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当代先进制齿及制齿机床技术的发展趋势 Development Trend of Modern Advanced Gear Manufacturing and Gear-Making Machine Technology 李先广 (重庆机床厂) 摘 要:通过对国内外齿轮加工技术和齿轮加工机床的研究,论述了齿轮加工正朝着环保、 高效、 高精度和无 屑加工的方向发展。齿轮加工机床正朝着全数控、 功能复合、 柔性、 自动化、 安全性及网络化的方向 发展。介绍了齿轮加工及机床目前的水平和所达到的指标。 关键词:齿轮加工技术 齿轮加工机床技术 最新趋势 齿轮是汽车、 摩托车、 工程机械等行业重要的基础 传动元件。随着我国汽车行业上批量及上档升级,对 齿轮的需求量越来越多,对质量要求越来越高。以重 庆机床厂为代表的国内制齿机床制造商为适应齿轮加 工行业的需要,成功地开发了多种数控、 高效、 高精度、 高可靠性的制齿机床,基本满足了国内大多数齿轮加 工行业的要求。个别产品已达到20世纪90年代末期 国际先进水平,同时,也缩短了与世界先进水平的差 距。目前,制齿的方法主要是滚齿、 插齿、 剃齿、 磨齿及 珩齿等,其中,滚-剃工艺最为经济。因此,滚齿机及剃 齿机应用最为广泛。 为适应齿轮加工行业对制造精度、 生产效率、 提高 质量及清洁生产的要求,制齿机床及制齿技术出现了 以下发展趋势。 1 全数控化 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: (1)增加了机床的功能,如可进行多次切削循环以 及使滚削小锥度、 鼓形齿轮等变得极为容易。 (2)缩短了机床的传动链。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工艺能力 指数Cpk值,增加了机床的可靠性。 (3)换品种时,由于省去了计算及换分齿挂轮、 差 动挂轮、 进给挂轮和主轴换档的时间,插齿机还省去了 换斜导轨的时间,从而减少了辅助时间,增加了机床的 柔性。 (4)由于机械结构变得简单了,从而更利于提高机 床的刚性及将热变形减到最小。 (5)各轴间没有机械传动的联系,结构设计变得典 型化,更利于实施模块化设计及制造。 由上可见,制齿机床正朝着全数控化的方向发展。 技项目,全面覆盖了 “e制造” 或 “数字化制造” 和 “IT 与MT的融合” 的内涵。 “e制造” 也符合党的十六大 报告中指出的 “以信息化带动工业化” 的新型工业化的 方向。因此国外面向网络化制造的产品和一些做法, 可供我们借鉴。特别是少数机床厂商率先在自己的企 业中实现网络化制造,取得经验后,为整个制造业提供 面向网络化制造的装备和相关软件的做法,很值得我 们深思。 5 精密机床的发展 机电产品性能的提高,往往最终要求机械零件制 造精度的提高。如轿车在速度、 安全、 舒适性等方面的 要求比卡车高出很多。因而,轿车零件的加工精度平 均要比卡车高出1到2个等级。加工精度的提高还可 以减少装配和调整时间。新日本工机公司将零件加工 精度提高2个等级(从IT9提高至IT7 ) , 使一台大型 机床的装配和调整工时分别由1 600h减至500h ,和 由3 000h减至50h。为此,机床将永远是 “机”(床) 不厌 “精” 。当前,除早已出现的纳米车床以外,最近 Mazak推出了特高精度的卧式加工中心。其系列定 位精度比ISO标准要好4倍;其 Max系列比ISO标 准要好8倍。这似乎是一个新动向。 (全文完) 第一作者:陈长年,中国国际贸易促进委员会机械 行业分会,电话 :( 010)68595057,传真 :( 010)68594995, 邮编:100823 (编辑 张芳丽) (收稿日期:2002 - 12 - 17) 综 述Secial Reports 10 制造技术与机床 2003年第2期 2 高速、 高效化 齿轮加工机床如滚齿机、 插齿机及磨齿机的高速 化,主要是指机床拥有高的刀具主轴转速和高的工作 台转速。它们是影响切削效率的主要指标。 传统机械滚齿机的滚刀主轴转速最高为500r/ min ,工作台转速最高为32 r/ min。重庆机床厂制造的 YKS3112系列六轴四联动全数控高速滚齿机,滚刀主 轴转速达1 500 r/ min ,工作台转速达200 r/ min。 