国产典型磨齿机综述论及齿轮磨床发展趋势

国产典型磨齿机综述论及齿轮磨床发展趋势
齿轮磨床八十余年发展，已从单一产品演变到多系列、多规格，从传统机械式到采用数控技术，从氧化铝砂轮到采用CBN砂轮，使机床精度、性能和加工效率不断提高，而操作日趋简捷方便。

现已形成七个系列200余种规格齿轮磨床，按标准化分为碟形双砂轮系列（Y70）、锥形砂轮系列（Y71）、蜗杆砂轮系列（Y72）、成型砂轮系列（Y73）、大平面砂轮系列（Y74）、内齿轮砂轮系列（Y75）、摆线齿轮系列（Y76）。

中国齿轮磨床研究制造已有四十余年历史，从八十年代初至今近二十多年间发展较快，制造出七个系列60余种规格齿轮磨床。

其中1997年由秦川机床集团有限公司研制成功YK7250蜗杆砂轮磨齿机（数控八轴五联动）国际机床博览会上被有关专家誉为“具国际水平机床”，标志着中国齿轮磨床制造技术水平跨入世界先进行列。

科学技术和经济发展，齿轮加工业齿轮加工机床性能要求不断提高，反之，齿轮加工机床制造业齿轮加工又具有导向作用，形成有机联动发展。

为此，一批能适应社会科技和经济发展节拍新产品应运而生；反之，则被淘汰。

这齿轮磨床制造业中尤为突出。

像瑞士马格公司（Magg）七十余年来一直以其生产碟形双砂轮磨齿机国际市场独显风采，作为磨齿机中最高精度代表产品，采用展成磨削原理，及其它技术措施，可磨削出三级以上精度齿轮。

，马格磨齿机亦有不足之处，主：效率低展成磨削为点接触加上碟形砂轮自身强度、刚度限制，不能作深切或强力磨削；生产成本高所需特殊附件多，如缺口分度板齿数须和工件齿数相匹配，工作基圆要与滚圆盘直径一致等，工作种类愈多，所需附件愈多。

为此，这家世界闻名、历史悠久公司，于八十年代末被瑞士奥立康公司（Oerllkon）兼并。

国内曾研制出Y7032A、Y7063A、Y7160等碟形双砂轮磨齿机，其中原秦川机床厂制造Y7032A，其主要性能均达到马格公司同类产品SD-32-X碟形双砂轮磨齿机水平，荣获国家科技进步一等奖。

，高效蜗杆砂轮磨齿机制造技术成熟应用，碟形双砂轮磨齿机市场占有率逐年缩小。

从马格公司被兼并现实，留给人们思考是两个字：“效率”。

效率是物质能量反映，是生命力象征。

为此，自七十年代末至今，国内外磨齿机发展趋势，一直以高效率、高精度为追求目标。

国内外资料介绍，提高磨齿机效率、精度、性能等方面，着重从三个方面入手：一是采用CNC技术；二是采用新型磨削材料CBN砂轮；三是采用新磨削原理，目前重点集中蜗杆砂轮和成型砂轮磨削两大类技术上。

--蜗杆砂轮磨齿机--
CNC技术发展和蜗杆砂轮及成型砂轮磨削技术日益成熟，其加工精度已经赶上原马格磨齿机水平，而生产效率远高于Magg磨齿机，已为市场和专家公认，近年来占有绝大部分市场。

其中蜗杆砂轮磨齿机生产效率又高于成型磨齿机，且技术成熟较早，市场份额就更大一些。

国际上代表当今蜗杆砂轮磨齿机制造水平首推瑞士莱斯豪尔公司（Reishaue），其代表产品有：NZA、AZA、RZ300E、RZ301S、
RZ362、RZ801、RZ820等型号蜗杆砂轮磨齿机。

其他制造厂商主要有：美国格里森公司TAG400、匈牙利Cepel公司FKP-362-10、PCG326-10PLC等，日本Kashifuji 公司KF200、OKMOTO公司SHG400，中国秦川公司YE7232、YK7232、YK7250等型号产品及上海机床厂YKA7232。

