齿轮加工技术的发展趋势.ppt

圆柱齿轮加工技术及装备的发展现状及方向,重庆大学机械学院2009.12,主讲人：张济生教授,说明,齿轮传动元部件包含的内容很广泛，有圆柱齿轮、锥齿轮、螺旋及准双曲面齿轮等。以下的研讨仅涉及圆柱齿轮部分制造及装备技术发展现状及方向有关的问题。,齿轮在机电产品中的重要地位,不论汽车、摩托车、飞机、轮船、坦克、发动机、航天器、钢铁采矿设备等机电设备，齿轮被广泛获得应用，齿轮技术上也在不断发展。,从将来的发展来看，齿轮会被淘汰吗？,有一种观点认为，随着机电一体化技术和电力电子技术的进步，电机直接驱动将会逐渐甚至全部替代齿轮的地位。这种观点显然是片面的。电机驱动任何机械运动时，必须满足该机械要求的大小不同的驱动力矩（从零点零几Nm到几万Nm）。在通常情况下，虽然转速极高的电动机或发动机能够为设备提供足够大的动力（功率），但它们难以提供足够大的力矩。而齿轮传动利用齿轮减速加速功能，通过改变传动比，可以方便将电机的输出力矩转换成该机械装置所要求的任何力矩。齿轮传动也是实现改变,不同旋转方向的基本措施。另外，电力直接驱动的成本很高，即使某些情况下技术上可以替代齿轮，但从成本来看多数也是难以接受的。可以预料：,重物,实例：卷扬机电机通过齿轮减速器，增大了滚筒的输出力矩，从而使钢丝绳吊起数吨至数十吨重物,将来齿轮传动的应用范围可能有所减少，但在多数传统领域（如车辆等）百年之内将会继续得到发展！,风电齿轮箱制造产业是齿轮装备发展的一个增长极,风力发电机需要大功率升速传动将叶轮的低速升高至发动机要求的高速，主要依靠齿轮传动解决问题,齿轮产品及归属的行业,齿轮产品主要分为车辆齿轮和工业齿轮两大类。工业齿轮又分为工业通用齿轮和工业专用齿轮两大类。不同类的齿轮服务于不同的工业产品和相应的行业，参看下表：,据中国齿轮专业协会(CGMA)统计，2004年中国齿轮全行业的产品构成为：车辆齿轮传动产品占60%，工业齿轮由工业通用、专用、特种齿轮构成，其市场份额分别为18%、12%、8%；而齿轮装备占2%。在整个齿轮行业中，中国车辆齿轮与工业齿轮所占的比例与欧、美、日本的情况是一致的。目前，汽车手动变速箱(含重、中、轻、微、轿)、工程机械换挡变速箱、大/中型农机变速传动的配套、摩托车齿轮已经基本立足国内生产，基本满足了主机厂的配套需要，已经有部分齿轮件或变速箱出口，但在汽车自动变速箱方面，目前仍由进口产品控制。在车辆驱动桥、主被动螺旋锥齿轮、直齿锥齿轮及轮边减速机方面，大部分能满足国内配套需要。,齿轮产品构成比车辆齿轮占60,齿轮产品市场情况,中国齿轮工业在“十五”期间得到了快速发展：2007年1-12月，中国全部齿轮、传动和驱动部件制造企业实现累计工业总产值1365.4亿元，比上年同期增长30.96；2008年1-10月，中国全部齿轮、传动和驱动部件制造企业实现累计工业总产值1445.2亿元，比上年同期增长32.92。已成为中国机械基础件中规模最大的行业。就市场需求与生产规模而言，中国齿轮行业在全球排名已超过意大利，居世界第四位。从生产区域来看，华东地区齿轮业发展最快，2007年其产量占到全国总量的52.8%。华东地区齿轮企业相对比较集中，尤其是江浙两省，民营企业数量较多。其他地区依次为：华北地区占19.1%，西南占8.7%，华中占8.1%，西北占6.7%，东北为4.7%。中国齿轮制造业与发达国家相比还存在自主创新能力不足、新品开发慢、市场竞争无序、企业管理薄弱、信息化程度低、从业人员综合素质有待提高等问题。现阶段齿轮行业应通过市场竞争与整合，提高行业集中度，形成一批拥有几十亿元、5亿元、1亿元资产的大、中、小规模企业；“十一五”末期，中国齿轮制造业年销售额预计可达到1300亿元，人均销售额上升到65万元/年，在世界行业排名中达到世界第二。2006-2010年将新增设备约10万台，即每年用于新增设备投资约60亿元，新购机床2万台，每台平均单价30万元。到2010年，中国齿轮制造业应有各类机床总数约40万台，其中数控机床10万台，数控化率25（高于机械制造全行业平均值17%）。（取材自2009年中国齿轮市场研究报告和2009-2012年中国齿轮行业投资分析及前景预测报告）,由于工艺技术和齿轮制造装备的发展，使得许多过去难以实现的设计要求现在却变得轻而易举;反过来它又推动了机械传动结构的飞速发展。在传动系统设计中，电子控制、液压传动，齿轮、带链的混合传动，将成为变速箱设计中优化传动组合的方向。