G LEASONPFAUTER公司制造的P60卧式滚齿 磨 齿复合机床,刀具主轴转速达12 000 r/ min ,工作台转 速达3 000 r/ min。德国LIEBHERR公司制造的LC80 干式切削滚齿机,滚刀主轴转速为9 000 r/ min ,工作台 转速为800 r/ min。意大利Samputensili公司制造的 S130滚齿机,滚刀主轴转速为3 500 r/ min ,工作台转 速为1 000r/ min。瑞士MONNIER-ZAHNER公司的 MZ120卧式滚齿机,滚刀转速为8 000 r/ min ,工作台转 速为750 r/ min。LIEBHERR公司的LS80干式切削插 齿机,刀具最高冲程次数达3 000次/ min ,工作台转速 为800 r/ min。 电主轴的应用使刀具主轴转速得到提高。而工作 台转速的提高,则是采用了高精度斜齿轮副或环形扭 矩伺服电动机。电主轴及环形扭矩伺服电动机具有回 转精度高、 无反向间隙及不用维修等优点。 由于主轴转速及工作台转速的提高,在EMO Han2 nover 2001机床展上,LIEBHERR公司展出的LC80滚齿 机 上,采用了美国STAR公司提供了线速度达600 m/ min的硬质合金涂层干式切削滚刀,粗、 精两次滚切 模数1.5 mm、 齿数17、 螺旋角20 的齿轮,总切削时间 仅9 s。在该公司的LS80插齿机上,采用2 200次/ min 的刀具冲程加工模数1.25 mm、 齿数14、 螺旋角20 、 齿 宽8. 4 mm的齿轮,总切削时间仅7. 2 s。瑞士 REISHAUER公司在RZ400数控蜗杆砂轮磨齿机上,用 双头蜗杆砂轮磨削一件模数4 mm、 齿数27、 齿宽50 mm的直齿轮,磨削时间仅为0. 82 min ,地 地时间为 1.21 min ,齿形形状误差达DIN 2级精度。G LEASON 集团在展出的ZSE160T强力剃齿机上用径向剃齿法剃 削一个模数2.1 mm、 齿数41、 齿宽13 mm的齿轮,剃削 时间仅18 s ,倒棱去毛刺时间5 s ,上下料、 对齿及高速 旋转清洁工件时间11 s ,倒棱去毛刺 剃削 清洁该 工件的地 地时间仅34 s。 3 加工精度及Cpk值进一步提高 由于采用了高精度、 具有预加负荷的高刚性直线 导轨、 滚珠丝杠、 滚动轴承、 电主轴、 环形扭矩伺服电动 机及数控技术,使齿轮加工机床在高速加工的条件下 精度得到保证并有所提高。电主轴精度一般为径向振 摆0.002 mm ,轴向跳动0. 001 mm;环形扭矩伺服电动 机定位精度达0.5,重复定位精度达0. 01 。 直线运动轴 的定位精度小于0. 008 mm ,重复定位精度小于0. 005 mm。滚齿及插齿尽管用于粗加工,但在高速切削的条 件下仍能达到DIN67级精度,为其后的精加工工序 获得高精度提供了保证。目前,高档齿轮加工机床测 M值能达到Cpk1.67。重庆机床厂为上海汽车齿轮 股份公司提供的7台YK4232四轴数控剃齿机(剃刀箱 转角也是数控轴 ) , 剃削齿轮后测M值、 齿形误差及齿 向误差均达到Cpk1.67。 4 功能复合型机床渐成主流 功能复合型机床是指在一台机床上或工件一次装 夹中,可以完成多种工序加工,从而提高工件的加工效 率甚至精度。 重庆机床厂的YKS3120系列六轴数控高速滚齿 机,能在一次安装中加工不同模数、 不同齿数、 不同螺 旋角及不同螺旋方向的双联齿轮及单分度铣槽,并可 配备自动对齿机构、 去除齿轮端面毛刺及工件自动上 下料装置。在该系列机床上还可进行硬齿面滚齿。 G LEASON公司的P60滚齿 磨齿复合机床,能完 成先用铣刀加工双头蜗杆,再用CBN磨轮磨该蜗杆, 并具有去除蜗杆端面毛刺的功能。同时该机床还配有 自动对齿机构和工件自动上下料用机械手及料仓。 ZSW160T强力剃齿机将倒棱去毛刺、 剃齿及清洁工件 三项功能复合在一起。该机床还配有自动对齿机构及 工件自动上下料用机械手及料仓。GP300ES带电子导 轨的插齿机,一次装夹工件可完成插削内齿、 外齿及特 殊齿形的两个槽。 LIEBHERR公司的LCS280蜗杆砂轮 成形磨齿 机,可先用CBN蜗杆砂轮粗磨齿后,再用CBN成形砂 轮精磨齿轮。