齒輪磨床發展趨勢和國產典型磨齒機綜述論

齒輪磨床發展趨勢和國產典型磨齒機綜述論  齒輪磨床經過八十余年發展，已從單一產品演變到多系列、多規格，從傳統的機械式到采用數控技術，從氧化鋁砂輪到采用CBN砂輪，使機床精度、性能和加工效率不斷提高，而操作日趨簡捷方便。現已形成七個系列200余種規格的齒輪磨床，按標準化分為碟形雙砂輪系列（Y70）、錐形砂輪系列（Y71）、蝸桿砂輪系列（Y72）、成型砂輪系列（Y73）、大平面砂輪系列（Y74）、內齒輪砂輪系列（Y75）、擺線齒輪系列（Y76）。中國的齒輪磨床研究制造已有四十余年歷史，從八十年代初至今近二十多年間發展較快，制造出七個系列60余種規格的齒輪磨床。其中1997年由秦川機床集團有限公司研制成功的YK7250蝸桿砂輪磨齒機（數控八軸五聯動）在國際機床博覽會上被有關專家譽為“具國際水平的機床”，標志著中國齒輪磨床制造技術水平跨入世界先進行列。 隨著科學技術和經濟的發展，齒輪加工業對于齒輪加工機床的性能要求不斷提高，反之，齒輪加工機床制造業對于齒輪加工又具有導向作用，形成有機的聯動發展。為此，一批能適應社會科技和經濟發展節拍的新產品應運而生；反之，則被淘汰。這在齒輪磨床制造業中尤為突出。像瑞士馬格公司（Magg）七十余年來一直以其生產的碟形雙砂輪磨齒機在國際市場獨顯風采，作為磨齒機中最高精度的代表產品，采用展成磨削原理，及其它技術措施，可磨削出三級以上精度的齒輪。但是，馬格磨齒機亦有不足之處，主要是：效率低 展成磨削為點接觸加上碟形砂輪自身強度、剛度限制，不能作深切或強力磨削；生產成本高 所需的特殊附件多，如缺口分度板齒數須和工件齒數相匹配，工作基圓要與滾圓盤的直徑一致等，工作種類愈多，所需附件愈多。為此，這家世界聞名、歷史悠久的公司，于八十年代末被瑞士奧立康公司（Oerllkon）兼并。 國內曾研制出Y7032A、Y7063A、Y7160等碟形雙砂輪磨齒機，其中原秦川機床廠制造的Y7032A，其主要性能均達到馬格公司同類產品SD-32-X碟形雙砂輪磨齒機水平，榮獲國家科技進步一等獎。但是，由于高效蝸桿砂輪磨齒機制造技術的成熟應用，碟形雙砂輪磨齒機的市場占有率逐年縮小。 從馬格公司被兼并的現實，留給人們思考的是兩個字：“效率”。效率是物質能量的反映，是生命力的象征。為此，自七十年代末至今，國內外磨齒機發展趨勢，一直以高效率、高精度為追求目標。 根據國內外資料介紹，提高磨齒機效率、精度、性能等方面，著重從三個方面入手：一是采用CNC技術；二是采用新型磨削材料CBN砂輪；三是采用新的磨削原理，目前重點集中在蝸桿砂輪和成型砂輪磨削兩大類技術上。 --蝸桿砂輪磨齒機-- 隨著CNC技術的發展和蝸桿砂輪及成型砂輪磨削技術的日益成熟，其加工精度已經趕上原馬格磨齒機水平，而生產效率遠高于Magg磨齒機，已為市場和專家公認，近年來占有絕大部分的市場。其中蝸桿砂輪磨齒機的生產效率又高于成型磨齒機，且技術成熟較早，所以市場份額就更大一些。國際上代表當今蝸桿砂輪磨齒機制造水平的首推瑞士萊斯豪爾公司（Reishaue），其代表產品有：NZA、AZA、RZ300E、RZ301S、RZ362、RZ801、RZ820等型號蝸桿砂輪磨齒機。其他制造廠商主要有：美國格里森公司的TAG400、匈牙利Cepel公司的FKP-362-10、PCG326-10PLC等，日本Kashifuji公司的KF200、OKMOTO公司的SHG400，中國秦川公司的YE7232、YK7232、YK7250等型號產品及上海機床廠的YKA7232。表一：國內外同類蝸桿砂輪磨齒機主要性能、特點對照表型號項目 瑞士 AZA 中國秦川 YE7232 匈牙利FKP 326-10 主要加工參數 直徑（mm） 10~330 20~320 10~320 模數（mm） 0.5~6 1~6 0.5~6 齒數 12~260 12~260 10~260 最大直齒寬度（mm） 170 170   螺旋角（?） ±45 ±45 ±45 夾持長度（mm） 145~420 180~420 240~420 磨削精度 4(5)級/DIN3962 4~5級/GB10095-88 4~6級/DIN3962 自動進給/自動復位 有/有 有/有 有/無自動切向位移 有 有 有砂輪單、雙頭磨削 有 有 有齒向修形功能 有 有 有齒形修形功能 有 有 有主傳動元件數 22 20 22 砂輪修整形式 滾輪、車刀 金剛石滾輪 金剛石車刀工件滑座調速形式及特點 容積高速、均勻 容積高速、均勻 節流調整、不均勻電氣主控制系統 PC裝置 PC裝置 PC裝置自動化程度 程控自動磨削 程控自動磨削 程控自動磨削生產能力 優 優 優 注：GB10095-88與DIN3962等效標準，瑞士AZA磨削Z<24達到DIN39625級精度。 