例如，具有燃油消耗低、安全、舒适等优点的汽车自动变速箱，将成为现有轿车手动变速箱的换代产品；输入转矩700-2000Nm的客车传动全自动变速箱，因其换档轻便、安全、舒适、重量轻、噪声小、与发动机匹配好等优点，将是今后豪华客车的主要传动配套产品。,世界各主要工业国，都把推广自动变速箱，改进性能，降低其制造成木作为重点。我国汽车齿轮和变速箱行业在制造一般汽车齿轮变速箱没有困难，汽车自动变速箱产品配套则大部分需要依靠进口。,两款奔驰汽车变速器,自动变速器,我国制齿装备尚不能较好解决自动变速器等若干特殊齿轮加工的要求,齿轮加工的难题之一内斜齿轮的精密加工,国际上，动力传动齿轮装置技术主要沿着小型化、高速化方向发展；齿轮箱产品朝着系列化、标准化、模块化方向发展。技术上各国普遍采用的措施：普遍采用硬齿面技术，提高齿轮强度和耐磨性；应用以圆弧齿轮等为代表的特殊齿形替代渐开线齿形（如英法合作研制的舰载直升飞机主传动系统），提高承载能力，由于工艺困难而未得到推广；在大型船舶、冶金、矿山、水泥一轧机等大型传动装置中，行星齿轮传动以其体积小、同轴性好、效率高的优点而应用愈来愈多；提高齿轮的工作参数，如高速齿轮的传递功率达到1000-30000kw，齿轮圆周速度达到20200ms，传递扭炬达l00200t.m，要求使用寿命在2030年以上，有些齿轮的精度等级要求达到36级；由于对高速齿轮平稳性与噪声有较高的要求，广泛采用齿轮齿面修形。特别对于圆周速度超过100ms（如透平齿轮等）的高速齿轮，由于运转中的发热和弹性力效应要求在设计始对产生的热变形和齿面的弹性变形进行齿形修正。（主要取材自2006-05-19中国机械资讯网）随着国内外市场竞争的加剧，在保证产品质量前提下如何进一步降低齿轮制造成本，成为齿轮制造技术发展的核心议题！,齿轮传动装置技术的发展趋势小型化、高速化,齿轮制造中两类典型的工艺路线,1、欧美路线（齿轮精度高，制造成本高）滚齿（插齿、锻齿）热处理磨齿；2、日本路线（齿轮精度满足需要，成本低）滚齿（插齿、锻齿）剃齿热处理；3、为了降低齿轮制造成本，中国基本采用日本路线,由于热处理引起齿部的变形，一般要降低齿轮精度12级，为了使热处理后的齿轮精度保持在7级左右，需要通过剃齿工艺，将滚齿后的精度提高后，再经热处理，达到齿轮所需的精度。,汽车齿轮加工最常用的工艺方法及其特点（1）滚齿（插齿、锻齿）剃齿热处理（珩齿）。特点：加工效率高、加工成本低，适合轿车及微型车齿轮加工；（精度78级）（2）滚（插齿）剃齿热处理。特点：加工效率高、加工成本低，适合于一般中重型汽车齿轮加工；（精度78级）（3）滚（插齿）热处理磨齿。特点：加工精度高、加工效率较低、加工成本较高，适合于高速齿轮、大型客车、高档重型汽车齿轮的加工。（精度67级）,（取材自现代零部件2009年第1期廖绍华文章：“汽车齿轮加工技术和典型装备”）,根据齿轮生产厂家的介绍，在齿轮精度项目中，周节和齿向误差较容易控制，而齿形误差最不容易控制，而齿形误差对齿轮箱的噪声影响很大，如何经济方便解决齿轮修形，提高齿形精度，是齿轮制造中需要解决的一项重要问题。,齿轮热处理后，精度将降低1级甚至2级。热处理变形的主要类型有内孔畸变、齿廓变形、齿向扭转、轴向弯曲和端而挠曲等。其主要变形原因是齿轮急剧冷却时产生的热应力和马氏体相变时的相变应力造成的。由于淬火后齿轮零件要发生变形，为了保证齿轮精度满足图纸要求，需要通过齿部的精整加工提高其精度。淬火前齿部精整加工的方法主要有剃齿和挤齿，剃齿方法使用最为普遍。,齿轮热处理后的变形是影响齿轮精度最重要的因素,日本汽车为了降低成本，放弃了磨齿工艺，为了减小热处理后的变形，采取以下措施：1、与钢厂签订协议，严格控制齿轮钢材料成分；2、采用选用可控气氛一类先进热处理炉等措施，严格控制热处理工艺；,3、通过大量工艺实践，积累收集齿轮变形数据，修改剃齿刀齿形，进行变形补偿。,剃齿是利用斜齿轮啮合齿面会产生相对滑动的原理，在与被加工齿轮啮合运转过程中，剃齿刀齿面上众多的切削刃将从被切齿轮齿面上切下极薄金属层，剃齿后齿轮精度一般可达6、7级，Ra为0.80.4m。剃齿生产率高，加工一个中等尺寸的齿轮一般只需24min，与磨齿相比较，可提高生产率10倍以上。刀具寿命长。为了提高生产率，开发了多种剃齿工艺，如切向剃齿、径向剃齿、对角剃齿等。,剃齿是目前我国使用最普遍的齿轮精加工工艺,剃齿刀,几种剃齿方法的比较,70年代初，继纵向、对角和切向剃齿法之后,西德的CarlHurth公司又研制出径向剃齿法。径向剃齿取消了纵向走刀运动使加工时间成倍缩短。