圆柱齿轮加工机床

张曙同济大学教授 博士生导师 上海市科技功臣 全国优秀科技Z 作 者 中国机械3 程学会荣誉理事 1圆柱齿轮加工 齿轮是重要的机械零件 应用极其广泛 汽车 飞机 火车 轮船 机床和各种生产机械都需要有齿 轮 可以说几乎无处不在 齿轮的类别很多 有圆柱 齿轮 锥齿轮 平面齿轮和非圆齿轮等 本文限于篇 幅 仅涉及网柱齿轮加工 圆柱齿轮的齿廓形状大多 为渐开线 其加工的基本原理是按照齿轮啮合过程展 成 故称为展成法 根据用途不同 圆柱齿轮的结构各异 精度相差 甚远 尺寸也大小不一 有的如大功率风力发电机转 向齿轮直径甚伞大于10m 有的微型机器人的齿轮直 径仅2 3m m 如图1所示 图1齿轮的展戚要曩和大小不一的圜柱齿轮 根据所要求的齿轮精度等级 圆柱齿轮的加工方 法多种多样 有切削加工和非切削加工 切削加工又 有滚齿 插齿 剃齿 磨齿 珩齿等多种工艺法 如图2所示 由于圆柱齿轮的加工原理基于展成法 即刀具与 6 圆 柱 齿 轮 加 工 机 床 Cyl indri calgearcut t i ng m achi ne 张曙张炳生谭为民 ZH A N GShuZH A N GBinsheng TA NW ei m i ng 图2圆柱齿轮的各种加工工艺 工件要保持相互啮合关系 对圆柱直齿齿轮而言 刀 具转一圈 工件转过一个齿 对圆柱螺旋斜齿轮 还 需要附加螺旋角转动 传统的齿轮加工机床是依靠复 杂的齿轮传动链来实现这个要求 随着数控技术的发展 出现了 电子齿轮 即 两台伺服电动机保持一定的转速比例关系 省去复杂 的齿轮传动系统 以电代机 实现 零机械传动 同时借助角度测量反馈系统 如高分辨率编码器 提 高两台伺服电动机的同步程度 伺服系统同步的精度 直接反映到齿轮机床的加工精度 成为现代数控齿轮 加工机床的核心技术 2 滚齿车削复合加工机床 按照工艺流程 齿轮零件的加工一般是先车削 然后进行切齿和倒角 分别在不同的机床上进行 为了缩短过程链和加工时间 提高生产效率 在一 台机床上一次装夹就完成全部加工工序就成为齿轮加 工机床追求的目标 美国格里森 C 1eason 公司的 穗 粼1 1 弋专 9 uz平幂l 删 A gil l us180T H 万能型复合加工机床 能够加工各种轴 类和盘类齿轮零件 即使小批量也能够实现高生产率 和成本优化 如图3所示 图3一次装夹完成车喇 滚齿和倒角 180TH 滚齿车削复合机床的结构配置特点是双立 柱 一个立柱用以完成滚齿加工 另一个用以完成车 削加工 共有10 12个数控轴 床身采用矿物铸造 人造花岗石 以提高机床的动态性能 延长刀具 寿命 独立的排屑通道设计 实现快速热移除 以保 证加工精度 机床的外观和结构配置如图4所示 一滚刀头偏转 B一刀具主轴 c 工件轴 c2R 转塔刀槊回转 x一滚刀径向进给 汜一车削径向进给 y 滚刀切向进给 Y 2一车削切向进给 可选 乃一滚刀轴向进培 22一车削轴向进给 复卜一中心芰粜 可选 z4一尾集 卜Z2 2 田4180T H 复合机床的外疆和结构配置 从图4中可见 左边的立柱是滚齿 滚刀主轴滑 座可沿立柱上下移动 历由 滚刀主轴可在滑座上作 45 偏转 一轴 完成直齿或斜齿的滚切 配有数 控尾架 孔轴 以便准确定心 快速装卸工件 右边的立柱是车削 具有12工位的转塔刀架可沿 立柱上下移动 Z2轴 实现轴向进给运动 转塔上 除车刀外 还可安装自驱动的铣刀或钻头 进行辅助 的铣削和钻削加工 在转塔上可安装倒角 去毛刺装 置 以便需要时在滚齿后进行倒角 转塔上可配置机械手爪 与机床右侧的环形传送 带配合 进行工件的交换和装卸 转塔上还可选配测 龟旁拦U等等 专 一 I 平 l 删 量头 对刀具磨损进行补偿 该机床的技术性能见表l 工件最大直径 180m m 最大滚刀直径80m m 工件最大长度500m m 最大滚刀长度i 60m m 工件最大重量 8kg 刀具接13 吐Y20m m 法向最大模数 3m m 转塔刀架工位数 12 滑座最大轴向行程 