大型齿轮磨削装备的关键技术

基金项目：国家科技重大专项（２０１４ＺＸ０４００１－１９１）；秦川机床工具集团股份公司科研项目（科研工作令２０１４Ｇ－科研－０３５号）收稿日期：２０１６年１月
大型齿轮磨削装备的关键技术
郭召
秦川机床工具集团股份公司
　引言
目前，我国正在大力发展海洋资源勘探装备、大型舰艇、风电、核电、高速机车、航空航天、军工、大型工程机械等新兴产业。

这些行业要求齿轮传动在高速、重载、冲击多变及恶劣工况下具有高可靠性、长寿命、高传动效率和低噪音的工作性能。

大型、高精度硬齿面齿轮是重型机械传动行业中关键的动力传动元件，这些行业的快速发展造成对大型齿轮磨削装备的需求扩大。

　大型磨齿装备概况
传统的大型齿轮精密磨削加工多采用锥面砂轮磨齿机展成磨削，砂轮和工件齿面为点接触，工件分度运动采用蜗轮副单齿分度，加工效率低，上世纪９０年代逐渐被淘汰。

德国ＫＡＰＰ公司在２０世纪８０年代初，开发了应用ＣＢＮ砂轮的成形磨齿机，由于ＣＢＮ砂轮万能性差，制造价格昂贵，没有得到普及推广。

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０世纪９０年代末期，随着计算机技术及数控技术发展成熟，德国ＮＩＬＥＳ及Ｐｆａｕｔｅｒ、意大利Ｓａｍｐｕｓｔｅｎｓｉｌｉ等多家公司相继推出应用可修整普通砂轮的数控成形砂轮磨齿机。

机床操作界面实现人机对话，用户仅需输入磨削齿轮参数，即可完成成形砂轮截形计算及修整，实现工件自动循环磨削。

近年来，大型数控成形磨齿机发展呈现出以下特点：机床集成了在机测量、磨削自动对刀、磨削余量自动分配、磨削状态实时监测、砂轮在机动平衡等先进技术，机床加工精度达到ＧＢ／Ｔ１００９５．１－２００８３级精度，更符合大型、精密齿轮的加工需求。

主要的齿轮机床制造商均针对大型齿轮的加工提出各自的解决方案。

（１）德国ＫＡＰＰ－ＮＩＬＥＳ
德国卡帕集团拥有ＺＥ系列、ＺＰ系列、ＺＰＩ系列、ＺＰＢ系列多款大型磨齿机，为用户提供大型齿轮加工方案。

齿轮最大加工直径８ｍ，最大模数
４０ｍｍ。

ＮＩＬＥＳ磨齿机的特点是采用模块化设计，加工直径１
ｍ齿轮的机床与加工直径８ｍ齿轮的机床采用同一磨削功能模块，仅在机床转台和床身长度上有区分。

机床基础大件采用球墨铸铁浇铸，相比传统灰铸铁，大幅提升刚性。

（２）德国霍夫勒
霍夫勒公司是德国第二家大型磨齿机制造商，开发了Ｒ
ＡＰＩＤ系列、ＲＡＰＩＤ—ＭＦＭ系列和ＲＡＰＩＤ—ＡＩ系列大型磨齿机，最大加工直径６ｍ，最大模数５０ｍｍ。

特点在于机床床身、立柱等基础大件采用矿物铸件制造，吸振性、热稳定性性能优越。

机床采用直线电机驱动，响应快，无磨损，精度保持性好。

机床回转轴采用力矩电机直接驱动，尤其是在机床磨削角控制轴率先采用了力矩电机直驱技术。

（３）美国Ｇｌｅａｓｏｎ－Ｐｆａｕｔｅｒ
格里森公司以生产螺旋伞齿轮加工设备著称，和德国Ｐｆａｕｔｅｒ公司联合后，充分吸收Ｐｆａｕｔｅｒ公司在大型精密滚齿机方面的丰富经验，结合自身在齿轮磨削技术方面的积累，开发了Ｐ系列大型磨齿机。

双齿面无扭曲磨削工艺可减少５０％的精加工时间，独特的新优化磨削（ＯＰＴＩＧＲＩＮＤ）技术可同时使用三个或更多的砂轮，以替代单片砂轮，效率、精度、表面质量兼顾。

（４）意大利桑普
意大利桑普坦斯利公司推出了ＨＧ系列大型磨齿机，将滚齿及磨齿进行复合。

在一台机床上，可以实现粗、精加工。

机床配备自动换刀装置，实现滚刀与砂轮的自动切换。

（５）中国秦川
国内大型磨齿装备研发起步较晚，秦川机床厂在２０００年开始研制数控成形磨齿机，２００４年推出第一款大型数控磨齿机ＹＫ７３１２５，十多年来开发了ＹＫ７３６３、ＹＫ７３８０／Ａ、ＹＫ７３１００、ＹＫ７３１２５／Ａ、ＹＫ７３２００、ＹＫ７３４００、ＹＫ７５２００系列大规格数控成形磨齿机，形成了系列化产品，产品销售１００多台，解决了我国重型机械传动的关键动力元件加工问题，
提高了大型、高速、重载硬齿面齿轮磨削精度，实现了高速、重载、平稳、高寿命传动。