精度。

通常大批量齿轮加工，蜗杆砂轮磨齿工艺当为首选。

上述磨齿机性能、水平档次上有差异，价格上差异更大，莱斯豪尔公司产品价格约为其他国外厂商同类产品2~3倍，约为中国同类产品4~5倍。

能满足加工要求和保证生产效率前提下，笔者认为国内厂家应立足国内磨齿机选型。

国家专业机构检测鉴定，秦川YE7232与世界王牌瑞士莱斯豪尔AZA磨齿机主要性能、特点类似，但价格仅为其1/5~1/6（见分析表）。

秦川YE7232与世界王牌瑞士莱斯豪尔RZ301S等磨齿机主要性能，特点比较见表2。

--成型砂轮磨齿机--
成型砂轮磨齿机发展已有四十余年历史，该磨齿机关键成型砂轮修整器。

八十年代以前，修整器大都为钢带滚圆结构、四连杆机构和渐开线样板修整器，囿于磨削斜齿轮时，砂轮廓形必须随砂轮直径改变而改变，而机械式修整器很难实现随机变化。

八十年代初，德国Kapp公司研制出VAG和VAS系列电镀立方氮化硼成型砂轮磨齿机，砂轮预先制成必要形状，直径几乎没有变化，避免磨削斜齿轮时出现困难。

这种砂轮万能性差，制作价格昂贵，故没有到普及推广。

比较理想是采用数控砂轮修整器，磨削斜齿轮时，修整器运动轨迹可随砂轮直径变化而变化。

八十年代以来，很多厂商都致力于该修整器研究。

说蜗杆砂轮磨轮机不断创新同时，与之并行成型砂轮磨齿工艺日趋成熟完善，并显示出其特有重要性，其关键克服了蜗杆砂轮磨齿工艺不足。

有关专家曾评述成型砂轮磨齿机优点为：能十分方便解决齿形修缘和齿根圆角问题
蜗杆砂轮磨齿机磨削修缘齿形时必须配备专用金刚石滚轮，生产成本较高。

此外用同一修缘滚轮，当砂轮直径不同时，砂轮实际修缘量是变化，被磨齿轮齿形修缘量也会跟着变化。

模数越大，这个问题越明显。

数控成型砂轮磨齿机磨修缘齿轮时，只需将修缘量和齿廓形状数控系统操作面板输入系统，必要时可随时修改，十分方便。

成型磨齿理论上对工件模数没有限制，而蜗杆砂轮磨齿机工件模数有很大局限性
理论上蜗杆砂轮磨齿机砂轮应该修成一个渐开线蜗杆。

而目前采用修整方法，只能到“K”型蜗杆，当螺旋升角很小时，这两者之间差别不大；，当螺旋升角加大时，两者之间误差会明显增大。

AZA和RZ301S等蜗杆砂轮磨齿机最大模数只能到6mm。

RZ801型磨齿机最大模数为7mm或8mm，只能机下修形，必须另配修整器，很不经济。

采用大颗粒金刚石车修砂轮，可以获正确渐开线蜗杆，但这种大颗粒金刚石价格十分昂贵，这种修整方法已经不再采用。

将一个平面金刚滚轮置于砂轮假想蜗杆基田圆柱切平面内，理论上可以修出渐开线蜗杆，但砂轮直径是不断变化，金刚滚轮位置必须跟着不断调整，实际上也很难实现。

当工件齿数较少、齿宽较大时，如油泵齿轮，成型磨效率高于蜗杆砂轮磨
数控成型砂轮磨齿机具有其他各种磨齿机无法比拟万能性
配备相应软件后，可以方便加工各种特殊齿形，如摆线齿、花键等，调整方便，操作简便。

成型砂轮磨齿机工件齿数较多时，生产效率低于蜗杆砂轮磨齿机，却又大大高于锥面砂轮磨齿机
国际上代表当今成型砂轮磨齿机制造水平首推瑞士Oerlilion-Maag公司，其代表产品为Opal4200、Opal800、Opal1200型CMC磨齿机，磨削精度最高可达DIN2级。

其他制造商有：意大利Samputensili公司R1-370, 德国Kapp公司VAS55、VAS432、VUS530、VUS531，日本唐津公司FGS-30N及原德国Niles公司双砂轮成型磨齿机。

中国秦川早期制造成型砂轮磨齿机有YS7332、YS7363、
Y73100，近年内制造出有YK7332、YK73100以及内齿轮成型磨齿机Y7550、YK75100等。

中国研制成型磨齿机，其技术水平暂低于国外先进水平，但几种控成型砂轮磨齿机相当于国际九十年代初期水平，且从适用性、性能价格方面，仍不失为国内齿轮制造行业首选产品。

国内成型砂轮磨齿机主要性能见表3。

但因固有技术不足而应用范围很小。

数控技术应用，成型磨齿九十年代初期以来已经相当成熟，与蜗杆砂轮磨齿技术一样愈来愈受到重视，并被人们接受、应用推广，而形成齿轮磨床研究发展趋势，作为国内齿轮磨床制造业，亦应从中引起重视和深思。

--锥形砂轮磨齿机--
以万能性好而著称锥面砂轮磨齿机，国外制造厂家水平较高为德国Niles 公司（现为Kapp公司兼并）和Hofler公司，以及Kolb公司，其机床加工精度一般稳定DIN4级，个别型号可达DIN3级。

Niles公司代表产品有：ZSTZ10/LPC、ZTZ06EG-CNC、ZTZ08EG-CNC、ZST10EG-CNC磨齿机；Hofler公司代表产品有：H300、H630E、H803E、H1003、H1253、H1603、H2000、H4000磨齿机；Kolb公司代表产品有：KZ1、KZ2磨齿机等。