通常大批量齒輪加工，蝸桿砂輪磨齒工藝當為首選。上述磨齒機在性能、水平檔次上有差異，在價格上差異更大，萊斯豪爾公司的產品價格約為其他國外廠商同類產品的2~3倍，約為中國同類產品的4~5倍。在能滿足加工要求和保證生產效率前提下，筆者認為國內廠家應立足國內磨齒機的選型。經過國家專業機構檢測鑒定，秦川的YE7232與世界王牌瑞士萊斯豪爾的AZA磨齒機主要性能、特點類似，但價格僅為其的1/5~1/6（見分析表）。秦川的YE7232與世界王牌 瑞士萊斯豪爾的RZ301S等磨齒機主要性能，特點比較見表2。表二：秦川廠與瑞士萊斯豪爾公司（Reishauer）磨齒機性能對照表型號項目 秦川機床集團有限公司 瑞士Reishauer公司 YK7232 RZ300E RZ301S 工 件 直徑（mm） 20~320 10~300 10~330 模數（mm） 1~6 0.5~5 0.5~6 齒數 12~256 7~256 10~600 螺旋角（°） ±45 ±45 ±45 工件架行程（mm） 180 180 180 最大頂尖距（mm） 420 420 420 最大重量（N） 600 500 600 砂 輪 直徑（mm） 400~300 350~270 350~270 寬度（mm） 100、80 84 104 磨削轉速（r/min） 1100~1650 1100~1900 1100~1900 修整轉速（r/min） 56 52~90 52~90 快速進退量（mm） 40 50 50 切向位移量（mm） 90 70 90 工件軸向速度（mm/r） 0.4~3 0.6~3 0.6~3 單行程進給量（mm） 0.01~0.1 0.01~0.08 0.01 機動進給總量（mm） 0.8 0.8 --- 精度 3~4(5) 3~4 3~4 傳動系統 電子傳動 電子傳動 電子傳動控制系統 計算機數控 PC控制 計算機數控齒形修形 有 有 有齒面對刀 有 有 有磨削狀態指示 有 有 有自動切向位移 有 可有 有砂輪轉速選擇 有 有 有操作調整性能 優 良 優磨削效率 較高 一般 高功能價格比 優 一般 一般 *極限規格齒輪為5級 --成型砂輪磨齒機-- 成型砂輪磨齒機的發展已有四十余年的歷史，該磨齒機的關鍵在于成型砂輪修整器。在八十年代以前，修整器大都為鋼帶滾圓結構、四連桿機構和漸開線樣板的修整器，囿于在磨削斜齒輪時，砂輪廓形必須隨砂輪直徑改變而改變，而機械式修整器很難實現隨機的變化。八十年代初，德國Kapp公司研制出VAG和VAS系列電鍍立方氮化硼成型砂輪磨齒機，由于砂輪預先制成必要的形狀，直徑幾乎沒有變化，避免磨削斜齒輪時出現的困難。可是由于這種砂輪萬能性差，制作價格昂貴，故沒有得到普及推廣。比較理想的是采用數控砂輪修整器，在磨削斜齒輪時，修整器的運動軌跡可隨砂輪直徑的變化而變化。八十年代以來，很多廠商都致力于該修整器的研究。所以說蝸桿砂輪磨輪機不斷創新的同時，與之并行的成型砂輪磨齒工藝日趨成熟完善，并顯示出其特有的重要性，其關鍵在于克服了蝸桿砂輪磨齒工藝的不足。有關專家曾評述成型砂輪磨齒機的優點為： 能十分方便地解決齒形修緣和齒根圓角問題 蝸桿砂輪磨齒機磨削修緣齒形時必須配備專用金剛石滾輪，生產成本較高。此外用同一修緣滾輪，當砂輪直徑不同時，砂輪的實際修緣量是變化的，被磨齒輪的齒形修緣量也會跟著變化。模數越大，這個問題越明顯。 數控成型砂輪磨齒機磨修緣齒輪時，只需將修緣量和齒廓形狀通過數控系統的操作面板輸入系統，而且必要時可隨時修改，十分方便。 成型磨齒在理論上對工件模數沒有限制，而蝸桿砂輪磨齒機的工件模數有很大的局限性 理論上蝸桿砂輪磨齒機砂輪應該修成一個漸開線蝸桿。而目前采用的修整方法，只能得到“K”型蝸桿，當螺旋升角很小時，這兩者之間的差別不大；但是，當螺旋升角加大時，兩者之間的誤差會明顯增大。所以AZA和RZ301S等蝸桿砂輪磨齒機最大模數只能到6mm。RZ801型磨齒機的最大模數為7mm或8mm，但是只能機下修形，必須另配修整器，很不經濟。 采用大顆粒金剛石車修砂輪，可以獲得正確的漸開線蝸桿，但這種大顆粒金剛石價格十分昂貴，因此這種修整方法已經不再采用。