張 曙 張炳生 譚為民

張曙 同濟大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，上海市科技功臣、全國優(yōu)秀科技工作者、中國機械工程學(xué)會榮譽理事。

1 圓柱齒輪加工

齒輪是重要的機械零件，應(yīng)用極其廣泛，汽車、飛機、火車、輪船、機床和各種生產(chǎn)機械都需要有齒輪，可以說幾乎無處不在。齒輪的類別很多，有圓柱齒輪、錐齒輪、平面齒輪和非圓齒輪等。本文限于篇幅，僅涉及圓柱齒輪加工。圓柱齒輪的齒廓形狀大多為漸開線，其加工的基本原理是按照齒輪嚙合過程展成，故稱為展成法。

根據(jù)用途不同，圓柱齒輪的結(jié)構(gòu)各異、精度相差甚遠(yuǎn)、尺寸也大小不一，有的如大功率風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)向齒輪直徑甚至大于10 m，有的微型機器人的齒輪直徑僅2～3 mm，如圖1所示。

根據(jù)所要求的齒輪精度等級，圓柱齒輪的加工方法多種多樣，有切削加工和非切削加工，切削加工又有滾齒、插齒、剃齒、磨齒、珩齒等多種工藝方法，如圖2所示。

由于圓柱齒輪的加工原理基于展成法，即刀具與工件要保持相互嚙合關(guān)系。對圓柱直齒齒輪而言，刀具轉(zhuǎn)一圈，工件轉(zhuǎn)過一個齒；對圓柱螺旋斜齒輪，還需要附加螺旋角轉(zhuǎn)動。傳統(tǒng)的齒輪加工機床是依靠復(fù)雜的齒輪傳動鏈來實現(xiàn)這個要求。

隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了“電子齒輪”，即兩臺伺服電動機保持一定的轉(zhuǎn)速比例關(guān)系，省去復(fù)雜的齒輪傳動系統(tǒng)，以電代機，實現(xiàn)“零機械傳動”，同時借助角度測量反饋系統(tǒng)（如高分辨率編碼器）提高兩臺伺服電動機的同步程度。伺服系統(tǒng)同步的精度直接反映到齒輪機床的加工精度，成為現(xiàn)代數(shù)控齒輪加工機床的核心技術(shù)。

2 滾齒車削復(fù)合加工機床

按照工藝流程，齒輪零件的加工一般是先車削，然后進行切齒和倒角，分別在不同的機床上進行。為了縮短過程鏈和加工時間，提高生產(chǎn)效率，在一臺機床上一次裝夾就完成全部加工工序就成為齒輪加工機床追求的目標(biāo)。美國格里森（Gleason）公司的Agi l lus 180TH萬能型復(fù)合加工機床，能夠加工各種軸類和盤類齒輪零件，即使小批量也能夠?qū)崿F(xiàn)高生產(chǎn)率和成本優(yōu)化，如圖3所示。

180TH滾齒車削復(fù)合機床的結(jié)構(gòu)配置特點是雙立柱，一個立柱用以完成滾齒加工，另一個用以完成車削加工，共有10～12個數(shù)控軸。床身采用礦物鑄造（人造花崗石），以提高機床的動態(tài)性能，延長刀具壽命。獨立的排屑通道設(shè)計，實現(xiàn)快速熱移除，以保證加工精度。機床的外觀和結(jié)構(gòu)配置如圖4所示。

從圖4中可見，左邊的立柱是滾齒，滾刀主軸滑座可沿立柱上下移動（Z軸），滾刀主軸可在滑座上作±45°偏轉(zhuǎn)（A軸），完成直齒或斜齒的滾切。配有數(shù)控尾架（Z4軸），以便準(zhǔn)確定心，快速裝卸工件。

右邊的立柱是車削，具有12工位的轉(zhuǎn)塔刀架可沿立柱上下移動（Z2軸），實現(xiàn)軸向進給運動。轉(zhuǎn)塔上除車刀外，還可安裝自驅(qū)動的銑刀或鉆頭，進行輔助的銑削和鉆削加工。在轉(zhuǎn)塔上可安裝倒角、去毛刺裝置，以便需要時在滾齒后進行倒角。

