機(jī)床：磨齒機(jī)

基本內(nèi)容

19世紀(jì)末﹐為了磨削插齒刀﹐在美國創(chuàng)制了大平面砂輪磨齒機(jī)。20世紀(jì)初﹐隨著汽車工業(yè)的發(fā)展﹐德國研制出錐面砂輪磨齒機(jī)﹐美國采用成形砂輪磨削汽車齒輪。1914年﹐為了提高齒輪精度﹐瑞士制造出碟形砂輪磨齒機(jī)﹐采取了補(bǔ)償砂輪磨損等措施。30年代后期﹐瑞士又研制出蝸桿砂輪磨齒機(jī)﹐提高了效率。

磨齒機(jī)的工作原理分成形法和展成法(見齒輪加工)兩類。

按成形法加工的成形砂輪磨齒機(jī)(圖1 成形砂輪磨齒機(jī) )的砂輪由成形砂輪修整器在軸向剖面內(nèi)修成齒形﹐砂輪架可作垂直方向進(jìn)給。被磨齒輪由分度架和尾座支承﹐通過工作臺作縱向往復(fù)運(yùn)動以磨出齒面﹐每磨一齒后進(jìn)行分度。在磨斜齒輪的機(jī)床上﹐砂輪可按工件螺旋角轉(zhuǎn)一角度﹐工件能在往復(fù)運(yùn)動的同時得到附加轉(zhuǎn)動。如機(jī)床砂輪架能使砂輪進(jìn)入內(nèi)齒輪工件中﹐便可磨削內(nèi)齒輪。成形砂輪磨齒機(jī)結(jié)構(gòu)簡單﹐效率高﹐精度可達(dá)5級﹐適用於成批生產(chǎn)﹐對齒數(shù)少(例如少於10)的齒輪尤為合適。

按展成法加工的磨齒機(jī)根據(jù)砂輪形狀可分為 4種。碟形砂輪磨齒機(jī)﹕兩個旋轉(zhuǎn)的碟形砂輪的窄邊相當(dāng)於齒條的兩個齒面(圖2 碟形砂輪磨齒機(jī) )﹐工件通過滾圓盤和鋼帶作展成運(yùn)動﹐工作臺沿工件軸向作往復(fù)運(yùn)動以磨出整個齒寬。每磨完一齒后由分度頭架通過分度盤分齒。這種機(jī)床還可利用附加裝置磨削斜齒。若用一個砂輪伸入內(nèi)齒輪中﹐就可磨削內(nèi)齒輪。這種機(jī)床一般為臥式布局﹐加工直徑大於1米時用立式布局﹐精度可達(dá)4級﹐適用於磨削高精度齒輪。錐面砂輪磨齒機(jī)﹕砂輪的軸向剖面修整成齒條的一個齒形﹐并沿齒向作直線往復(fù)運(yùn)動。工件通過蝸輪﹑絲杠和交換齒輪完成展成和分度運(yùn)動﹐但也有用滾圓盤和鋼帶作展成運(yùn)動﹐利用蝸輪副或分度盤作分度運(yùn)動的 (見彩圖 錐形砂輪磨齒機(jī) ﹑ 蝸桿珩齒機(jī) )。砂輪架按工件螺旋角轉(zhuǎn)過一個角度時可磨削斜齒輪。這種機(jī)床調(diào)整方便﹐通用性好﹐適用於單件成批生產(chǎn)﹐應(yīng)用較廣。蝸桿砂輪磨齒機(jī)﹕原理與滾齒機(jī)相似﹐砂輪為大直徑單頭蝸桿(見蝸桿傳動)形狀﹐砂輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)﹐工件轉(zhuǎn)過一齒﹐其傳動比準(zhǔn)確﹐有的用機(jī)械傳動﹐有的用同步電動機(jī)分別驅(qū)動﹐有的用光柵和伺服電機(jī)傳動。磨削時工件沿軸向作進(jìn)給運(yùn)動(見機(jī)床)﹐以磨出整個齒面。砂輪用金剛石車刀車削或用滾壓輪滾成蝸桿形。機(jī)床為立式布局﹐連續(xù)分度﹐磨削效率高﹐適用於成批生產(chǎn)中加工中等模數(shù)的齒輪﹐對齒數(shù)多的齒輪尤為合適﹐精度可達(dá)4級。大平面砂輪磨齒機(jī)﹕砂輪的工作平面相當(dāng)於齒條的一個齒面﹐用漸開線樣板(也有用鋼帶和滾圓盤的)產(chǎn)生展成運(yùn)動。砂輪和工件都不作工件軸向往復(fù)運(yùn)動﹐磨出一側(cè)齒面后利用分度盤分齒﹐依次磨出所有齒面。然后工件調(diào)頭﹐再磨出另一側(cè)齒面。機(jī)床為臥式布局﹐結(jié)構(gòu)簡單﹐性能穩(wěn)定﹐精度可達(dá)3級﹐主要用於磨削插齒刀﹑剃齒刀和計量用的測量齒輪等。

