型車、轎車行業(yè)對齒輪加工設(shè)備的需要；LC502、LC802、LC1000等系列機(jī)床適用于重型汽車、起重運(yùn)輸、電梯業(yè)對齒輪加工設(shè)備的需要。在美洲，以美國Gleason-Pfauter-Hurth合資公司的GP/PE系列產(chǎn)品為代表，如GP130、GP200、GP300、GP200S、GP300G、PE300、PE500，其最大特點(diǎn)是采用無冷卻液的干式切削工藝和全直驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用。在亞洲，以日本Mitsubishi公司的GD系列機(jī)床為代表，其GD10CNC、GD20CNC、GD30CNC等適用于輕型車、微型車、轎車行業(yè)對齒輪加工設(shè)備的需要，GD50CNC、GD63CNC、GD100CNC等適用于重型汽車、起重運(yùn)輸、電梯業(yè)對齒輪加工設(shè)備的需要。

我國滾齒機(jī)制造業(yè)起步較晚，整體技術(shù)水平落后于國外10-20年。雖然自20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)數(shù)控滾齒機(jī)有了較大發(fā)展和提高，但大多是在傳統(tǒng)滾齒機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)控化改造，在機(jī)床動(dòng)/靜剛性、整體傳動(dòng)精度、數(shù)控系統(tǒng)可靠性等方面與國外先進(jìn)產(chǎn)品有較大差距，總體水平屬中低檔。國內(nèi)滾齒機(jī)廠家主要有重慶機(jī)床廠和南京第二機(jī)床廠，前者滾齒機(jī)市場占有率達(dá)60%以上。YS3120CNC6等為代表的六軸四聯(lián)動(dòng)數(shù)控高速滾齒機(jī)代表了國內(nèi)滾齒機(jī)的先進(jìn)水平，其滾刀主軸轉(zhuǎn)速(1200 r/min)、徑向快速移動(dòng)速度(3000 mm/min)、切向快速移動(dòng)速度(2000 mm/min)、軸向快速移動(dòng)速度(3000 mm/min)等參數(shù)，以及加工性能、配置條件、可靠性等方面與國外先進(jìn)水平仍有較大差距，相當(dāng)于國外20世紀(jì)90年代后期的水平。雖然我國在數(shù)控高速滾齒加工領(lǐng)域仍然落后，但十幾米的國產(chǎn)特大型滾齒機(jī)已具有世界水平[3]。

2 滾齒加工的難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)研究

長期以來，壽命短、可靠性差、結(jié)構(gòu)重成為制約中國齒輪產(chǎn)業(yè)發(fā)展和安全使用的三大問題，而成形制造則是形成三大問題的主要原因。影響齒輪加工質(zhì)量的因素很多，從技術(shù)和工藝的角度來看主要有工藝設(shè)計(jì)因素，傳動(dòng)間隙、受力及熱變形等機(jī)械加工因素，切削參數(shù)選擇、測量反饋、分析計(jì)算等控制因素。在滾齒加工中往往由于齒形誤差和齒向誤差達(dá)不到精度標(biāo)準(zhǔn)，影響齒輪使用性能和壽命。因此，必須加強(qiáng)科技創(chuàng)新，從滾齒加工工藝和滾齒制造裝備兩個(gè)方面突破核心關(guān)鍵技術(shù)；而由于結(jié)構(gòu)及工藝的局限，更多研究是從控制方法上去突破。

2.1 工藝改進(jìn)及誤差控制

齒輪的精度分為運(yùn)動(dòng)精度、平穩(wěn)性精度和接觸精度，滾齒加工中產(chǎn)生的齒形、齒向誤差及齒面缺陷等直接影響著齒輪的三大精度。滾齒加工一般作為剃齒加工的前道工序，其精度的高低決定著剃齒加工精度及齒輪質(zhì)量。

