滾齒加工裝備及其技術發展趨勢*

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(1.宜賓職業技術學院，四川 宜賓 644003；2.宜賓普什機床有限責任公司，四川 宜賓 644000)

0 引言

齒輪品種規格繁多、使用量大面廣，是汽車、船舶、航空、工程機械、日常工具及國防工業等領域重要的基礎部件之一。齒輪的生產制造在裝備制造業中占有十分重要的地位，其性能不僅與國家工業發展息息相關，也與日常生活密不可分。齒輪加工機床結構復雜、制造難度大，是裝備制造業中的重要基礎裝備。根據加工原理，齒輪加工方法主要有成形法和展成法(范成法)。成形法加工時沒有齒輪嚙合運動，加工精度很低；展成法加工時齒輪刀具與被加工齒輪之間有嚙合運動，包絡出被加工齒輪的齒廓(齒面)，且生產效率和加工精度較高，常見的有滾齒、插齒、剃齒(屬精加工)，其中滾齒加工應用最為廣泛。在滾齒機上可切削直齒、斜齒圓柱齒輪，還可加工花鍵、蝸輪、鏈輪等。滾齒機的擁有量約占齒輪機床總量的45～50%[1]。

雖然到上世紀70年代末，我國已基本形成了完整的齒輪制造體系，但設計制造水平不高，與國外先進制造水平還有較大差距。近年來， 我國齒輪產業已超越意大利躍居全球第四，但產業結構性矛盾突出、產能過剩、自主創新能力不足等問題突出。隨著制造業的轉型升級，工業化與信息化的融合逐步加深，齒輪行業必將呈現出設計信息化、裝備智能化、流程自動化、管理現代化的發展趨勢，齒輪制造企業將逐步從規模速度型轉變為創新效益型。本文在分析滾齒加工技術發展現狀的基礎上，結合滾齒加工的難點與關鍵技術研究，展望了滾齒加工技術與裝備的未來發展趨勢。

1 滾齒加工技術與裝備

1.1 滾齒加工基本原理

滾齒加工是利用螺旋齒輪嚙合原理進行切削的，滾刀的實質就是一個蝸桿，而工件就是與之相嚙合的齒輪[2]。滾齒時，滾刀與工件在一定的速度比下做展成運動，同時相對于工件全齒寬做軸向進給運動。通過調整嚙合速度比，只需一把刀具就能加工出模數相同而齒數不同的齒輪。用不同齒形的滾刀還可加工渦輪、鏈輪、花鍵、擺線齒輪等各種齒形的齒輪。滾齒機在加工時一般同時進行三種運動：切削運動，即滾刀的回轉運動；展成運動，即分齒運動；垂直進給運動，即滾刀沿齒坯軸線的走刀運動。其中，分齒傳動誤差直接影響切齒精度。

在齒輪加工原理及工藝特點上，滾齒比插齒、擠齒、軋齒更加優異，使得滾齒機能加工圓柱直、斜齒輪、錐形齒輪、渦輪、花鍵等齒類零件，且由于它所加工的齒類零件的結構型式、生產效率等都具有其它加工工藝難以完成或無法比擬的優點，使得滾齒機在齒輪加工設備中所占的市場份額大大多于其他齒輪加工機床。

1.2 滾齒機的國內外技術發展現狀

滾齒機按結構形式分為立式和臥式，小型滾齒機和加工長軸齒輪的專用滾齒機多為臥式。小型滾齒機用于加工儀表齒輪；大型高精度滾齒機一般采用立式和臥式組合結構，并且在滾刀主軸和工作臺上設置運動誤差檢測反饋裝置，自動補償誤差以提高精度。根據數控化程度，分為普通滾齒機、中低檔數控滾齒機、高檔數控滾齒機。普通滾齒機的加工精度為7～6級，數控滾齒機的精度可達4～3級。

經過100多年的發展，發達國家的滾齒加工技術及其設備日趨成熟和完備。在歐洲，以德國Liebherr公司為代表，其典型的LC系列產品滿足了不同行業、不同規格齒輪加工的需求，如LC82、LC122、LC182、LC282、LC382等系列機床適用于輕型車、微型車、轎車行業對齒輪加工設備的需要；LC502、LC802、LC1000等系列機床適用于重型汽車、起重運輸、電梯業對齒輪加工設備的需要。在美洲，以美國Gleason-Pfauter-Hurth合資公司的GP/PE系列產品為代表，如GP130、GP200、GP300、GP200S、GP300G、PE300、PE500，其最大特點是采用無冷卻液的干式切削工藝和全直驅動技術的應用。在亞洲，以日本Mitsubishi公司的GD系列機床為代表，其GD10CNC、GD20CNC、GD30CNC等適用于輕型車、微型車、轎車行業對齒輪加工設備的需要，GD50CNC、GD63CNC、GD100CNC等適用于重型汽車、起重運輸、電梯業對齒輪加工設備的需要。