为了扩大齿长方向的接触范围和克服剃齿中凹问题,需要沿齿向和齿高两个方向进行修形，将剃齿刀的接触线从直线修成反鼓形，径向剃齿刀的制造变得复杂和困难。径向剃齿法的优点简单归纳如下：1、提高生产率可提高约1倍。2、提高齿面光洁度被剃齿轮齿面粗糙度比以往剃齿法降低一半左右。3、提高了剃齿刀寿命为了适应径向剃齿要求提高机床刚度，如今已经有一些径向剃齿机和径向剃齿刀产品问世。但由于径向剃齿刀制造不易，而且只适合特定模数和齿数的齿轮，目前使用不多。,推广径向剃齿法是剃齿工艺的主要发展趋势,图5齿部齿形中凹现象及修缘,剃齿后齿面出现中凹和齿轮修缘的需要，必须对剃齿刀进行修形,剃齿刀与齿轮啮合的重叠系数在12之间，当轮齿刚进入和脱出啮合期间属于两齿同时啮合，齿面接触压力较小；当轮齿转到中间附近时，只有一齿啮合，齿面接触压力增大，从而造成齿面中部金属被多剃除一些，出现齿面中凹现象。,由于滚刀、机床调整、热处理等引起的齿形误差，有些也可用剃齿刀修形（反变形技术）克服,加工出高精度齿轮的方法是一个不断试验修改的过程,标准渐开线齿形的剃齿刀，剃出来的齿轮齿形会发生“中凹现象”，为了剃削出符合图纸规定齿形的齿轮，要求磨出中凹齿形的剃齿刀，为此要对磨削剃齿刀的大平面磨齿机砂轮进行精密修形。为了剃削出合格的齿轮，应配套提供经过修形的剃前滚刀。而不论剃齿刀和滚刀齿的修形是一个不断试验修改的过程。,图5齿部齿形中凹现象及修缘,从保证产品质量的角度，除滚齿机、剃齿机和配套刀具应具有必要精度外，从技术和装备保证上能否对剃齿刀和剃前滚刀刀齿实现快速精确修形？也是制约齿轮加工上水平的重要因素。,剃出高精度齿轮的方法是一个不断试验修改的过程确定剃齿刀磨床合理砂轮修形曲线包含两类迭代试验过程,硬齿面主要精加工方法,1、硬齿面精滚（刮滚）2、硬齿面剃齿、车齿（刮剃、刮车）3、珩齿（外珩齿、内珩齿）4、研齿、跑合5、展成磨齿6、成形磨齿,精加工后的齿轮，因为热处理而是其精度降低12级。因此，为了保证齿轮产品质量常常需要增加硬齿面精加工工序。硬齿面精加工主要的加工方法如下：,通常齿面硬度在HBS300350的称为中硬齿面，齿面硬度大于HBS350的则称为硬齿面。中硬齿面及硬齿面的预加工大多采用硬质合金滚刀（硬质合金插齿刀）进行精加工。采用硬质合金滚刀刮削加工的方法是近年来齿轮制造业的技术进步和重大的技术革新。精度可达78级，齿面粗糙度Ra6.31.25m。齿面刮削技术主要用于较高精度硬齿面齿轮的精滚（插）齿和高精度硬齿面齿轮齿形的磨削前半精滚（插）齿。,关于硬齿面刮滚工艺,1、刮滚工艺对滚齿机的要求：机床的结构刚度要高；机床传动链的间隙要小，特别对工作台的分度蜗杆副的间隙要严格控制，否则可能引起振动和滚刀刀齿崩刃。2、对硬质合金刮削滚刀的要求：滚刀制成直槽前角，刀片多为YT05硬质合金，采用真空炉焊接，制造精度要求较高。精度分A、AA两种。3、常用切削用量如下表：,硬齿面刮滚工艺（含硬质合金插齿刀插削中硬齿轮）的精度达78级，齿形精度不高；齿轮的模数、尺寸和热处理变形量越大采用硬齿面滚齿的效果也越好,目前总体应用较少。,珩齿加工是应用齿轮形珩磨轮与被珩齿轮作自由啮合传动，相当于一对交错轴斜齿轮传动，利用其齿面间的相对滑动速度和压力来进行珩削的一种齿面精加工方法。一般用于淬硬齿轮的最终加工。珩磨轮的基本材料有两种，一种为具有一定弹性的合成树脂，其上均匀密布着锐利的磨料颗粒；另一种为电镀CBN在金属珩轮机体上。传统上认为珩齿主要用于提高齿面光洁度，本世纪以来，瑞士、德国采用高精度齿轮式金刚石修整轮对珩磨轮进行修形的技术，使珩齿精度明显提高。例如大连机床厂齿轮分厂用于珩磨C620床头箱齿轮，齿形、齿向、基节精度都显著提高，床头箱整体噪声比不珩齿下降35dB。,珩轮,珩齿工艺的原理与发展,齿轮形珩轮,两种珩削的齿面加工方法。1）外齿珩轮珩齿法：普通软面珩轮耐用度低、仅能少许改善齿面质量，仅用于清除淬火黑皮。硬面珩轮不仅能光整，而且还有纠正齿轮齿形误差、基节误差、齿向误差，并将齿轮精度提高1级以上。近年来德国Harth公司发展出一种CNC同步外啮合珩齿机，这种机床原理实质上为采用齿轮状CBN涂层刀具，类似于剃齿时交叉轴空间啮合进行切削。2）内齿珩轮珩齿法：1979年瑞士Fassler公司开发推出了内齿珩轮珩齿机床，由于内齿珩轮和工件有更大重叠系数，修正能力比外齿珩轮要强，但这种随动啮合在修正工件齿形和齿距误差上并不理想。近年来，美国Gleason-Hurth公司又开发出强力内齿珩，最大特点是利用CNC数控轴控制实现内齿珩轮和被珩齿轮间的强制传动，不仅能提高齿形、齿向精度，而且能大大提高工件的齿距精度，对降低齿轮的噪声非常有效，珩后齿轮精度可达6级，而加工成本却只有磨齿的一半。