依據(jù)齒輪磨齒原理的不同，磨齒機(jī)分為展成砂輪磨齒機(jī)和成形砂輪磨齒機(jī)。

1、展成砂輪磨齒機(jī)特點

展成磨齒法是基于嚙合切削原理的磨齒方法。展成法磨齒對砂輪要求簡單，同一模數(shù)齒輪磨削時，只需相同的砂輪即可，并對砂輪的修整要求不高，因而展成磨齒機(jī)得到了充分發(fā)展，形成了多種系列產(chǎn)品。

在展成砂輪磨齒機(jī)中，蝸桿砂輪磨齒機(jī)應(yīng)用最廣。其加工原理和滾齒機(jī)類似，一個具有蝸桿形狀的砂輪連續(xù)與齒輪嚙合，從而展成輪齒的漸開線形狀。該方法是磨齒工藝中效率較高的方法之一，在中小模數(shù)齒輪批量磨齒加工中效率最高，運(yùn)用最為廣泛。

2、成形砂輪磨齒機(jī)特點

成形砂輪磨齒法是基于成形加工原理的磨齒方法，是通過使用特定輪廓的砂輪磨削齒輪。成形磨齒法多用于大直徑，大模數(shù)，少齒數(shù)齒輪加工。隨著現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展，相對展成砂輪磨齒機(jī)，成形砂輪磨齒機(jī)的優(yōu)勢越來越明顯，主要表現(xiàn)在:

（1） 操作、調(diào)整方便。機(jī)床無展成運(yùn)動、結(jié)構(gòu)簡單、控制與調(diào)整更方便。

（2） 效率高。砂輪磨削接觸面積大于展成磨，單位時間磨削量大大增加。同時采用深切緩進(jìn)給與強(qiáng)力冷卻技術(shù)，在降低磨削燒傷概率的情況下，減少了粗磨次數(shù)，進(jìn)一步提高了磨削效率。

（3） 磨削精度高、穩(wěn)定性好。機(jī)床運(yùn)動相對簡單，故運(yùn)動平穩(wěn)無沖擊。CNC成形砂輪磨齒機(jī)采用的伺服控制系統(tǒng)和位置檢測技術(shù)大大提高了機(jī)床運(yùn)動精度。數(shù)控砂輪修整技術(shù)與機(jī)床在機(jī)檢測技術(shù)的運(yùn)用，有效地保證了成形砂輪磨齒機(jī)的磨齒精度。目前，成形磨齒精度可達(dá)2～1級，穩(wěn)定在3級。

（4） 適用范圍廣。數(shù)控砂輪修整技術(shù)的運(yùn)用，使成形磨削可以方便地實現(xiàn)齒輪修形。通過配備相應(yīng)的軟件可磨削各種特殊的齒形，如花鍵齒、圓弧齒、擺線齒等。因成形砂輪磨齒機(jī)的優(yōu)點逐漸顯現(xiàn)，20世紀(jì)末以來，成形砂輪磨齒機(jī)得到了充分發(fā)展。

（1） 成形磨齒成為未來磨齒技術(shù)的發(fā)展總趨勢。近年來成形磨齒機(jī)在很多領(lǐng)域逐步取代了展成磨齒機(jī)，尤其是大模數(shù)齒輪磨齒領(lǐng)域，幾乎全部采用成形磨齒，成形砂輪磨齒機(jī)必將成為未來高端磨齒機(jī)產(chǎn)品的主流。

（2） 功能復(fù)合化、工序集中化。KAPP公司的KX300磨齒中心及Samputensili公司的S400GT以及Liebherr公司的LCS280蝸桿－成形磨齒機(jī)可先用CBN蝸桿大砂輪進(jìn)行粗磨，再用CBN小成形砂輪精磨齒輪。另外機(jī)床集自動上下料、自動對刀、磨齒、在機(jī)檢測等工藝于一體大大提高了加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，必將成為CNC磨齒裝備的發(fā)展方向之一。

