滾齒加工裝備及其技術(shù)發(fā)展趨勢*

，，，，

(1.宜賓職業(yè)技術(shù)學院，四川 宜賓 644003；2.宜賓普什機床有限責任公司，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、工程機械、日常工具及國防工業(yè)等領(lǐng)域重要的基礎部件之一。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。齒輪加工機床結(jié)構(gòu)復雜、制造難度大，是裝備制造業(yè)中的重要基礎裝備。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)。成形法加工時沒有齒輪嚙合運動，加工精度很低；展成法加工時齒輪刀具與被加工齒輪之間有嚙合運動，包絡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)，其中滾齒加工應用最為廣泛。在滾齒機上可切削直齒、斜齒圓柱齒輪，還可加工花鍵、蝸輪、鏈輪等。滾齒機的擁有量約占齒輪機床總量的45～50%[1]。

雖然到上世紀70年代末，我國已基本形成了完整的齒輪制造體系，但設計制造水平不高，與國外先進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)出設計信息化、裝備智能化、流程自動化、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)狀的基礎上，結(jié)合滾齒加工的難點與關(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行切削的，滾刀的實質(zhì)就是一個蝸桿，而工件就是與之相嚙合的齒輪[2]。滾齒時，滾刀與工件在一定的速度比下做展成運動，同時相對于工件全齒寬做軸向進給運動。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。滾齒機在加工時一般同時進行三種運動：切削運動，即滾刀的回轉(zhuǎn)運動；展成運動，即分齒運動；垂直進給運動，即滾刀沿齒坯軸線的走刀運動。其中，分齒傳動誤差直接影響切齒精度。

在齒輪加工原理及工藝特點上，滾齒比插齒、擠齒、軋齒更加優(yōu)異，使得滾齒機能加工圓柱直、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，使得滾齒機在齒輪加工設備中所占的市場份額大大多于其他齒輪加工機床。

1.2 滾齒機的國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

滾齒機按結(jié)構(gòu)形式分為立式和臥式，小型滾齒機和加工長軸齒輪的專用滾齒機多為臥式。小型滾齒機用于加工儀表齒輪；大型高精度滾齒機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置運動誤差檢測反饋裝置，自動補償誤差以提高精度。根據(jù)數(shù)控化程度，分為普通滾齒機、中低檔數(shù)控滾齒機、高檔數(shù)控滾齒機。普通滾齒機的加工精度為7～6級，數(shù)控滾齒機的精度可達4～3級。

經(jīng)過100多年的發(fā)展，發(fā)達國家的滾齒加工技術(shù)及其設備日趨成熟和完備。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等系列機床適用于輕型車、微型車、轎車行業(yè)對齒輪加工設備的需要；LC502、LC802、LC1000等系列機床適用于重型汽車、起重運輸、電梯業(yè)對齒輪加工設備的需要。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，其最大特點是采用無冷卻液的干式切削工藝和全直驅(qū)動技術(shù)的應用。在亞洲，以日本Mitsubishi公司的GD系列機床為代表，其GD10CNC、GD20CNC、GD30CNC等適用于輕型車、微型車、轎車行業(yè)對齒輪加工設備的需要，GD50CNC、GD63CNC、GD100CNC等適用于重型汽車、起重運輸、電梯業(yè)對齒輪加工設備的需要。

我國滾齒機制造業(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90年代以來，國內(nèi)數(shù)控滾齒機有了較大發(fā)展和提高，但大多是在傳統(tǒng)滾齒機基礎上進行數(shù)控化改造，在機床動/靜剛性、整體傳動精度、數(shù)控系統(tǒng)可靠性等方面與國外先進產(chǎn)品有較大差距，總體水平屬中低檔。國內(nèi)滾齒機廠家主要有重慶機床廠和南京第二機床廠，前者滾齒機市場占有率達60%以上。YS3120CNC6等為代表的六軸四聯(lián)動數(shù)控高速滾齒機代表了國內(nèi)滾齒機的先進水平，其滾刀主軸轉(zhuǎn)速(1200 r/min)、徑向快速移動速度(3000 mm/min)、切向快速移動速度(2000 mm/min)、軸向快速移動速度(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水平仍有較大差距，相當于國外20世紀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)特大型滾齒機已具有世界水平[3]。

2 滾齒加工的難點及關(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計因素，傳動間隙、受力及熱變形等機械加工因素，切削參數(shù)選擇、測量反饋、分析計算等控制因素。在滾齒加工中往往由于齒形誤差和齒向誤差達不到精度標準，影響齒輪使用性能和壽命。因此，必須加強科技創(chuàng)新，從滾齒加工工藝和滾齒制造裝備兩個方面突破核心關(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 工藝改進及誤差控制

齒輪的精度分為運動精度、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的精度和剛度。目前企業(yè)廣泛使用的Y3150、Y38等滾齒機，可以從傳動間隙的動態(tài)測量及調(diào)整、提高系統(tǒng)剛度(滾刀、齒輪鋼、機床)、合理控制滾削用量等方面改進，減小機械誤差，提高加工精度；YS3120CNC6、YGS3608CNC6等數(shù)控滾齒機配有電子齒輪箱和機械間隙的數(shù)控補償功能，可以實現(xiàn)分度和差動補償功能，從而提高傳動精度。