,蜗杆珩轮,内珩轮,珩齿技术的发展：外齿珩内齿珩；自由珩同步珩（数控）,先进珩齿机的代表“球面珩齿”全数控的珩齿机,本内珩齿机床由GleasonHurth公司推出。工件、珩轮2回转数控坐标C1、C2，通过电子齿轮箱可实现联动；另有X、Y、Z、A四坐标数控，使各种珩齿运动循环实现自动化。金刚修整轮对内珩磨轮进行修形，以提高珩磨齿轮的精度。,齿廓修形的必要性,由于齿轮制造误差、受力和受热变形等因素的影响，当轮齿进入啮合和脱离啮合的瞬间，两啮合副不会是预期的两曲面的平滑接触，而常常发生齿的尖端与另一齿的根部接触，从而产生极大的冲击和噪声，污染了环境并降低齿轮的寿命。对于高速齿轮，这一问题特别严重。克服齿轮传动冲击的主要措施是对齿轮轮廓进行修形。其中包括修缘与修根。,齿向修形的必要性,由于齿轮的齿向等误差和受力下齿轮轴变形等因素的影响，使齿面的接触发生偏载。齿面接触集中在很小的面积上，除产生噪声外，还将引起齿轮寿命的降低。解决的主要措施之一是齿向修形，修成鼓形齿的形状后，齿面接触分布集中的情况将大为改善。,正常啮合的齿面接触痕迹，有分布均匀的接触区,由于偏载引起齿面接触痕迹偏向一方，产生噪声和将引起齿面过早破坏。,HS高速齿轮箱的齿轮修形,南京给尔传动设备有限公司,齿轮研磨与跑合技术发展,1、传统齿轮研磨与跑合主要用于提高齿面光洁度、去毛刺、降低噪声，对改善齿轮精度的作用不大；在弧齿锥齿轮、准双曲面齿轮制造中是不可缺少的工序，圆柱齿轮中应用较少；2、为了提高研磨、跑合效果，去除金属可选择磨料研磨、电火花跑合等方式；为了增加齿面相对运动，可选择齿轮中心距周期摆动、由超声波换能器产生的高频振动等方式及其它们的组合；3、研究齿轮对研过程中改善齿轮精度和降低噪声方面的进展：形成鼓形齿机理、改善齿形误差机理。,硬齿面以对研代磨之例,郑州纺织机械股份有限公司设计制造了一种凸轮摇摆机构研磨修形机床，用于修复噪声超标的减速机和制造新减速机，将研齿代替磨齿列入正式工序，取得很佳效果，研磨一对齿轮仅几分钟得到鼓形齿，磨削一对齿轮要数十分钟，提高工效数十倍，提高了啮合精度和传动平稳性。,1、变频调速电机将动力经主动小齿轮传给从动大齿轮，大齿轮轴上通过尼龙阻尼轮加载，在大小轮齿面上产生研磨压力；2、采用电火花跑合磨料研磨相结合的方式去除金属；3、通过中心距小幅周期运动实现齿顶、齿根修形；通过大轮箱小幅摆动修齿向,齿轮轴受力变形而导致齿轮啮合不良将引起强烈噪声。经对研成鼓形齿后会明显得到改善。,齿轮光整加工新工艺动态力互研法,1.床身2.偏心装置3.立柱4.滑鞍5.上电机6.弹簧7.飞轮8.龙门架9.工件(齿轮)10.心轴11.纵向工作台12.横向工作台,在研齿过程中,两互研齿轮精度同时得到提高主要有2种机制在起作用,即动态研磨和误差均化。它是利用计算机控制,使2个齿轮按理论传动比运转,无所谓主动轮与被动轮之分,不施加额定载荷,而是依靠齿轮本身误差产生的动态力来达到研磨目的。齿轮误差大的地方齿面动态啮合力就大,齿面研磨量也就大;研齿时,要周期性改变互研齿轮的中心距使互研齿轮在齿廓上充分研磨。此时误差均化作用将在互研齿轮的齿面上发生,在降低齿面粗糙度的同时,对齿形误差、齿距偏差等均有不同程度的均化。使齿轮精度稳定达到65级,齿面粗糙度可达Ra0.4微米。,从动齿轮左右摆动以改变中心距离,1、主动轮（铜制精确齿轮），2、喷液嘴，3、从动轮（被加工齿轮），4、供液管，5、泵，6、混粉乳液，7、9、精密尼龙中间齿轮，8、回液管，10、电脉冲电源,电火花加工硬齿面工艺,采用普通线切割机脉冲电源，在铜标准齿轮（作为电极1）和被加工齿轮（作为电极2）齿面之间保持适当放电间隙，通过电火花放电去除多余金属以提高齿轮精度。,圆柱齿轮电化学鼓形修整的研究,修整后的齿形,齿轮浸泡的以磷酸为主的酸性电解液中，通以24V直流电。,采用了专门设计、制造的齿轮电化学鼓形修整设备如图。通过电化学方式，齿轮无加工变形及残余应力,并能去除飞边及毛刺等,在对齿轮进行修形加工的同时,还对齿轮进行了电化学抛光设备。简单，成本低，存在排污问题。,制造技术与机床2000年第1期,智能控制的电化学齿轮修形新工艺研究,提出了一种基于实时控制的电化学齿轮修形的新方法,作者设计并制作了电化学齿轮修形的加工装置,利用人工神经网络的方法在已知修形量及修形区域的情况下求取了加工施电规律.加工实例说明该方法是实用可行的。