轉(zhuǎn)塔上可配置機械手爪，與機床右側(cè)的環(huán)形傳送帶配合，進行工件的交換和裝卸。轉(zhuǎn)塔上還可選配測量頭，對刀具磨損進行補償。

該機床的技術(shù)性能見表1。

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3 小模數(shù)8軸數(shù)控滾齒機

為了適應(yīng)儀器儀表、鐘表和微機械行業(yè)加工小模數(shù)齒輪的市場需求，瑞士拉姆特-瓦利（Lamber t-Wahl i）公司推出W90 和W1000micro兩款小模數(shù)數(shù)控滾齒機。W1000micro數(shù)控滾齒機共有8個數(shù)控軸，采用博世力士樂IndraMotionMTX 數(shù)控系統(tǒng)，適用于模數(shù)小于0.8 mm的直齒輪、斜齒輪、冠狀齒輪、端面齒輪、橢圓齒輪、直齒傘齒輪、蝸輪的粗滾和精滾加工。機床的外觀、典型零件和結(jié)構(gòu)布局如圖5所示。

從圖中可見，該機床采用臥式布局，工件主軸和尾架配置在機床前方，分別可作縱向移動（左Z軸和右Z軸）。后方是立柱，滾刀主軸滑座沿立柱上下移動（Y軸），并可繞中心偏轉(zhuǎn)±35°（A軸），分別用于加工右旋或左旋斜齒輪，立柱可作前后移動，實現(xiàn)徑向進給（X軸）。工件主軸與滾刀主軸通過電子齒輪連接，實現(xiàn)比例同步伺服驅(qū)動。

W1000micro滾齒機可按加工齒輪的形狀配置不同的自動上料器，也可用機械手上下料。如圖6所示。

W1000micro小模數(shù)數(shù)控滾齒機的主要技術(shù)參數(shù)見表2 。

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4 特大型數(shù)控滾齒機

風(fēng)電、礦山冶金機械和水泥窯等都需要大型和重型齒輪。美國希斯莊明（SchiessBrighton）公司為中國中信集團開發(fā)了特大型6軸數(shù)控滾齒機，在原有希斯RF-CNC滾齒機的基礎(chǔ)上重新設(shè)計了新RF-CNC系列數(shù)控滾齒機，使之成為現(xiàn)代化的、高效的特大型齒輪加工機床。新RF-CNC系列有兩個型號，齒輪最大加工直徑分別為：16 m和10 m（單齒銑削)；或14 m和8.5 m（滾齒），其加工實況如圖7所示。

數(shù)控滾齒機較之傳統(tǒng)滾齒機的最大優(yōu)點在于大大提高齒輪加工速度(大約5～10倍)；因為數(shù)控滾齒機可使用切削速度為160 m/min的硬質(zhì)合金滾刀；而傳統(tǒng)滾齒機僅可使用切削速度為16 m/min的高速鋼滾刀。

機床主要部件，如床身、立柱、工作臺底座和工作臺等，均采用高強度的鑄件。這是機床穩(wěn)定性強、剛性好、精度保持性高且經(jīng)久耐用的先決條件。

所有直線和環(huán)形的導(dǎo)軌，全部采用靜壓導(dǎo)軌。靜壓導(dǎo)軌可提供高質(zhì)量的接觸表面和無接觸的部件運動，從而提高了機床精度和阻尼性能，且在整個使用壽命中，能保持精度穩(wěn)定，使各軸達到極佳的定位精度和重復(fù)定位精度。例如，工作臺由多個靜壓油腔的大直徑靜壓軸承支撐；每一靜壓油腔均配有獨立和可調(diào)的油路和冷卻循環(huán)裝置，以保證靜壓油溫恒定，避免產(chǎn)生熱變形，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

工作臺驅(qū)動采用兩個小齒輪嚙合固定在工作臺的大齒圈上進行驅(qū)動。所有進給軸，無論是直線的或者圓周的，均安裝Heidenhain直接測量系統(tǒng)。各直線進給軸采用滾柱絲杠驅(qū)動。