滾齒加工精度和效率在很大程度上取決于滾齒機(jī)的精度和剛度。目前企業(yè)廣泛使用的Y3150、Y38等滾齒機(jī)，可以從傳動(dòng)間隙的動(dòng)態(tài)測量及調(diào)整、提高系統(tǒng)剛度(滾刀、齒輪鋼、機(jī)床)、合理控制滾削用量等方面改進(jìn)，減小機(jī)械誤差，提高加工精度；YS3120CNC6、YGS3608CNC6等數(shù)控滾齒機(jī)配有電子齒輪箱和機(jī)械間隙的數(shù)控補(bǔ)償功能，可以實(shí)現(xiàn)分度和差動(dòng)補(bǔ)償功能，從而提高傳動(dòng)精度。

此外，滾齒加工中的熱變形也會(huì)影響加工精度。結(jié)合滾削變形、動(dòng)力學(xué)振動(dòng)位移及熱變形的理論計(jì)算，通過建立滾齒機(jī)主軸中心距變化量的熱誤差補(bǔ)償模型，有效預(yù)測和控制滾齒機(jī)的熱變形及齒輪加工誤差，可以提高滾齒加工精度與效率。

2.2 滾齒裝備制造關(guān)鍵技術(shù)及熱點(diǎn)技術(shù)研究

數(shù)控滾齒機(jī)由于傳動(dòng)鏈的大大縮短，減少了軸、軸承和齒輪等元件的制造誤差、間隙和裝配誤差的影響，并具有誤差補(bǔ)償功能，大大提高了加工精度?！吨袊圃?025》將數(shù)控滾齒機(jī)和基礎(chǔ)制造裝備行業(yè)列入中國制造業(yè)的戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域之一，數(shù)控滾齒機(jī)將成為國家未來十年重點(diǎn)發(fā)展的數(shù)控機(jī)床。高速、高效數(shù)控滾齒機(jī)的研制已成為近幾年滾齒裝備制造技術(shù)研究的重點(diǎn)。

1)滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)。改革開放以來，國產(chǎn)NC系統(tǒng)發(fā)展迅速，基本占領(lǐng)了低端NC系統(tǒng)市場，但中高檔NC系統(tǒng)大部分仍被國外品牌占據(jù)，尤其是專用數(shù)控系統(tǒng)。國產(chǎn)數(shù)控滾齒機(jī)普遍采用德國Siemens、日本FANUC、法國NUM等系統(tǒng)。因此滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的自主研發(fā)成為提升我國滾齒裝備制造能力的關(guān)鍵。由于滾齒機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，專用數(shù)控系統(tǒng)較少，國內(nèi)對滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的研究主要集中在開放式數(shù)控系統(tǒng)方面，如黃強(qiáng)等人提出了基于PC和PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的開放式滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)策略[4]。

2)零編程技術(shù)。數(shù)控滾齒機(jī)一般采用手工編程，但工藝處理和數(shù)值計(jì)算復(fù)雜，容易出錯(cuò)。近年來，國內(nèi)一些高校在數(shù)控滾齒加工自動(dòng)編程技術(shù)方面持續(xù)研究，如重慶大學(xué)研發(fā)的嵌入式數(shù)控滾齒加工零編程技術(shù)[5-7]以及蘭州理工大學(xué)研發(fā)的齒輪加工圖形參數(shù)化自動(dòng)編程系統(tǒng)[8-10]，只需要輸入齒輪參數(shù)及加工參數(shù)就能自動(dòng)生成NC程序，為進(jìn)一步研發(fā)基于開放式數(shù)控的滾齒機(jī)零編程方法及系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)。

3)熱誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償技術(shù)。熱誤差是機(jī)床熱變形引起的加工誤差。在影響數(shù)控滾齒機(jī)加工精度的各種因素中，熱誤差占有最大的比重，占數(shù)控滾齒機(jī)總誤差的45%，所以減少熱誤差是提高數(shù)控滾齒機(jī)加工精度的關(guān)鍵[11]。上海交通大學(xué)、四川大學(xué)、重慶大學(xué)等高校在熱變形試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了熱誤差補(bǔ)償建模研究，提出了熱誤差在線補(bǔ)償、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)方案，有助于提高數(shù)控滾齒加工質(zhì)量穩(wěn)定性，提升我國高檔數(shù)控滾齒機(jī)的智能化水平。