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８工具技术
　大型磨齿机关键技术
大型磨齿机属于集机、电、液、仪一体化的高端精密装备，面临重型机床高精度化难题，关键技术主要包括以下几方面：
（１）大型磨齿机高刚性设计技术
大型磨齿机伺服轴采用全闭环控制，影响精度的关键点是系统的稳定性，而机床刚性对系统稳定性至关重要。

大型磨齿机的设计需要对静刚度、动刚度、热刚度综合考虑，提高静刚度，保证机床在运动过程中具有相同的综合位移；提高动刚度，保证机床在加工状态下的高稳定性；提高热刚度，使机床的热变形均匀。

三者要兼顾考虑，实现在耦合状态下的机床高刚性设计。

（２）大型精密力矩电机回转工作台设计制造及控制技术
数控转台是大型磨齿机的关键功能部件，承载数十吨工件完成微米级控制，不但要精确定位，还要配合其他直线伺服轴完成插补运动，要求响应灵敏。

目前大型磨齿机转台普遍采用力矩电机直接驱动，力矩电机转台的设计制造、力矩电机的惯量匹配、力矩波动抑制等技术成为制约转台性能的关键技术。

（３）大型精密机床的静压导轨及静压轴承技术
大型磨齿机工件重达数十吨，移动部件重达十几吨，需要实现微米级控制，运动单元的支撑普遍采用静压技术。

静压供油方式、油膜刚度控制、油品清洁度控制及轴承温升控制等成为研究热点。

（４）砂轮主轴的大功率直接驱动、内置动平衡及ＡＥ技术
大模数、大齿深齿轮的磨削需要配置大功率磨削主轴，大功率磨削主轴的核心技术在于精确控制和发热抑制。

砂轮经修整后，其气孔、粘接剂及磨粒分布发生改变，造成主轴系统不平衡，影响磨削精度，需要配置机动平衡装置，及时自动检测不平衡量并自动补偿。

磨削过程中砂轮的磨损检测及防碰撞保护需要借助声发射（ＡＥ）技术实现。

（５）在机测量技术
大型齿轮起吊、安装、调整不便，采用在机测量技术可以对已磨削工件进行精度检测，根据误差调整磨削工艺，在一次装夹过程中即可磨削出合格工件。

在机测量成为机床认知加工对象的重要手段，是大型磨削装备实现智能磨削的关键因素。

（６）砂轮截形专用计算软件及砂轮修整装置及技术
大型磨齿机采用成形法磨削，取决于截形计算精度及砂轮修整精度。

通过算法优化不断提高计算精度，通过修整装置可实现精确的轮廓计算。

不同制造商研制了多种成形砂轮修整装置，应用最多的是两轴联动的直角坐标系修整装置。

在此基础上，砂轮的修整工艺成为关键。

　结语
大型磨齿机未来的技术发展方向主要有：
（１）大型精密齿轮复合磨削技术
大型齿轮价格昂贵，需求量有限，但对精度的要求极高，采用复合加工是大型齿轮精密加工的发展趋势。

大型齿轮机床融合吸收各种先进技术，完善功能，提高自动化程度，向着齿轮磨削中心的方向发展，为用户提供一种大型齿轮全面加工的解决方案。

（２）成形磨削专家系统
提高机床对加工对象的自识别能力。

工件安装就位后，通过机床在机测量装置对齿轮形貌进行识别，分配余量，自动优化磨削工艺。

完成磨削后，精度自动检测，识别加工误差后，调整磨削工艺参数，进行纠正磨削。

（３）大型磨齿机电磁兼容性研究
大型磨齿机数控化程度高，采用了大功率磨削主轴和大扭矩力矩电机，配置了在机测量装置和动平衡装置以及大量的电气化功能部件及技术的应用，需要推进机床电磁兼容性研究，提高机床电气系统运行稳定性。

（４）齿廓精确修形及齿面纹路控制技术
大型重载齿轮及高速齿轮要求进行精确的齿廓修形才能稳定安全地工作，为了优化工作状态，减小振动噪音，设计出来的廓形越来越复杂，对齿面纹路和磨削装备都提出了更高的要求。

参考文献
［１］郭召，樊利军，谢斌．高速、精密、大型数控成形砂轮磨齿机研制［Ｒ］．科技报告［７１００７２２１Ｘ－２００９ＺＸ０４００１０９１／０１］．２０１３，１１．
［２］遇立基．磨齿工艺与磨齿机的技术发展概况［Ｊ］．现代制造工程，２００８（２）：１－４．
［３］马云．从ＣＩＭＴ２００５看磨齿机的发展趋势［Ｊ］．世界制造技术与装备市场，２００５（３）：６６－６９．
［４］张四弟．磨齿技术与装备及其发展趋势［Ｊ］．制造技术与机床，２０１１（５）：４６－４８．
作者：郭召，工程师，秦川机床工具集团股份公司研究院，７２１００９陕西省宝鸡市
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２０１６年第５０卷Ｎｏ．７。