Rf-CNC 50/140-160特大型數(shù)控滾齒機的主要技術(shù)參數(shù)見表3。

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5 蝸桿、成形復(fù)合磨齒機

Ti tan 1200G型大型復(fù)合磨齒機是以格里森公司推出的Ti tan1200H滾齒機為平臺的Ti tan系列產(chǎn)品。Titan系列是工件直徑800～6400 mm、最大加工模數(shù)為40 mm的大型齒輪加工機床系列。其愿景旨在為大型齒輪加工機床建立高性能、易操作和高生產(chǎn)率的新標(biāo)桿。設(shè)計的理念是：最小的占地面積、最高的性能和用戶友好?；谄鋬?yōu)越的性能，Titan系列的滾齒機和磨齒機既可用于小批量生產(chǎn)，也適用于大批量生產(chǎn)。Titan 1200G 和1500G皆可在同一臺機床上進行蝸桿砂輪磨齒和成形砂輪磨齒。Titan 1200G的最大加工直徑為1200 mm，其外觀如圖9所示。

蝸桿砂輪磨齒的特點是高效率，而成形砂輪磨齒的特點是高精度，格里森公司將兩者集成在一臺磨齒機上，采取新的加工策略，以期新機床同時具備高效率、高精度和高柔性。要實現(xiàn)這個目標(biāo)的關(guān)鍵在于蝸桿砂輪、成形粗磨砂輪和精磨成形砂輪兩者之間的自動交換、自動定位和自動修正，其過程如圖10所示。

從圖10中可見，帶有機械手的砂輪移動裝置與4工位的砂輪庫組成砂輪自動交換系統(tǒng)，砂輪庫可存放2～4個砂輪，例如用于高效磨齒的蝸桿砂輪（藍(lán)色）和用于成形精磨的片狀砂輪（粉紅色）。機械手抓取砂輪后，將其移動到主軸前方，機械手轉(zhuǎn)過90°，

Special Topice & Interview主軸將砂輪軸夾緊，尾座支撐并自動定位，然后借助砂輪修整器修正砂輪，冷卻噴嘴移動到砂輪上方或兩側(cè)，開始進行磨齒。砂輪主軸采用直接驅(qū)動，HSK接口夾緊系統(tǒng)和自動調(diào)節(jié)的冷卻油噴嘴。

磨齒過程的轉(zhuǎn)換由兩個軟件支持：Op t i-Gr ind用于粗磨和精磨片狀砂輪的特性配合，借助完善的多片技術(shù)，即使少齒數(shù)也能高效率地加工；Power-Grind用于蝸桿砂輪粗磨與后續(xù)精密成形磨齒的配合，借助軟件可實現(xiàn)磨齒的高效率。例如，采用蝸桿砂輪對模數(shù)14 mm、齒數(shù)84、齒寬255 mm的大型齒輪進行磨齒，比傳統(tǒng)的成形磨齒效率提高了36%。

Ti tan 1200G磨齒機操作方便，加工時加工空間可接近性好，易于維護，占地面積比傳統(tǒng)磨齒機少35%，且由于采用智能能源管理系統(tǒng)以及最新的驅(qū)動技術(shù)和電動機，能源消耗減少了40%。

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Titan 1200G數(shù)控磨齒機的主要技術(shù)參數(shù)見表4 。

6 結(jié)語和展望

齒輪加工工藝復(fù)雜，本文僅就圓柱齒輪的滾齒和磨齒進行闡述，未涉及插齒、剃齒、珩齒等工藝，一方面限于篇幅，另一方面這些機床的結(jié)構(gòu)相對簡單。

數(shù)控系統(tǒng)的電子齒輪給齒輪加工機床帶來根本性的變化。由于比例伺服同步精度決定了齒輪加工機床的精度，使加工4級、甚至更高精度的齒輪成為可能。我國秦川機床集團在此領(lǐng)域已經(jīng)進入國際先進水平，在齒輪磨床產(chǎn)品方面可以與進口產(chǎn)品抗衡。

提高生產(chǎn)效率永遠(yuǎn)是推動機床發(fā)展的動力，在齒輪加工中也不例外，各種復(fù)合加工形式都將獲得應(yīng)用。此外，發(fā)展小模數(shù)和特大型齒輪加工機床是我們面臨的挑戰(zhàn)，不能夠因為市場規(guī)模不大而加以忽視。

美國格里森公司把自己定位為齒輪加工全面解決方案提供商，非常值得學(xué)習(xí)。不僅提供不同的齒輪加工機床，還包括齒輪測量機、齒輪刀具等。