此外，滾齒加工中的熱變形也會影響加工精度。結(jié)合滾削變形、動力學振動位移及熱變形的理論計算，通過建立滾齒機主軸中心距變化量的熱誤差補償模型，有效預測和控制滾齒機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)及熱點技術(shù)研究

數(shù)控滾齒機由于傳動鏈的大大縮短，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，并具有誤差補償功能，大大提高了加工精度。《中國制造2025》將數(shù)控滾齒機和基礎制造裝備行業(yè)列入中國制造業(yè)的戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域之一，數(shù)控滾齒機將成為國家未來十年重點發(fā)展的數(shù)控機床。高速、高效數(shù)控滾齒機的研制已成為近幾年滾齒裝備制造技術(shù)研究的重點。

1)滾齒機數(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)控滾齒機普遍采用德國Siemens、日本FANUC、法國NUM等系統(tǒng)。因此滾齒機數(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。由于滾齒機結(jié)構(gòu)復雜，專用數(shù)控系統(tǒng)較少，國內(nèi)對滾齒機數(shù)控系統(tǒng)的研究主要集中在開放式數(shù)控系統(tǒng)方面，如黃強等人提出了基于PC和PMAC運動控制卡的開放式滾齒機數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)策略[4]。

2)零編程技術(shù)。數(shù)控滾齒機一般采用手工編程，但工藝處理和數(shù)值計算復雜，容易出錯。近年來，國內(nèi)一些高校在數(shù)控滾齒加工自動編程技術(shù)方面持續(xù)研究，如重慶大學研發(fā)的嵌入式數(shù)控滾齒加工零編程技術(shù)[5-7]以及蘭州理工大學研發(fā)的齒輪加工圖形參數(shù)化自動編程系統(tǒng)[8-10]，只需要輸入齒輪參數(shù)及加工參數(shù)就能自動生成NC程序，為進一步研發(fā)基于開放式數(shù)控的滾齒機零編程方法及系統(tǒng)提供了理論基礎。

3)熱誤差實時補償技術(shù)。熱誤差是機床熱變形引起的加工誤差。在影響數(shù)控滾齒機加工精度的各種因素中，熱誤差占有最大的比重，占數(shù)控滾齒機總誤差的45%，所以減少熱誤差是提高數(shù)控滾齒機加工精度的關(guān)鍵[11]。上海交通大學、四川大學、重慶大學等高校在熱變形試驗的基礎上進行了熱誤差補償建模研究，提出了熱誤差在線補償、自動補償?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年國際標準化組織發(fā)布了最新的齒輪精度國際標準ISO1328-1∶2013(E)。新標準頒布后，英、意、德、美、日等發(fā)達國家相繼采用，而我國現(xiàn)行齒輪精度國家標準(GB10095.1-2008)是等效采用的1995版國際標準。我國要從制造大國邁向制造強國，齒輪行業(yè)必然要與國際標準接軌，我國滾齒加工技術(shù)與裝備也將迎來新的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)。

1)設計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，未來滾齒機企業(yè)的發(fā)展目標是實現(xiàn)工業(yè)化與信息化的“兩化深度融合”，高精、高細、高速、柔性、智能將成為中國滾齒機產(chǎn)業(yè)等制造業(yè)提檔升級的大方向。在齒輪設計方面，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，提高設計壽命；在滾齒加工工藝方面，采用干式滾切技術(shù)，實現(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，簡化機床結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)整個切齒過程的全數(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。滾齒機技術(shù)變革將以滾齒機智能化控制裝置技術(shù)為核心，并且更加專用化、實用化。目前，相對于國外先進技術(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。塑料齒輪具有傳動噪音低、能夠吸振、自潤滑、模具加工生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，隨著塑料成形技術(shù)及齒輪模具技術(shù)的發(fā)展，塑料齒輪的應用將會成為世界性趨勢。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水平相比還有很大的上升空間。

[1] 中國產(chǎn)業(yè)研究報告網(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．齒輪制造工藝手冊：滾、插、磨、剃、刨[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2010

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

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

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

[6] 康玲．零編程技術(shù)在齒輪數(shù)控滾削加工中的應用研究[D]．重慶大學，2007

[7] 郭奉民．滾齒加工數(shù)控程序參數(shù)化編制系統(tǒng)研究與開發(fā)[D]．重慶大學，2013

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

[9] 余亮．數(shù)控滾齒加工自動編程系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D]．蘭州理工大學，2009

[10] 朱墨．非圓齒輪參數(shù)化設計及自動編程系統(tǒng)開發(fā)[D]．蘭州理工大學，2013

[11] 孫翰英，楊建國．基于SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)的滾齒機熱誤差補償技術(shù)研究[J] ．組合機床與自動化加工技術(shù)，2013(12)105-106