我國滾齒機制造業起步較晚，整體技術水平落后于國外10-20年。雖然自20世紀90年代以來，國內數控滾齒機有了較大發展和提高，但大多是在傳統滾齒機基礎上進行數控化改造，在機床動/靜剛性、整體傳動精度、數控系統可靠性等方面與國外先進產品有較大差距，總體水平屬中低檔。國內滾齒機廠家主要有重慶機床廠和南京第二機床廠，前者滾齒機市場占有率達60%以上。YS3120CNC6等為代表的六軸四聯動數控高速滾齒機代表了國內滾齒機的先進水平，其滾刀主軸轉速(1200 r/min)、徑向快速移動速度(3000 mm/min)、切向快速移動速度(2000 mm/min)、軸向快速移動速度(3000 mm/min)等參數，以及加工性能、配置條件、可靠性等方面與國外先進水平仍有較大差距，相當于國外20世紀90年代后期的水平。雖然我國在數控高速滾齒加工領域仍然落后，但十幾米的國產特大型滾齒機已具有世界水平[3]。

2 滾齒加工的難點及關鍵技術研究

長期以來，壽命短、可靠性差、結構重成為制約中國齒輪產業發展和安全使用的三大問題，而成形制造則是形成三大問題的主要原因。影響齒輪加工質量的因素很多，從技術和工藝的角度來看主要有工藝設計因素，傳動間隙、受力及熱變形等機械加工因素，切削參數選擇、測量反饋、分析計算等控制因素。在滾齒加工中往往由于齒形誤差和齒向誤差達不到精度標準，影響齒輪使用性能和壽命。因此，必須加強科技創新，從滾齒加工工藝和滾齒制造裝備兩個方面突破核心關鍵技術；而由于結構及工藝的局限，更多研究是從控制方法上去突破。

2.1 工藝改進及誤差控制

齒輪的精度分為運動精度、平穩性精度和接觸精度，滾齒加工中產生的齒形、齒向誤差及齒面缺陷等直接影響著齒輪的三大精度。滾齒加工一般作為剃齒加工的前道工序，其精度的高低決定著剃齒加工精度及齒輪質量。

滾齒加工精度和效率在很大程度上取決于滾齒機的精度和剛度。目前企業廣泛使用的Y3150、Y38等滾齒機，可以從傳動間隙的動態測量及調整、提高系統剛度(滾刀、齒輪鋼、機床)、合理控制滾削用量等方面改進，減小機械誤差，提高加工精度；YS3120CNC6、YGS3608CNC6等數控滾齒機配有電子齒輪箱和機械間隙的數控補償功能，可以實現分度和差動補償功能，從而提高傳動精度。

此外，滾齒加工中的熱變形也會影響加工精度。結合滾削變形、動力學振動位移及熱變形的理論計算，通過建立滾齒機主軸中心距變化量的熱誤差補償模型，有效預測和控制滾齒機的熱變形及齒輪加工誤差，可以提高滾齒加工精度與效率。

2.2 滾齒裝備制造關鍵技術及熱點技術研究

數控滾齒機由于傳動鏈的大大縮短，減少了軸、軸承和齒輪等元件的制造誤差、間隙和裝配誤差的影響，并具有誤差補償功能，大大提高了加工精度。《中國制造2025》將數控滾齒機和基礎制造裝備行業列入中國制造業的戰略必爭領域之一，數控滾齒機將成為國家未來十年重點發展的數控機床。高速、高效數控滾齒機的研制已成為近幾年滾齒裝備制造技術研究的重點。

1)滾齒機數控系統開發。改革開放以來，國產NC系統發展迅速，基本占領了低端NC系統市場，但中高檔NC系統大部分仍被國外品牌占據，尤其是專用數控系統。國產數控滾齒機普遍采用德國Siemens、日本FANUC、法國NUM等系統。因此滾齒機數控系統的自主研發成為提升我國滾齒裝備制造能力的關鍵。由于滾齒機結構復雜，專用數控系統較少，國內對滾齒機數控系統的研究主要集中在開放式數控系統方面，如黃強等人提出了基于PC和PMAC運動控制卡的開放式滾齒機數控系統開發策略[4]。