,制造技术与机床2001年第1期,超声研齿的原理是利用超声换能变幅装置高频激励，使之在一对齿轮之间产生相互切割运动。本例中小齿轮以约20kHz的频率、小到几十微米的振幅作轴向振动,取得了良好效果。如下图所示。,齿轮研磨利用超声波换能变幅装置,由于滚齿剃齿工艺加工效率高,精度尚可,在汽车变速箱行业得到广泛应用。而滚齿磨齿工艺由于成本高，效率低，主要在高精度和高速齿轮制造中得到应用和发展。近年来,随着汽车行业对齿轮精度及噪音等要求逐步提高，滚剃传统工艺已经不能充分满足需要；而随着高技术的发展应用,磨齿机的结构得到简化,加工效率提高,汽车变速箱齿轮制造工艺中滚齿磨齿工艺得到了长足的发展，有逐渐部分取代滚齿剃齿工艺的趋势。最有说服力的是日本汽车制造业的反映。以低成本打入美国汽车市场的丰田汽车公司，已经着手将滚齿剃齿工艺改成滚齿磨齿工艺的各种准备，并自行开发完成了低成本蜗杆砂轮磨齿机（价格只有西方名牌产品的一半）。,成形磨齿机和蜗杆砂轮磨齿机已成为齿轮精加工设备的主流产品,齿轮精加工工艺的发展趋势,滚齿剃齿,滚齿磨齿,图15单片锥形砂轮磨齿原理,两种展成磨削方式,蜗杆砂轮磨齿法展成运动与分齿运动合一，生产率高适合大批量生产,锥形砂轮；单、双蝶形砂轮磨齿法将砂轮修成假想齿条形状，展成运动与分齿运动分开，生产率低，精度高，适合小批量生产。,成形砂轮磨削外齿轮,成形砂轮磨削内齿轮,CBN成形磨轮,砂轮修整器,成形磨齿的两类砂轮,蜗杆砂轮磨齿与滚齿一样使展成运动和分齿运动合二而一，生产率高,且有较好的万能性,调整方便。麻烦之一是磨削修形齿形比较困难,需要特制的金刚滚轮或复杂的砂轮修整系统，费用较高,对于不同修形量的齿轮所用金刚滚轮也不一样,只有在生产批量很大时才是合算的；第二个问题是不适用于大模数齿轮,一般只能在8模数以下。瑞士Reishauer(莱斯豪尔)公司自从1945年开发出ZA型磨齿机以来,一直在蜗杆砂轮磨齿机领域一统天下。2003年开发出新概念RZ150蜗杆砂轮磨齿机，特定是增加了复合工件主轴带有C轴驱动,不停机实现砂轮自动对刀，工件在线测量，多头蜗杆砂轮自动修整和磨削功能,可配备自动上/下料装置,实现全自动高效磨削。,蜗杆砂轮磨齿机是使用最广泛的高效磨齿机,YK7232数控蜗杆砂轮磨齿机的分齿传动链和差动传动链采用锁相伺服传动系统代替了齿轮传动装置，提高了机床的加工精度，减少了齿面波纹度。砂轮修正采用金刚石成形滚轮。具有齿向修形机构，可磨削鼓形齿轮，金刚石滚轮加以修整可磨削齿形修形齿轮。具有手动和自动磨削循环选择，在自动磨削循环过程中，可实现工件的多次夹紧与放松，以及工件沿砂轮轴向的多次切向位移，保证了同一批工件磨削的精度和一致性。,秦川机床集团YK7232数控蜗杆砂轮磨齿机,采用了八轴五联动数控装置，机床可输入的磨削参数进行自动的磨削和修形循环，磨削参数的输入界面方便美观，易于操作和最大工件直径320mm最大模数6mm,蜗杆砂轮磨齿机价格高是推广的主要障碍,80年代末诸暨机床厂落实“八五”技改规划时,对以上几种蜗杆砂轮磨齿机进行使用现场调研，磨齿机价格所得结果如上。,如今的磨齿机价格国产：进口1：37（2008年秦川YK7232数控蜗杆砂轮磨齿机价格约187.8万元为）,价格比例,成形砂轮磨齿机具有很高的磨削效率,可采用CBN成形砂轮或利用砂轮修整器对砂轮修形。从而可以磨削多种修形量的修形齿轮。其问题是前者万能性较差,只适用于成批大量生产；对于后者，在磨削斜齿轮时,由于砂轮直径的变化会引起齿形的变化,将影响磨削精度。需要解决随砂轮直径改变而自动改变修形曲线的数控砂轮修整器。成形磨齿在大模数少齿数领域优于蜗杆砂轮磨齿机，在模数m=16以下领域已完全取代了碟形双砂轮磨齿机。修整器是成形砂轮磨齿机的心脏，直接影响磨齿机的精度和制造成本。,普遍认为最有前途的成形磨齿机,磨削直齿齿轮，砂轮轮廓曲线与齿轮齿形一致，并不随砂轮直径的改变而改变，砂轮修整相对较容易,磨削斜齿齿轮，接触线沿齿长分布，砂轮轮廓曲线与齿轮齿形不一致，并随砂轮直径的改变而改变，砂轮修整比较麻烦。CBN砂轮直径不变，这种场合下使用较好。,重庆大学机械传动国家重点实验室曾是中国经济成形磨齿技术研究的先行者,先后提出的经济砂轮修整方法：重大参与研究和发表论文的人员有：,圆弧曲线逼近法椭圆曲线逼近法渐开线逼近法杆机构曲线逼近法电解CBN成形砂轮磨齿工艺大平面磨齿机数控砂轮修整装置,梁锡昌、王序进、王志勇徐太荣、邓中明、严勇刘芸薇、刘丰林、亢恒（重庆工具厂刘以光等采用）邓兴奕、刘芸薇、刘丰林、亢恒（綦齿、西车厂等采用多年）张济生、郭隐彪（全国推广22套）,曲线逼近法,八十年代重庆大学在机械传动研究方面处于国内前列而被国家批准成立机械传动国家重点实验室,“齿轮制造成套技术”项目,被国家科委列入重点推广科技成果获国家教委科技进步一等奖,仅在磨齿技术方面的成果包括：,重庆大学机械传动国家重点实验室梁锡昌教授的团队，曾是中国经济成形磨齿技术研究的先行者。