3 滾齒加工技術(shù)發(fā)展展望

隨著信息技術(shù)和材料技術(shù)的飛速發(fā)展，近年來齒輪制造領(lǐng)域出現(xiàn)了許多新的技術(shù)成果。2013年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布了最新的齒輪精度國際標(biāo)準(zhǔn)ISO1328-1∶2013(E)。新標(biāo)準(zhǔn)頒布后，英、意、德、美、日等發(fā)達(dá)國家相繼采用，而我國現(xiàn)行齒輪精度國家標(biāo)準(zhǔn)(GB10095.1-2008)是等效采用的1995版國際標(biāo)準(zhǔn)。我國要從制造大國邁向制造強(qiáng)國，齒輪行業(yè)必然要與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，我國滾齒加工技術(shù)與裝備也將迎來新的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

1)設(shè)計(jì)信息化與裝備智能化發(fā)展趨勢。隨著“中國智造”2025的不斷推進(jìn)，未來滾齒機(jī)企業(yè)的發(fā)展目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)化與信息化的“兩化深度融合”，高精、高細(xì)、高速、柔性、智能將成為中國滾齒機(jī)產(chǎn)業(yè)等制造業(yè)提檔升級的大方向。在齒輪設(shè)計(jì)方面，利用三維數(shù)字化建模及仿真技術(shù)，節(jié)省生產(chǎn)試制成本，提高設(shè)計(jì)壽命；在滾齒加工工藝方面，采用干式滾切技術(shù)，實(shí)現(xiàn)綠色制造及清潔加工，降低生產(chǎn)成本；在裝備制造方面，開發(fā)高速高精度、全數(shù)控化滾齒機(jī)，簡化機(jī)床結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)切齒過程的全數(shù)字化和智能化控制，提高加工精度、切削效率、穩(wěn)定性和可靠性。滾齒機(jī)技術(shù)變革將以滾齒機(jī)智能化控制裝置技術(shù)為核心，并且更加專用化、實(shí)用化。目前，相對于國外先進(jìn)技術(shù)，國內(nèi)研究工作還處于起步階段，但它對提高齒輪制造質(zhì)量和技術(shù)水平具有重要意義。

2)新材料、新技術(shù)的應(yīng)用將給齒輪加工行業(yè)帶來顛覆性革命。如新型塑料及齒輪模具技術(shù)的應(yīng)用，塑料齒輪將在一些場合廣泛取代金屬齒輪。塑料齒輪具有傳動(dòng)噪音低、能夠吸振、自潤滑、模具加工生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，隨著塑料成形技術(shù)及齒輪模具技術(shù)的發(fā)展，塑料齒輪的應(yīng)用將會(huì)成為世界性趨勢。塑料齒輪的快速發(fā)展將給齒輪模具帶來巨大的市場空間。在國際塑料齒輪行業(yè)大發(fā)展的趨勢下，國內(nèi)對市場變化的反應(yīng)還不夠敏銳，配套研究難以跟上市場需求，與國外齒輪模具先進(jìn)水平相比還有很大的上升空間。

[1] 中國產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告網(wǎng)．2015-2020年中國齒輪行業(yè)市場分析與發(fā)展趨勢[R/OL]．http://www.chinairr.org，2015

[2] 《齒輪制造工藝手冊：滾、插、磨、剃、刨》編委會(huì)．齒輪制造工藝手冊：滾、插、磨、剃、刨[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010

[3] 石照耀．提升裝備水平助推齒輪行業(yè)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)國夢[N]．中國工業(yè)報(bào)，2012-11-01

[4] 黃強(qiáng)，張根寶等．開放式滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)策略及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究[J] ．機(jī)床與液壓，2006(01)

[5] 呂師師．?dāng)?shù)控滾齒機(jī)嵌入式零編程系統(tǒng)的研制[D]．重慶大學(xué)，2006

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[8] 熊海洋．齒輪加工圖形參數(shù)化自動(dòng)編程系統(tǒng)的開發(fā)與研究[D] ．蘭州理工大學(xué)，2004

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[10] 朱墨．非圓齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)及自動(dòng)編程系統(tǒng)開發(fā)[D]．蘭州理工大學(xué)，2013

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