齿轮加工机床的效率、精度、性能等方面介绍

魔神

     随着科学技术和经济的发展，齿轮加工业对于齿轮加工机床的性能要求不断提高，反之，齿轮加工机床制造业对于齿轮加工又具有导向作用，形成有机的联动发展。为此，一批能适应社会科技和经济发展节拍的新产品应运而生；反之，则被淘汰。这在齿轮磨床制造业中尤为突出。像瑞士马格公司（Magg）七十余年来一直以其生产的碟形双砂轮磨齿机在国际市场独显风采，作为磨齿机中最高精度的代表产品，采用展成磨削原理，及其它技术措施，可磨削出三级以上精度的齿轮。但是，马格磨齿机亦有不足之处，主要是：效率低 展成磨削为点接触加上碟形砂轮自身强度、刚度限制，不能作深切或强力磨削；生产成本高 所需的特殊附件多，如缺口分度板齿数须和工件齿数相匹配，工作基圆要与滚圆盘的直径一致等，工作种类愈多，所需附件愈多。为此，这家世界闻名、历史悠久的公司，于八十年代末被瑞士奥立康公司（Oerllkon）兼并。 

    国内曾研制出Y7032A、Y7063A、Y7160等碟形双砂轮磨齿机，其中原秦川机床厂制造的Y7032A，其主要性能均达到马格公司同类产品SD-32-X碟形双砂轮磨齿机水平，荣获国家科技进步一等奖。但是，由于高效蜗杆砂轮磨齿机制造技术的成熟应用，碟形双砂轮磨齿机的市场占有率逐年缩小。  

    从马格公司被兼并的现实，留给人们思考的是两个字：“效率”。效率是物质能量的反映，是生命力的象征。为此，自七十年代末至今，国内外磨齿机发展趋势，一直以高效率、高精度为追求目标。  

   根据国内外资料介绍，提高磨齿机效率、精度、性能等方面，着重从三个方面入手：一是采用CNC技术；二是采用新型磨削材料CBN砂轮；三是采用新的磨削原理，目前重点集中在蜗杆砂轮和成型砂轮磨削两大类技术上。 

    －－蜗杆砂轮磨齿机－－  

    随着CNC技术的发展和蜗杆砂轮及成型砂轮磨削技术的日益成熟，其加工精度已经赶上原马格磨齿机水平，而生产效率远高于Magg磨齿机，已为市场和专家公认，近年来占有绝大部分的市场。其中蜗杆砂轮磨齿机的生产效率又高于成型磨齿机，且技术成熟较早，所以市场份额就更大一些。国际上代表当今蜗杆砂轮磨齿机制造水平的首推瑞士莱斯豪尔公司（Reishaue），其代表产品有：NZA、AZA、RZ300E、RZ301S、RZ362、RZ801、RZ820等型号蜗杆砂轮磨齿机。其他制造厂商主要有：美国格里森公司的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，中国秦川公司的YE7232、YK7232、YK7250等型号产品及上海机床厂的YKA7232。 

    表一：国内外同类蜗杆砂轮磨齿机主要性能、特点对照表  

型号 项目		瑞士 AZA		中国秦川 YE7232		匈牙利FKP 326-10
直径（mm）	10~330		20~320		10~320
模数（mm）	0.5~6		1~6		0.5~6
齿数	12~260		12~260		10~260
最大直齿宽度（mm）	170		170
螺旋角（?）	±45		±45		±45
夹持长度（mm）	145~420		180~420		240~420
磨削精度		4（5）级/DIN3962		4~5级/GB10095-88		4~6级/DIN3962
自动进给/自动复位		有/有		有/有		有/无
自动切向位移		有		有		有
砂轮单、双头磨削		有		有		有
齿向修形功能		有		有		有
齿形修形功能		有		有		有
主传动元件数		22		20		22
砂轮修整形式		滚轮、车刀		金刚石滚轮		金刚石车刀
工件滑座调速形式及特点		容积高速、均匀		容积高速、均匀		节流调整、不均匀
电气主控制系统		PC装置		PC装置		PC装置
自动化程度		程控自动磨削		程控自动磨削		程控自动磨削
生产能力		优		优		优

    注：GB10095-88与DIN3962等效标准，瑞士AZA磨削Z<24达到DIN39625级精度。 

    通常大批量齿轮加工，蜗杆砂轮磨齿工艺当为首选。上述磨齿机在性能、水平档次上有差异，在价格上差异更大，莱斯豪尔公司的产品价格约为其他国外厂商同类产品的2~3倍，约为中国同类产品的4~5倍。在能满足加工要求和保证生产效率前提下，笔者认为国内厂家应立足国内磨齿机的选型。经过国家专业机构检测鉴定，秦川的YE7232与世界王牌瑞士莱斯豪尔的AZA磨齿机主要性能、特点类似，但价格仅为其的1/5~1/6（见分析表）。秦川的YE7232与世界王牌 瑞士莱斯豪尔的RZ301S等磨齿机主要性能，特点比较见表2。 