所提出的曲线逼近磨齿技术采用纯机械曲线逼近方法修整砂轮，存在理论系统误差精度有限，由于结构简单，成本低，八、九十年代发挥了一定作用。成果获国家二等发明奖。,渐开线逼近原理之一,梁锡昌教授修整器实物原型之一,用曲线逼近修整砂轮磨出大批特型插齿刀实物照片,成形磨齿应用实例之一,成形磨齿应用实例之二,徐太荣、邓中明等研制的基于渐开线逼近法的成形磨齿修整器,修整前齿形误差,修整后齿形误差,1、CBN磨轮的特点：磨料CBN的硬度接近于金刚石的硬度,而它的热稳定性又大大优于金刚石前者可达1500,后者仅800,因而磨料具有极其优良的磨削性能在磨削钢及合金钢时其磨耗比仅为金刚石磨料的1/31/5，是常用普通刚玉类磨轮的1/100。用CBN磨轮进行齿轮磨削不仅有很高的磨削效率,且可减少常规刚玉类磨轮易引起的齿面裂纹和烧伤等缺陷。2、解决了国营西南车辆制造厂和綦江齿轮厂引进德国ZF重型汽车变速箱中几种特殊结构齿轮加工的关键技术（齿形及齿向精度要求均在0.01毫米以内且具有微量齿形修缘及齿向鼓形或锥度要求）。,我国最早开发CBN磨轮用于成形磨齿成果之一,图1温度-硬度变化表,图3CBN砂轮成形磨削,图4CBN砂轮及主轴,邓兴奕教授成果,CBN成形磨轮磨削内齿轮实例,1、成形磨轮：采用电镀结合剂单层CBN磨轮方案。粗磨选用240CBN磨粒，精磨选用280CBN磨粒。磨轮外径55mm，宽4.5mm，孔径27mm，径向跳动小于0.02mm。磨轮机体齿形轮廓经精确计算，转化成21段光滑圆弧，由精密数控车床车出。2、磨削精度：实测齿形误差0.00250.005mm；齿向误差为0.002mm；表面粗糙度为齿轮达到GB10095885级精度的要求。,摘自重庆大学刘丰林、刘芸薇论文：“内齿轮CBN成形磨齿法”磨床与磨削1998No4,改造花键磨床用于成形磨齿,改造后的花键磨床,数控装置,数控修整器构造,数控成形磨齿砂轮修整器控制框图,侧隙可调平面包络环面蜗杆传动及加工装备,发明了平面包络环面蜗杆的近似磨削新方法。成功研制了能虚拟中心距、尺寸小、功能强的数控四轴四联动环面蜗杆磨床，从而实现用小中心距的机床加工大中心距环面蜗杆。该成果经鉴定认为“是一项有重要原创性和实用性的成果，填补了国内外空白”。,张光辉教授等成果,德国NILES-ZE800数控成型磨齿机,直径800mm，模数15mm，齿宽580mm，承重1.5吨。,现代数控成形磨齿照片,外齿轮成形磨齿,内齿轮成形磨齿,YK7332A数控成形磨齿机是320mm以下高精度、大批量以及特种齿轮磨削的磨齿设备，可适用于汽车、航空、机床等行业齿轮加工，特别适用于对齿形有修形要求及对齿根齿顶过渡部分有特殊要求的高速齿轮和多联齿轮的加工，另外还可以磨削非渐开线齿形如摆线齿轮、油泵转子、高精度花键和螺杆等。机床选用NUM1050数控系统，整机共有四个伺服轴：砂轮架进刀轴X、砂轮架走刀轴Z、砂轮架旋转为全闭环控制。直线轴X、Z轴导轨选用进口高精度、高刚性滚柱直线导轨。砂轮架旋转轴A选用INA公司高精度复合轴承，满足砂轮架螺旋角准确定位和高刚性要求。分度轴C采用双蜗杆消隙机构，保证分度定位精确要求。磨具电机选用电主轴，最高转速可达24000rpm，可满足小规格磨具砂轮及高速砂轮线速度要求。,机床磨削选用砂轮为普通砂轮。利用成形修整软件，根据用户磨削工件要求生成数控系统数据文件。利用机床工作轴X、Y轴插补运动，用金刚石滚轮完成砂轮截形成形修整。机床磨削工作循环由数控系统控制，通过一次编程完成砂轮修整、补偿及工件磨削自动循环控制。每台价格：235.8万元,秦川机床集团YK7332A成形磨齿机,汽车齿轮加工机床技术发展的若干动向,1、从机械传动朝部分数控再到全数控化2、高速和高效化3、复合化、多功能化4、降低成本提高竞争力,57数控座标4联动，通过编程实现机床加工参数调整,23数控座标2联动，其余为机械传动,纯机械传动系统，机床加工参数通过手动调整解决,一次安装完成不同模数、齿数齿轮加工的例子,车齿工艺及机床,青海第二机床厂生产的SB6510型圆柱蜗杆齿轮车齿机，应用车齿法原理,利用专用斜齿插齿刀或专用的直齿插齿刀加工汽车速度表中的圆柱形蜗杆以及其它大批生产的圆柱蜗杆,还可以采用标准的直齿插齿刀车制60度以上的大螺旋角圆柱斜齿轮，生产率很高。