REISHAUER公司的RZ400蜗杆砂轮磨 齿机,已将工件自动上下料、 工件检测、 刀具对中、 磨齿 及修正砂轮等功能集于一身。 5 机床的柔性进一步增强 随着数控技术应用于齿轮加工机床上,使齿轮加 工机床实现了柔性化。滚齿机、 剃齿机及磨齿机等齿 轮加工机床柔性化解决得较早,而插齿机最近才真正 实现柔性化。通常在插齿机上插削不同螺旋角的齿 Secial Reports综 述 制造技术与机床 2003年第2期 11 轮,需要换相应的螺旋导轨。现在采用电子螺旋导轨 后,加工不同参数的齿轮不再需要换机床的某些部件 了。G LEASON公司的GP300ES插齿机和日本三菱重 工的ST25CNC插齿机均属全数控带电子螺旋导轨的 插齿机。在G LEASON公司的GP300ES插齿机上,一次 装夹工件可插削出不同螺旋角的内齿轮和外齿轮,并 且还能插削出两个对称的具有特殊齿形的槽。现在用 带电子螺旋导轨的全数控齿轮加工机床,更换加工对 象时,除更换夹具及刀具外,只需输入或调出相应的加 工程序就可以了。 6 面向绿色制造的高速干式加工机床倍受青 睐 切削过程中使用切削液可提高刀具寿命,改善加 工表面质量和利于排出切削热而不致引起机床的热变 形。但是,在高速切削过程中,切削液的飞溅和形成的 油雾对生态环境,特别是对操作者的健康特别有害。 为此,通常将加工区用护罩封闭起来,安装上油雾分离 器,使排出的只是不含油的雾,而切削油则重新流回机 床内循环利用。但这并不能从根本上解决环保问题, 因为变质切削液的更换排放会严重污染环境。 据日本三菱重工资料报道,湿式齿轮加工中消耗 的切削液及切削液附加装置的费用,占加工成本的 20 %左右。采用高速干式切削能提高加工效率23 倍以上,刀具的使用寿命是湿式切削的25倍。因 此,干式切削降低了单件齿轮的加工成本。 国内外著名的齿轮加工机床制造商及齿轮刀具制 造商,均把研制满足环保要求的干式切削机床和刀具 作为产品开发的一项首要的任务来抓。有的机床甚至 不采用液压油及循环润滑油,实现绿色制造及清洁加 工。现在,在欧洲,利用高速干式切削加工齿轮已比较 广泛。德国ZF公司用LIEBHERR公司生产的LC182 滚齿机,采用一次走刀干式加工齿数17、 模数4 mm的 齿轮,仅用17 s。 重庆机床厂生产的YKS318、YKS3112、YKS3120、 YKS3132、YKS3140系列六轴四联动数控高速滚齿机, 既可适应湿式滚齿,又可适应干式滚齿。 国外的LIEBHERR公司、G LEASONPFAUTER公 司、 日本三菱重工,均能提供干式切削的滚齿机和插齿 机。日本坚藤及意大利的Samputensili等公司能制造 干式切削的滚齿机。SIG MAPOOL集团的OERLIK ON 公司能制造干式切削的弧齿锥齿轮铣齿机。在EMO Hannover 2001机床展上,SIG MAPOOL集团的LIEB2 HERR公司展出了LC80干式切削滚齿机及LS80干式 切削插齿机。OERLIK ON公司展出了C20干式切削螺 旋伞齿轮铣齿机。 干式切削要解决的问题是刀具寿命问题、 刀具价 格问题和切屑的安全迅速地排走问题。采用硬质合金 涂层刀具进行干切削,尽管第一次购刀价格比湿式刀 具价格高,但因切削效率高且刀具寿命长,还节省了切 削液及喷淋过滤装置的费用,从而单件齿轮的加工成 本反而有所降低,同时又符合环保无污染的要求。因 此,各著名制齿机床生产厂都开发成功了各自的干式 切削机床。 7 冷轧成形技术发展迅速 EMO HANNOVER 2001机床展览会上有13台冷轧 机出现在展台上,占展出齿轮加工机床的22. 4 %且制 造商数量也较多。由于冷轧机具有效率极高、 齿部表 面组织好及台阶齿不受刀具结构限制等优点,冷轧机 从最初的冷滚丝发展到冷轧渐开线花键和小模数齿轮 甚至冷轧环形零件,其应用范围将越来越广。 8 安全受到广泛重视 安全分三个层次:第一个层次是操作者的安全,第 二个层次是机床的安全,第三个层次是工件的安全。 操作者的安全是通过带电子锁的全封闭护罩和双手操 作按钮等来保证。为保证操作者的安全,有的机床护 罩甚至采用了真空防弹玻璃。有的机床在停电或遇突 发故障时,可使刀具与工件迅速分离,以保证机床及刀 具不被损坏,确保机床的安全。工件的安全则是由传 感器、 安全开关等来保证的。目前,重庆机床厂生产的 YKS3120系列数控高速滚齿机及YK4232系列数控剃 齿机均达到了这些要求。 9 数