    表二：秦川厂与瑞士莱斯豪尔公司（Reishauer）磨齿机

型号 项目		秦川机床集团有限公司		瑞士Reishauer公司
		YK7232		RZ300E		RZ301S
直径（mm）	20~320		10~300		10~330
模数（mm）	1~6		0.5~5		0.5~6
齿数	12~256		7~256		10~600
螺旋角（°）	±45		±45		±45
工件架行程（mm）	180		180		180
最大顶尖距（mm）	420		420		420
最大重量（N）	600		500		600
直径（mm）	400~300		350~270		350~270
宽度（mm）	100、80		84		104
磨削转速（r/min）	1100~1650		1100~1900		1100~1900
修整转速（r/min）	56		52~90		52~90
快速进退量（mm）	40		50		50
切向位移量（mm）	90		70		90
工件轴向速度（mm/r）	0.4~3		0.6~3		0.6~3
单行程进给量（mm）	0.01~0.1		0.01~0.08		0.01
机动进给总量（mm）	0.8		0.8		－－-
精度		3~4（5）		3~4		3~4
传动系统		电子传动		电子传动		电子传动
控制系统		计算机数控		PC控制		计算机数控
齿形修形		有		有		有
齿面对刀		有		有		有
磨削状态指示		有		有		有
自动切向位移		有		可有		有
砂轮转速选择		有		有		有
操作调整性能		优		良		优
磨削效率		较高		一般		高
功能价格比		优		一般		一般

    *极限规格齿轮为5级  

    －－成型砂轮磨齿机－－  

    成型砂轮磨齿机的发展已有四十余年的历史，该磨齿机的关键在于成型砂轮修整器。在八十年代以前，修整器大都为钢带滚圆结构、四连杆机构和渐开线样板的修整器，囿于在磨削斜齿轮时，砂轮廓形必须随砂轮直径改变而改变，而机械式修整器很难实现随机的变化。八十年代初，德国Kapp公司研制出VAG和VAS系列电镀立方氮化硼成型砂轮磨齿机，由于砂轮预先制成必要的形状，直径几乎没有变化，避免磨削斜齿轮时出现的困难。可是由于这种砂轮万能性差，制作价格昂贵，故没有得到普及推广。比较理想的是采用数控砂轮修整器，在磨削斜齿轮时，修整器的运动轨迹可随砂轮直径的变化而变化。八十年代以来，很多厂商都致力于该修整器的研究。所以说蜗杆砂轮磨轮机不断创新的同时，与之并行的成型砂轮磨齿工艺日趋成熟完善，并显示出其特有的重要性，其关键在于克服了蜗杆砂轮磨齿工艺的不足。有关专家曾评述成型砂轮磨齿机的优点为：  

    能十分方便地解决齿形修缘和齿根圆角问题  

    蜗杆砂轮磨齿机磨削修缘齿形时必须配备专用金刚石滚轮，生产成本较高。此外用同一修缘滚轮，当砂轮直径不同时，砂轮的实际修缘量是变化的，被磨齿轮的齿形修缘量也会跟着变化。模数越大，这个问题越明显。  

   数控成型砂轮磨齿机磨修缘齿轮时，只需将修缘量和齿廓形状通过数控系统的操作面板输入系统，而且必要时可随时修改，十分方便。  

   成型磨齿在理论上对工件模数没有限制，而蜗杆砂轮磨齿机的工件模数有很大的局限性  

   理论上蜗杆砂轮磨齿机砂轮应该修成一个渐开线蜗杆。而目前采用的修整方法，只能得到“K”型蜗杆，当螺旋升角很小时，这两者之间的差别不大；但是，当螺旋升角加大时，两者之间的误差会明显增大。所以AZA和RZ301S等蜗杆砂轮磨齿机最大模数只能到6mm。RZ801型磨齿机的最大模数为7mm或8mm，但是只能机下修形，必须另配修整器，很不经济。  

    采用大颗粒金刚石车修砂轮，可以获得正确的渐开线蜗杆，但这种大颗粒金刚石价格十分昂贵，因此这种修整方法已经不再采用。将一个平面金刚滚轮置于砂轮假想蜗杆基田圆柱的切平面内，理论上可以修出渐开线蜗杆，但由于砂轮直径是不断变化的，金刚滚轮的位置必须跟着不断地调整，所以实际上也很难实现。  