600m m 转塔定位时问0 2s 滑座最大偏转角度一45 45 刀柄 V DI40 滚刀主轴最大转速4250m i n 1占地尺寸4 165m m 3400m m 滚刀主轴驱动功率 14kW机床重量10000kg 3 小模数8轴数控滚齿机 为了适应仪器仪表 钟表和微机械行业加工小 模数齿轮的市场需求 瑞士拉姆特一瓦利 Lam bert W ahl i 公司推出W 90和W 1000m i cro两款小模数数控滚 齿机 W l O O O m iero数控滚齿机共有8个数控轴 采用博 世力士乐IndraM ot i onM TX 数控系统 适川j 二模数小于 0 8 m m 的直齿轮 斜齿轮 冠状齿轮 端面齿轮 椭 圆齿轮 直齿伞齿轮 蜗轮的粗滚和精滚加工 机床 的外观 典型零件和结构布局如图5所示 图5W 1000m icro小模数滚齿机 从图中可见 该机床采用卧式布局 工件主轴和 尾架配置在机床前方 分别可作纵向移动 左z轴和右 z轴 后方是立柱 滚刀主轴滑座沿立柱上F移动 啪 并可绕中心偏转 35 月轴 分别用于 加工右旋或左旋斜齿轮 立柱可作前后移动 实现径 向进给 脚 工件主轴与滚刀主轴通过电子齿轮连 接 实现b匕例同步伺服驱动 W l O O O m i cro滚齿机可按加工齿轮的形状配置不同 的自动上料器 也可用机械手上下料 如I 期6所示 W l O O O m i crodx模数数控滚齿机的主要技术参数见 表2 一 司机床 产品创新 与设计c0专题m 一届F I 图6W 1000m i cro采用机械手上下料 工件最大亘径 40m m 轴最大行程100m m 工件最大长度 0 65m m y轴最人行程 75m m 工件最大长度 35 20m m fi z轴最大行程 90m m 法向最大模数0 8m m庀z轴最人行程 90m m 最大滚刀直径 24m m 工件夹紧方式 液压或汽动 铣头最夫偏转角度 35 35 夹头 F10 滚刀主轴最大转速15000r ai n 占地尺J l400m m xI300m lT 工件主轴最大转速5000r ain 机床重量2000kg 4 特大型数控滚齿机 风电 矿山冶金机械和水泥窑等都需要大型和重 型齿轮 美闻希斯庄明 Schi essBri ght on 公司为中 国中信集刚开发了特大型6轴数控滚齿机 在原有希 斯RF CN C滚齿机的基础上重新设计了新RF C N C系列数 控滚齿机 使之成为现代化的 高效的特大型齿轮加 工机床 7 7R v C NC系列有两个型号 齿轮最大加工直 径分别为 16m 和10m 单齿铣削 或14m 和8 5m 滚齿 其加工实况如图7所示 图7特大型6轴数控滚齿机 控滚岗机较之传统滚齿机的最大优点在于大大 提高齿轮加上速度 大约5 10倍 因为控滚齿机可 8 使用切削速度为160m m in的硬质合金滚刀 而传统滚 齿机仅可使用切削速度为16m m in的高速钢滚刀 机床主要部件 如床身 立柱 工作台底座和工 作台等 均采用高强度的铸件 这是机床稳定性强 刚性好 精度保持性高且经久耐用的先决条件 所有直线和环形的导轨 全部采用静压导轨 静压导轨可提供高质量的接触表面和无接触的部件运 动 从而提高了机床精度和阻尼性能 且在整个使用 寿命中 能保持精度稳定 使各轴达到极佳的定位精 度和重复定位精度 例如 工作台由多个静压油腔的 大直径静压轴承支撑 每一静压油腔均配有独立和可 调的油路和冷却循环装置 以保证静压油温恒定 避 免产生热变形 其结构如图8所示 图8工作台及其环形爵压导轨 工作台驱动采用两个小齿轮啮合固定在工作台的 大齿圈上进行驱动 所有进给轴 无论是直线的或者 圆周的 均安装H ei denhai n直接测量系统 各直线进 给轴采用滚柱丝杠驱动 R f C N C50 140 160特大型数控滚齿机的主要技 术参数见表3 l 蓍j0虢j蓼蘧葛蓊露霹酒璃蠹荔毫霞1 分度工件最大直径l 6000m m 工作台直径5200m m 滚衡工件最大直径14000m