將一個平面金剛滾輪置于砂輪假想蝸桿基田圓柱的切平面內，理論上可以修出漸開線蝸桿，但由于砂輪直徑是不斷變化的，金剛滾輪的位置必須跟著不斷地調整，所以實際上也很難實現。 當工件齒數較少、齒寬較大時，如油泵齒輪，成型磨的效率高于蝸桿砂輪磨 數控成型砂輪磨齒機具有其他各種磨齒機無法比擬的萬能性 配備相應的軟件后，可以方便地加工各種特殊齒形，如擺線齒、花鍵等，調整方便，操作簡便。 成型砂輪磨齒機在工件齒數較多時，生產效率低于蝸桿砂輪磨齒機，卻又大大高于錐面砂輪磨齒機 國際上代表當今成型砂輪磨齒機制造水平首推瑞士Oerlilion-Maag公司，其代表產品為Opal4200、Opal800、Opal1200型CMC磨齒機，磨削精度最高可達DIN2級。其他制造商有：意大利Samputensili公司的R1-370, 德國Kapp公司的VAS55、VAS432、VUS530、VUS531，日本唐津公司的FGS-30N及原德國Niles公司的雙砂輪成型磨齒機。中國秦川早期制造的成型砂輪磨齒機有YS7332、YS7363、Y73100，近年內制造出的有YK7332、YK73100以及內齒輪成型磨齒機Y7550、YK75100等。中國研制的成型磨齒機，其技術水平暫低于國外先進水平，但幾種控成型砂輪磨齒機相當于國際九十年代初期水平，且從適用性、性能價格方面，仍不失為國內齒輪制造行業首選產品。國內成型砂輪磨齒機的主要性能見表3。表3：國內成型砂輪磨齒機主要技術性能型號項目 秦川機床集團有限公司 YK7332 YK73100 YK75100 根圓直徑（mm） min 30 300 400 工件直徑（mm） max 320 1000 1000 法向模數（mm） min 1 3 2 max 12 16 12 螺旋角（°） max ±90 ±35 ±30 齒數 - 1~99 1~333 32~300 齒寬（mm） - 350 450 200 磨具中心到工件軸線的距離（mm） min 128 300 70 max 303 880 370 砂輪軸向移動行程（mm） min 20 20 - 精度GB10095-88 max 4級 5~6級 4~5級立柱拖板走刀速度（mm/min） max - 100 100 立柱進刀速度（mm/min） max - 100 100 立柱拖板走刀行程（mm） max - 580 580 立柱進刀行程（mm） max - 580 320 砂輪架走刀速度（mm/min） max 6000 Z軸 - 砂輪架進刀速度（mm/min） max 10000 X軸 - 砂輪架走刀行程（mm） max 440 Z軸 - 砂輪架進刀行程（mm） max 175 X軸 - 頭尾架頂尖距（mm） min 250 - - max 700 - - 國內諸多用戶對于成型磨齒技術不是很熟悉，雖說制造過幾種型號的機械式成型磨齒機，但因固有的技術不足而應用范圍很小。隨著數控技術的應用，成型磨齒在九十年代初期以來已經相當成熟，所以與蝸桿砂輪磨齒技術一樣愈來愈受到重視，并被人們接受、應用推廣，而形成齒輪磨床研究發展趨勢，作為國內齒輪磨床制造業，亦應從中引起重視和深思。 --錐思砂輪磨齒機-- 以萬能性好而著稱的錐面砂輪磨齒機，國外制造廠家水平較高的為德國的Niles公司（現為Kapp公司兼并）和Hofler公司，以及Kolb公司，其機床加工精度一般穩定在DIN4級，個別型號可達DIN3級。Niles公司的代表產品有：ZSTZ10/LPC、ZTZ06EG-CNC、ZTZ08EG-CNC、ZST10EG-CNC磨齒機；Hofler公司的代表產品有：H300、H630E、H803E、H1003、H1253、H1603、H2000、H4000磨齒機；Kolb公司的代表產品有：KZ1、KZ2磨齒機等。 國內在八十年代中期之前，主要研制生產錐面砂輪磨齒機。制造商代表為：上海機床廠和秦川機床集團有限公司，曾先后生產數千臺錐面砂輪磨齒機，主要型號有：Y7163、Y7150、Y7132、Y7132A、Y7132B、Y7132D、Ym7132A、Y7163A、YK7163、Y7180等。其中秦川公司的Ym7132A、Y7163A、YK7163、Y7180等機床的性能與德國同類產品性能接近，達八十年代末國際先進水平，加工精度穩定在4級。同時，由于機床價格遠低于進口機床，以其良好的性能價格比，贏得國內大部分市場。