    当工件齿数较少、齿宽较大时，如油泵齿轮，成型磨的效率高于蜗杆砂轮磨 

    数控成型砂轮磨齿机具有其他各种磨齿机无法比拟的万能性  

    配备相应的软件后，可以方便地加工各种特殊齿形，如摆线齿、花键等，调整方便，操作简便。  

    成型砂轮磨齿机在工件齿数较多时，生产效率低于蜗杆砂轮磨齿机，却又大大高于锥面砂轮磨齿机  

    国际上代表当今成型砂轮磨齿机制造水平首推瑞士Oerlilion-Maag公司，其代表产品为Opal4200、Opal800、Opal1200型CMC磨齿机，磨削精度最高可达DIN2级。其他制造商有：意大利Samputensili公司的R1-370, 德国Kapp公司的VAS55、VAS432、VUS530、VUS531，日本唐津公司的FGS-30N及原德国Niles公司的双砂轮成型磨齿机。中国秦川早期制造的成型砂轮磨齿机有YS7332、YS7363、Y73100，近年内制造出的有YK7332、YK73100以及内齿轮成型磨齿机Y7550、YK75100等。中国研制的成型磨齿机，其技术水平暂低于国外先进水平，但几种控成型砂轮磨齿机相当于国际九十年代初期水平，且从适用性、性能价格方面，仍不失为国内齿轮制造行业首选产品。国内成型砂轮磨齿机的主要性能见表3。 
表3：国内成型砂轮磨齿机主要技术性能  

型号 项目		秦川机床集团有限公司
		YK7332	YK73100	YK75100
根圆直径（mm）	min	30	300	400
工件直径（mm）	max	320	1000	1000
法向模数（mm）	min	1	3	2
	max	12	16	12
螺旋角（°）	max	±90	±35	±30
齿数	-	1~99	1~333	32~300
齿宽（mm）	-	350	450	200
磨具中心到工件轴线的距离（mm）	min	128	300	70
	max	303	880	370
砂轮轴向移动行程（mm）	min	20	20	-
精度GB10095-88	max	4级	5~6级	4~5级
立柱拖板走刀速度（mm/min）	max	-	100	100
立柱进刀速度（mm/min）	max	-	100	100
立柱拖板走刀行程（mm）	max	-	580	580
立柱进刀行程（mm）	max	-	580	320
砂轮架走刀速度（mm/min）	max	6000	Z轴	-
砂轮架进刀速度（mm/min）	max	10000	X轴	-
砂轮架走刀行程（mm）	max	440	Z轴	-
砂轮架进刀行程（mm）	max	175	X轴	-
头尾架顶尖距（mm）	min	250	-	-
	max	700	-	-

    国内诸多用户对于成型磨齿技术不是很熟悉，虽说制造过几种型号的机械式成型磨齿机，但因固有的技术不足而应用范围很小。随着数控技术的应用，成型磨齿在九十年代初期以来已经相当成熟，所以与蜗杆砂轮磨齿技术一样愈来愈受到重视，并被人们接受、应用推广，而形成齿轮磨床研究发展趋势，作为国内齿轮磨床制造业，亦应从中引起重视和深思。

    －－锥思砂轮磨齿机－－  

    以万能性好而著称的锥面砂轮磨齿机，国外制造厂家水平较高的为德国的Niles公司（现为Kapp公司兼并）和Hofler公司，以及Kolb公司，其机床加工精度一般稳定在DIN4级，个别型号可达DIN3级。Niles公司的代表产品有：ZSTZ10/LPC、ZTZ06EG-CNC、ZTZ08EG-CNC、ZST10EG-CNC磨齿机；Hofler公司的代表产品有：H300、H630E、H803E、H1003、H1253、H1603、H2000、H4000磨齿机；Kolb公司的代表产品有：KZ1、KZ2磨齿机等。  

   国内在八十年代中期之前，主要研制生产锥面砂轮磨齿机。制造商代表为：上海机床厂和秦川机床集团有限公司，曾先后生产数千台锥面砂轮磨齿机，主要型号有：Y7163、Y7150、Y7132、Y7132A、Y7132B、Y7132D、Ym7132A、Y7163A、YK7163、Y7180等。其中秦川公司的Ym7132A、Y7163A、YK7163、Y7180等机床的性能与德国同类产品性能接近，达八十年代末国际先进水平，加工精度稳定在4级。同时，由于机床价格远低于进口机床，以其良好的性能价格比，赢得国内大部分市场。