,天津市达鑫精密机械设备有限公司，是以原天津一机主管倒角机、倒棱机、噪音检查机、小模数铣齿机等多位设计主管为主，共同成立的股份制公司。,YGC20五轴高速旋分数控滚插齿机,车齿技术的最新发展，2010年天津市达鑫精密机械设备有限公司推出新产品,YGC20五轴高速旋分数控滚插齿机的技术性能及原理,机床价格80万元/台，加工一个m2，Z35，B20mm斜齿轮的时间约30秒钟。,伺服电机带齿轮（蜗轮）箱的回转工作台,力矩电机直接驱动的回转工作台,力矩电机直接驱动工作台构造,零传动数控滚齿机通过取消传统滚齿机中的传动机构,利用直线伺服电机、电主轴和力矩电机，实现了电机与滚刀主轴以及电机与工作台的直联,减少了传动元件的制造误差以及间隙和装配误差对于齿轮加工的影响,为进一步提高机床的加工精度和加工速度创造了条件,同时,由于其机械结构简单,在设计时更有利于提高机床的刚性,充分解决机械传动链中存在的磨损问题,进而保持了精度的稳定性。滚齿机实现零传动的关键是采用精密编码器反馈控制的力矩电机转台。替代传统的分度蜗轮付，分度精度高并长期保持不变。近几年国外制造厂家针对直径小于200mm，模数小于,“零传动”数控滚齿机的研发,3mm的滚齿机推出了一批零传动滚齿机。我国也开始进行研究。,精密力矩电机,国家自然科学基金资助项目:基于零传动原理的高速、高精度齿轮加工机床关键技术研究课题负责人：重庆大学张根宝教授,全数控由于通过将机床的各运动轴进行CNC控制及部分轴间进行联动后，具有以下优点：增加了机床的功能。如滚削小锥度、鼓形齿轮以及在一次安装下加工不同模数和齿数的齿轮等变得极为简单；提高了精度和可靠性。缩短了传动链，同时采用半闭环或全闭环控制后，通过数控补偿可以提高各轴的定位精度和重复定位精度，从而提高了机床的加工精度及Cp值，增加了机床的可靠性；更换品种简单，增加了柔性。由于省去了计算及换分齿挂轮及差动挂轮、进给及主轴换挡的时间，插齿机还省去了换斜导轨的时间，从而减少了辅助加工时间；由于机械结构变得简单了，可以设计更有利于提高机床的刚性及把热变形降到最低；各轴间没有机械联系，更利于实施模块化设计及制造。,不同性能滚齿机价格的比较,全数控齿轮机床会带来若干好处，但不宜盲目追求，因为此举将使成本急剧增加。应根据用户的实际需要，配备各种档次、功能、价格的齿轮机床以供选择。,高速和高效化（自动化）,传统滚齿机现代滚齿机主轴转速500r/min5500r/min工作台转速32r/min800r/min切削速度100r/min500600r/min走刀速度34mm/min20r/min,为了满足高速化的要求，在齿轮机床结构性能方面必须进行革新例如：1、滚齿机分度蜗轮达不到高转速，需要改成消除反向间隙的精密齿轮传动或力矩电机2、动载荷增大，要求提高机床动刚度，例如选用最佳吸振效果的铸造床身等；3、高速主轴等部件发热严重，机床应配备具有热稳定性的集成冷却介质循环系统；4、使用干式切削需配备使切屑迅速有效排出的机构；5、具有用预载的、无隙滚珠丝杠驱动的进给系统；具有耐磨损直线导轨等。,高效齿轮机床可以成倍提高生产率，使用户要求的重要性能。高效首先体现在提高机床切削功率和切削速度上（节省加工时间）；其次是增加自动化程度，如加装上下料装置、自动对刀装置、自动检查装置、实现加工自动循环等（节省辅助时间）,重庆机床公司“YS3116CNC7数控高速干切自动滚齿机”,传统齿轮加工需要大量冷却液，不但污染环境，购买和处理切削液还会增加成本。切削液在车间生产成本中所占比例过去约3，如今成本上升到15%左右！。因此，越来越多的厂家开始采用干切。目前，比较成功的方案有高速干切削和低温冷风切削两种。在高速干切削下，95的热量将留在切屑中，机床必须要能迅速将高温切屑移走，如果切屑在机床或其它地方积聚，即使时间很短，切屑内部的热量也能传到床身，引起机床热变形，影响加工精度。用薄涂层刀片进行干式切削可以延长刀具寿命高达40%，在高速干式切削的情况下，最好的PVD涂层是氮铝钛，它的性能在高温连续切削时，优于氮化钛四倍。,使用干式切削是齿轮机床重要发展趋势,应用实例：日本三菱重工开发的干切滚刀是在提高耐磨性的特殊高速钢材料（牌号为MACH7）上进行耐热、耐磨的特殊镀层（TiAlN）处理。