m 工作台转速O 52m i n 直齿齿轮宽度 I800m m 轴立桂最大行程7250m m 斜齿齿轮宽度 30 1500m m啪切向最大行程400m m 最小工件直径 3650m mz轴垂直最大行程 2000m m 滚刀主轴转速 620 5m 5in3 最大铣削功率 2912 畜 最大模数 滚齿 40m m 铣头最大偏转角 一30 I 30 最大模数 分度 60m m 工作台最大承萤 250t 5 蜗杆 成形复合磨齿机 Ti t an 1200G 型大型复合磨齿机是以格里森公司 推出的Ti t anl 200H 滚齿机为平台的Ti t an系列产品 Ti t an系列是工件直径800 6400m m 最大加工模 渊II i 二 u 平昂州 一机 床产 品创 新与 设计 b专题 h 一 为40m m 的大型齿轮加工机床系列 其愿景旨在为大型 齿轮加工机床建立高性能 易操作和高生产率的新标 杆 设计的理念是 最小的占地面积 最高的性能和 用户友好 基于其优越的性能 T i t an系列的滚齿机和 磨齿机既可用于小批量生产 也适用于大批量生产 Tit an1200G 和1500G 皆可在同一台机床上进行蜗杆砂 轮磨齿和成形砂轮磨齿 Ti t an1200G 的最大加工直径 为l 200m m 其外观如图9所示 图9 T i t an1200G m 齿机的外疆 蜗杆砂轮磨齿的特点是高效率 而成形砂轮磨齿 的特点是高精度 格里森公司将两者集成在一台磨齿 机上 采取新的加工策略 以期新机床同时具备高效 率 高精度和高柔性 要实现这个目标的关键在于蜗 杆砂轮 成形粗磨砂轮和精磨成形砂轮两者之间的自 动交换 自动定位和自动修正 其过程如图10所示 a 砂轮交换装置 b 蜗杆砂轮粗磨 c 成型砂轮租厝 d 成型砂轮精磨 围10砂轮交换和不同磨齿工艺 从图10中可见 带有机械手的砂轮移动装置与4 工位的砂轮库组成砂轮自动交换系统 砂轮库可存放 2 4个砂轮 例如用于高效磨齿的蜗杆砂轮 蓝色 和用于成形精磨的片状砂轮 粉红色 机械手抓 取砂轮后 将其移动到主轴前 机械手转过90 固尝篙等 弋 j zuI 平弗l l 朋 主轴将砂轮轴夹紧 尾座支撑并自动定位 然后借助 砂轮修整器修正砂轮 冷却喷嘴移动到砂轮上方或两 侧 开始进行磨齿 砂轮主轴采用直接驱动 H SK 接口 夹紧系统和自动调节的冷却油喷嘴 磨齿过程的转换由两个软件支持 O pt i G ri nd 用于粗磨和精磨片状砂轮的特性配合 借助完善的多 片技术 即使少齿数也能高效率地加工 Pow er G ri nd 用于蜗杆砂轮粗磨与后续精密成形磨齿的配合 借助 软件可实现磨齿的高效率 例如 采用蜗杆砂轮对模 数14m m 齿数84 齿宽255m m 的大型齿轮进行磨齿 比传统的成形磨齿效率提高了36 Ti t an1200G 磨齿机操作方便 加工时加工空间 可接近性好 易于维护 占地面积比传统磨齿机少 35 且由于采用智能能源管理系统以及最新的驱动技 术和电动机 能源消耗减少了40 藤溺藿融篱疆耍霞露羹鎏西西 工件最大直径 l250m m 径向快速移动 12000m m m i n 最大齿形深度 100m m 轴向快速移动 12000m m m i n 驱动功率25 50 kW最大 最小中心100 950m m 距 最大转矩100 240 Nm 滑座蛀大行程 1ooo 1 600 m m 砂轮转速 26kW 5000 m i n 砂轮最低位置450m m 砂轮转速 50kW 4000m i n 工作台直径800m m 麝削主轴直径80m m1 作台最大转速 30m in 1 砂轮直径450m r o工作台最大承重 10000kg 砂轮内孔直径127m m机床重量 32000kg Zi tan1200G 数控磨齿机的主要技术参数见表4 6结语和展望 齿轮加工工艺复杂 本文仅就圆柱齿轮的滚齿和 磨齿进行阐述 未涉及插齿 剃齿 珩齿等工艺 一 方面限于篇幅 另一方面这些机床的结构相对简单 数控系统的电子齿轮