国内八十年代中期之前，主要研制生产锥面砂轮磨齿机。

制造商代表为：上海机床厂和秦川机床集团有限公司，曾先后生产数千台锥面砂轮磨齿机，主要型号有：Y7163、Y7150、Y7132、Y7132A、Y7132B、Y7132D、Ym7132A、Y7163A、YK7163、Y7180等。

其中秦川公司Ym7132A、Y7163A、YK7163、Y7180等机床性能与德国同类产品性能接近，达八十年代末国际先进水平，加工精度稳定4级。

同时，机床价格远低于进口机床，以其良好性能价格比，赢国内大部分市场。

大齿轮齿向误差在机测量技术
作者：沈阳工业大学李文龙金嘉琦赵文珍
摘要：从大齿轮及其齿向测量的特殊性入手，分析了大齿轮齿向在机测量的关键问题；创新提出了利用高精度水平仪调整仪器测量基准的方法和对测量数据进行系统误差补偿的思想；研究了大齿轮齿向在机测量技术和方法。

关键词：大齿轮；齿向误差；在机测量
1引言
大齿轮(尤其是超大型齿轮)的齿向精度测量可谓是测量领域的一大难题，这是由大齿轮结构尺度大、重量大等特殊性决定的。

台式量仪的结构整体性限制其不可能测量过大直径的齿轮，上置式量仪由于其定位过于粗糙而很难实现较高精度的测量。

人们自然地把目光转向了旁置式量仪并投入了大量人力、物力来研究大齿轮齿向误差的在机测量上［3，5］。

针对被测大齿轮的可搬动性差和重复定位精度低的情况，测量仪器结构小其定位调整方便、灵活的特点便显得尤为突出。

应当指出，国内外大齿轮(尤其是直径 2.5m以上的大型齿轮)齿向测量技术目前仍比较薄弱［2］。

本文旨在探求操作方便，并可实现高精度的大齿轮齿向误差在机测量的原理和技术。

2大齿轮齿向在机测量关键问题分析
大齿轮齿向误差在机测量仪器的结构应做得比较小，易操作，而如何保证测量的高精度，则为该领域的主要问题。

具体可包括以下几个方面：
(1)大齿轮齿向测量的基准是齿轮的回转中心，即机床工作台的回转中心。

在齿向测量中，齿向测量导轨的形状误差(直线度)和相对于齿轮回转中心的位置误差对测量精度的影响甚大，尤其是在齿轮的切线方向上的误差几乎1∶1复映于测量数据中［2］。

消除此项因素的影响是提高齿向测量精度的首要关键问题。

(2)以展成圆柱极坐标法在机测量大型斜齿轮齿向误差时，要求有较高精度的角度信号(齿轮精度标准［1］规定的齿向误差是在分度圆上以线值计算的，对于同一分度装置的分度误差，随着被测齿轮直径的增大，上述线值误差也相应增大，致使测量精度下降)，提高被测齿轮转角信号的采样精度成为大型斜齿轮齿向在机测量的另一关键问题。

本文将从上述问题出发，对大齿轮齿向误差展成圆柱极坐标法在机测量技术进行研究和探讨。

大齿轮齿向在机测量原理采用展成圆柱极坐标原理，如图1所示，计算机实时采样被测齿轮转角信号，根据内部的理论计算公式控制伺服电机驱动位于被测齿轮节圆上的测头沿着齿轮轴向移动(直线运动)。

与此同时，计算机采样转角(圆光栅)、齿向位移(齿向测量光栅)、测头(传感器)三路信号，计算机通过内部的数据处理与计算，即可获得被测齿轮的齿
向误差。

图1齿向在机测量原理
对上述关键问题具体作以下考虑：
(1)在机测量大齿轮齿向误差时，要保证齿向测量基准为被测齿轮的回转中心线，包括齿向测量导轨的直线度和其相对于被测齿轮回转中心线的平行度两项精度。

可作两种考虑：
本文所述方案的具体操作是：齿向测量导轨的直线度精度通过制造来保证，其位置精度(齿向测量导轨相对于被测齿轮回转中心线的平行度)的保证方法：先通过调整来保证在一定范围，然后测出测量导轨相对于齿轮回转中心的两向(被测齿轮的切向和径向)平行度误差数据(见图2)，并以此对所测数据进行相应补偿而最终得到齿向误差数据。