切削工件参数为m=2.05mm、z=49、=21.5、b=40mm、材料SCM415、170HBS时，滚刀采用De=75mm、3头、槽数16、切削速度v=200m/min、走刀量S=2.4mm/r，同旋向顺铣之干切和湿切（TiN涂层，v=100m/min）的结果表明，干切比湿切可提高加工效率2倍，刀具寿命可提高5倍，同时由于没有使用切削油，干切的生产成本可降低40%之多。,齿轮机床功能复合化趋势,所谓功能复合，是指利用数控和自动化技术，把齿轮加工多种工序复合在一台机床上，在工件一次安装下依次完成几个工序，达到提高生产率和加工精度的目的。功能复合的方案有多种例如：,1、滚齿与插齿复合；2、滚外齿与滚内齿复合；3、粗滚、精滚和剃毛刺复合；4、滚齿与磨齿复合；5、蜗杆砂轮磨齿与成形磨齿复合等等,齿轮机床复合化之例滚齿插齿复合化,Combi-CutLCC150型滚齿插齿机综合了利勃海尔Verzahntechnik有限公司的高性能元件，插齿滚齿在一次安装中完成。根据滚齿与插齿速度和工件速度以及每个节距行程数之间的可编程关系，LCC150具有良好的柔性。LCC155能进行高速工作,在滚齿速度为5500转分时，无级调节行程高达3000DS/min。采用先进的HSC干切削技术将生产率提高了30，并且无需冷却液，改善了环保性能。,内外齿轮不同模数在一次安装下加工,滚齿加工,安装在滚齿机上的内齿轮铣头,粗、精滚去毛刺复合“去变形滚刀”,在与客户及机床商的紧密合作研究之下，德国蓝帜-菲特（LMT-FETTE）联合利勃海尔集团共同开发出三合一组合齿轮加工刀具。它取代过去粗铣-去毛刺-剃齿在不同机床上进行的三步加工工艺，将一把粗加工滚刀、一套去毛刺倒角刀和一把精加工滚刀“去变形滚刀”（Twist-Free-Hob）安装在同一刀柄上，使得粗加工滚齿、齿面倒角以及齿轮精加工这三个步骤可在同一台机床上完成。齿轮切削与去毛刺在同一机床上完成，所有刀具装在一把刀柄上，不需任何其它的人工或机器修磨，也无需增加去毛刺的机床和刀具。这是最为经济的齿轮精加工，,特别适于相同或相似规格齿轮的大批量生产。而且，粗加工和精加工滚刀亦可独立设计，分别选用最优化的齿数、槽数，以及特别的齿形。这样一来，粗加工滚刀可以采用最快的加工速度而不必顾及工件最后的齿形质量。而精加工滚刀“去变形滚刀”（右图）由于不需要大量切削单次重磨，生产批量明显超出那些同时作粗与精加工的滚刀。利用精加工滚刀修正齿形误差，可以加工出无齿形误差的正齿轮和斜齿轮。滚刀采用对角滚切的方法，在滚削余量的同时消除齿形误差，可提供更高的齿轮承载能力和运行平稳性。,去变形复合滚刀,格里森集团的P60卧式滚磨齿复合机床,可实现滚齿和磨齿的复合加工。其刀具主轴转速高达12000rpm;工作台转速达3000rpm。能完成先用铣刀加工双头蜗杆，再用CBN砂轮磨削蜗杆，并具有去除蜗杆端面毛刺等功能。,滚齿机朝滚磨复合机床方向转化,P60是含水平制件轴的格里森-Pfauter齿轮滚削机床。它可以滚铣有各种不同齿形或样式的轴式和轮式制件，包括单头和多头蜗杆。P60的设计为工具在未来向高速钢或硬质合金工具、湿切或干切方向的发展预留了空间。精细布置的NC轴带来的结果是工作区域干净且符合人体工程学原理。所有不直接介入切削过程的机床组件设置在工作区域之外，很容易维护。切屑去除可以根据顾客的要求进行。,功能复合的基础是功能部件模块化,为了降低制造成本，适应用户不同需要，必须实现功能部件模块化设计。使各种功能元部件达到系列化、标准化。,Gleason-PfauterGP200立式滚齿机强调模块化设计特点,格里森-PfauterGP200.GP机床家族结合格里森和Pfauter机床的最佳特点与最新创新而设计。其基本概念就是结合许多模块型零件和组件。这样能减少零件数量，增加部件和组装过程的可靠性。其结果就是生产出易于操作和维护的机床。,Gleason/Pfauter/Hurth集团展出了美国格里森集团的Genesisl60TWG蜗杆砂轮磨齿机。新型的Genesis160TWG是格里森集团Genesis160系列产品的产品平台。该系列产品将形成磨齿机、滚齿机、剃齿机三种产品。它们采用统一床身，机床的主要参数相同，床身采用先进的聚合物复合材料铸成的整体性框形铸件，生产周期短，同时能具有更高的刚度。这种平台设计也能确保一个小型紧凑的机床结构，这样用户在安装和搬迁机床时无需特别的提举设备或地基。,160TWG为最新磨齿机产品，其设计理念为在极短的时间内，使用蜗杆砂轮高效环保地完成对直径达160mm的直齿及斜齿轮精密加工。新型Genesis160TWG机床的操作及日常维护便捷。,将磨齿机、滚齿机、剃齿机三种产品设计成统一平台的范例,格里森-PfauterP400G