2)零編程技術。數控滾齒機一般采用手工編程，但工藝處理和數值計算復雜，容易出錯。近年來，國內一些高校在數控滾齒加工自動編程技術方面持續研究，如重慶大學研發的嵌入式數控滾齒加工零編程技術[5-7]以及蘭州理工大學研發的齒輪加工圖形參數化自動編程系統[8-10]，只需要輸入齒輪參數及加工參數就能自動生成NC程序，為進一步研發基于開放式數控的滾齒機零編程方法及系統提供了理論基礎。

3)熱誤差實時補償技術。熱誤差是機床熱變形引起的加工誤差。在影響數控滾齒機加工精度的各種因素中，熱誤差占有最大的比重，占數控滾齒機總誤差的45%，所以減少熱誤差是提高數控滾齒機加工精度的關鍵[11]。上海交通大學、四川大學、重慶大學等高校在熱變形試驗的基礎上進行了熱誤差補償建模研究，提出了熱誤差在線補償、自動補償等技術方案，有助于提高數控滾齒加工質量穩定性，提升我國高檔數控滾齒機的智能化水平。

3 滾齒加工技術發展展望

隨著信息技術和材料技術的飛速發展，近年來齒輪制造領域出現了許多新的技術成果。2013年國際標準化組織發布了最新的齒輪精度國際標準ISO1328-1∶2013(E)。新標準頒布后，英、意、德、美、日等發達國家相繼采用，而我國現行齒輪精度國家標準(GB10095.1-2008)是等效采用的1995版國際標準。我國要從制造大國邁向制造強國，齒輪行業必然要與國際標準接軌，我國滾齒加工技術與裝備也將迎來新的發展機遇和挑戰。

1)設計信息化與裝備智能化發展趨勢。隨著“中國智造”2025的不斷推進，未來滾齒機企業的發展目標是實現工業化與信息化的“兩化深度融合”，高精、高細、高速、柔性、智能將成為中國滾齒機產業等制造業提檔升級的大方向。在齒輪設計方面，利用三維數字化建模及仿真技術，節省生產試制成本，提高設計壽命；在滾齒加工工藝方面，采用干式滾切技術，實現綠色制造及清潔加工，降低生產成本；在裝備制造方面，開發高速高精度、全數控化滾齒機，簡化機床結構，實現整個切齒過程的全數字化和智能化控制，提高加工精度、切削效率、穩定性和可靠性。滾齒機技術變革將以滾齒機智能化控制裝置技術為核心，并且更加專用化、實用化。目前，相對于國外先進技術，國內研究工作還處于起步階段，但它對提高齒輪制造質量和技術水平具有重要意義。

2)新材料、新技術的應用將給齒輪加工行業帶來顛覆性革命。如新型塑料及齒輪模具技術的應用，塑料齒輪將在一些場合廣泛取代金屬齒輪。塑料齒輪具有傳動噪音低、能夠吸振、自潤滑、模具加工生產效率高等優點，隨著塑料成形技術及齒輪模具技術的發展，塑料齒輪的應用將會成為世界性趨勢。塑料齒輪的快速發展將給齒輪模具帶來巨大的市場空間。在國際塑料齒輪行業大發展的趨勢下，國內對市場變化的反應還不夠敏銳，配套研究難以跟上市場需求，與國外齒輪模具先進水平相比還有很大的上升空間。

[1] 中國產業研究報告網．2015-2020年中國齒輪行業市場分析與發展趨勢[R/OL]．http://www.chinairr.org，2015

[2] 《齒輪制造工藝手冊：滾、插、磨、剃、刨》編委會．齒輪制造工藝手冊：滾、插、磨、剃、刨[M]．北京：機械工業出版社，2010

[3] 石照耀．提升裝備水平助推齒輪行業實現強國夢[N]．中國工業報，2012-11-01

[4] 黃強，張根寶等．開放式滾齒機數控系統開發策略及系統結構研究[J] ．機床與液壓，2006(01)

[5] 呂師師．數控滾齒機嵌入式零編程系統的研制[D]．重慶大學，2006

[6] 康玲．零編程技術在齒輪數控滾削加工中的應用研究[D]．重慶大學，2007

[7] 郭奉民．滾齒加工數控程序參數化編制系統研究與開發[D]．重慶大學，2013

[8] 熊海洋．齒輪加工圖形參數化自動編程系統的開發與研究[D] ．蘭州理工大學，2004

[9] 余亮．數控滾齒加工自動編程系統的研究與開發[D]．蘭州理工大學，2009

[10] 朱墨．非圓齒輪參數化設計及自動編程系統開發[D]．蘭州理工大學，2013

[11] 孫翰英，楊建國．基于SIEMENS 840D數控系統的滾齒機熱誤差補償技術研究[J] ．組合機床與自動化加工技術，2013(12)105-106