在调整和测量时，本文采用高精度电子水平仪(借助铅垂线)做媒介工具，调整和测量精度仅由高精度水平仪精度决定。

图2齿向测量导轨位置误差
(2)为提高转角信号的采样精度，在被测齿轮径向安装直径比大的一对摩擦盘分度机构(其中的电气角度元件的精度和分辨率可以不很高)。

安装比较方便，摩擦盘可以加工得精度很高，易于实现高分度精度。

图3为其分度机构原理图。

图3分度机构原理
3 大齿轮齿向在机测量补偿原理
(1)仪器安装、调整误差的补偿思想和补偿模型
仪器的安装、调整误差主要指齿向测量导轨与被测齿轮回转中心的平行度误差，该项误差对测量精度影响很大，其包括切向误差χwt和径向误差χwr(以倾斜角度表示)，如图2所示。

则其引起的测量误差分别为：
Δβwr＝Lφsinχwrtanα（1）
Δβwt≈Lφsinχwt（2）
例如：对于直径为4000mm，模数为20mm，齿宽为600mm的齿轮，如取χwt＝χwr＝10″，max（Lφ）＝600mm时，则Δwt＝29μm，Δwt＝11μm，这样的测量误差是不能接受的(其6级齿向公差仅为28μm)。

式(1)、(2)即成为补偿的数学模型。

(2)测头移动对应被测齿轮转角的跟随误差的补偿思想和补偿模型
轨迹法在测量大型斜齿轮齿向时，根据测量原理，对应于被测齿轮的螺旋角，测头沿被测齿轮轴向的位移与被测齿轮的转角应满足一定的关系。

由于大齿轮转动的不可控性，测头应实时跟随齿轮的转动，此跟随误差将对齿向误差的测量精度带来很大影响，且被测齿轮的螺旋角越大，该项因素对测量精度的影响就越大。

设测头的跟随误差为ΔS，则由此带来的测量误差为：
Δβg＝±ΔStanβ（3）
这里仍以直径为φ4000mm，模数为20mm，齿宽为600mm的齿轮为例，取ΔS＝0．1mm，则：当β＝16°时，Δβg＝28μm；当β＝45°时，Δβg＝100μm。

如此大的误差必须进行补偿。

从式(3)看出，计算出对应各采样数据的ΔS值，此项误差的补偿是不难实现的。

从上述的补偿思想出发，对实测的数据进行补偿处理，可有效提高测量精度。

需要指出的是，上面的补偿方法仍然是近似的，其中忽略了被测齿面不同点的高次误差成分(相对很小)。

4大齿轮齿向在机测量误差分析
在补偿基础上探讨大齿轮齿向在机测量误差。

(1)齿向测量导轨几何误差对测量精度的影响
包括沿被测齿轮切向的直线度误差χjt和沿被测齿轮径向的直线度误差χjr，则
Δβjt＝χjt（4）
Δβjr＝χjrtanα（5）
(2)电气线路误差Δβd
(3)关于几何偏心对齿向误差在机测量的影响
在机测量斜齿轮齿向时，测不出几何偏心引起的误差成分，忽略之将引起测量误差。

几何偏心引起的啮合线误差为：
ΔT＝±esin（φ±α）（6）
式中e——几何偏心幅值
α——齿形角
φ——齿轮转角(符号+指左齿面，-指右齿面)
于是由几何偏心引起的齿向误差(只研究左齿面)为：
Δβpx＝esin（φ＋α＋Ψ）－esin（φ＋α）
＝2ecos（φ＋α＋Ψ／2）sin（Ψ／2）(7)
式中Ψ——齿面分圆螺旋线所夹的展开角
于是：
(4)机床工作台主轴回转误差对测量精度的影响
设机床工作台主轴回转误差分为径向分量ωr和切向分量ωt，则
Δβht＝ωt（9）
Δβhr＝ωrtanα（10）
测量总误差为：
例如：以齿数Z＝200，模数m＝20，压力角α＝20°，齿根圆螺旋角β＝45°的大齿轮为例，设上述误差因素分别为：χjt＝χjr＝0．006mm，ωr＝ωt＝0．006mm，Δβd＝0．002mm，e＝0．02mm，则Δβz≈9μm。

5结论
(1)在机测量大齿轮齿向误差具有操作方便可行的优点，在解决了其中的关键技术问题之后，可实现大齿轮齿向误差的测量高精度。

(2)高精度水平仪的运用，使得测量过程中的相应操作方便、简单，且保证高精度。

(3)发挥计算机的数据处理能力，将测量中存在的系统误差对应于实际测量数据进行补偿，在保证了测量精度的基础上，使测量操作更方便。

参考文献：
［1］GB10095-88渐开线圆柱齿轮标准
［2］李文龙.大齿轮在机测量关键技术分析，工具技术，1997(11)
［3］［日］导筒博章等，大型齿轮测量技术现状，国外机械加工技术，1987(2)
［4］李文龙等，滚齿加工偏心误差的矢量分析及机床工作台回转误差，沈阳工业大学学报，1997
［5］贾振元.大型齿轮就地测量技术的研究，大连理工大学博士论文，1990(end)。