（3） 磨齒機(jī)高速、高效率化。Gleason－Pfauter集團(tuán)的P60滾磨齒復(fù)合機(jī)床刀具主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)12000 r / min，工作臺轉(zhuǎn)速達(dá)到了3000 r/min。Reishau-er公司的RZ400蝸桿砂輪磨齒機(jī)加工一個模數(shù)4mm、齒數(shù)27、齒寬50 mm的直齒輪，磨削時間僅為0.82 min。

成形法磨齒精度主要由兩方面決定: 砂輪輪廓的修整精度和工件周向分齒精度。因此，成形法磨齒的關(guān)鍵在于砂輪輪廓修整及工件任意齒數(shù)的精密分度。

1、數(shù)控砂輪修整器

成形砂輪磨齒機(jī)快速發(fā)展，離不開數(shù)控砂輪修整技術(shù)的發(fā)展與運(yùn)用； 數(shù)控砂輪修整器的運(yùn)用使砂輪齒廓修整精度大為提高，使成形磨齒法精密磨齒得以實現(xiàn)，進(jìn)而促進(jìn)了成形磨齒機(jī)的發(fā)展。數(shù)控砂輪修整器一般采用金剛筆或者金剛石滾輪作為修整工具。采用金剛筆修整時需要不斷調(diào)整金剛筆的傾角使其適應(yīng)修整表面的法矢，運(yùn)動控制復(fù)雜，修整效率低； 另外，金剛筆的點接觸修整使筆尖金剛石易磨損，且磨損量不規(guī)則、補(bǔ)償困難，對砂輪的修整精度影響較大。因金剛筆修整成形砂輪存在諸多弊端，現(xiàn)代數(shù)控砂輪修整器大多采用金剛石滾輪作為修整工具。金剛石滾輪在進(jìn)行非線性復(fù)雜型面修整時，不僅能修整出精度很高的砂輪型面，而且工作效率高、壽命長、操作便利。

近年來我國在成形砂輪數(shù)控修整器研究方面取得了如下一些代表性成果。一是發(fā)明了新型成形砂輪修整器。如: 重慶機(jī)床有限公司發(fā)明的磨齒機(jī)砂輪修整裝置，實現(xiàn)了對砂輪的壓力角精確、連續(xù)修整。南京山能精密機(jī)床有限公司發(fā)明了“一種數(shù)控成形磨齒機(jī)三軸法向砂輪修整裝置”； 修整裝置可實現(xiàn)砂輪在線高效修整，可實現(xiàn)任意形狀、任意規(guī)格齒形的精確修整、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠性高。南京工大數(shù)控科技有限公司發(fā)明了“坐標(biāo)成形砂輪修整器”； 修整器利用圓弧截面金剛滾輪法矢自適應(yīng)性，通過簡單的極坐標(biāo)運(yùn)動控制形式即可滿足砂輪各種復(fù)雜截面型線的修整。二是砂輪修整誤差分析方面取得一些成果。如南京工業(yè)大學(xué)黃筱調(diào)等提出了“數(shù)控成形磨齒金剛滾輪非線性磨損補(bǔ)償系統(tǒng)及方法”，該技術(shù)的實現(xiàn)是通過測量磨削的齒輪齒廓誤差，反求對應(yīng)的金剛滾輪磨損信息，然后在砂輪修整階段實現(xiàn)磨損補(bǔ)償。運(yùn)用該技術(shù)能有效延長金剛滾輪的使用壽命，降低加工成本，而且該技術(shù)容易與數(shù)控成形磨齒機(jī)的操作系統(tǒng)集成，自動化程度高。南京工業(yè)大學(xué)張四弟等分析了數(shù)控插補(bǔ)修整砂輪中金剛石工具自身形狀誤差對砂輪修整精度的影響，并提出了相應(yīng)的解決措施，設(shè)計出修整裝置。張虎等建立了數(shù)控砂輪修整器的實際運(yùn)動坐標(biāo)系，并以此構(gòu)建了砂輪修整誤差與齒廓偏差之間的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用模型研究了各個砂輪修整誤差對齒廓偏差的影響。

2、周向精密分齒

齒輪的齒距偏差主要來源于機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)誤差、磨齒過程中工藝方法的誤差及分度系統(tǒng)的誤差，其中分度系統(tǒng)誤差影響最大。欲提高成形砂輪磨齒機(jī)的磨齒精度，就必須使磨齒機(jī)實現(xiàn)周向精密分度。隨著高精度、硬齒面、消隙蝸輪蝸桿副技術(shù)的逐漸成熟，數(shù)控技術(shù)在磨齒機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動中應(yīng)用普遍化，力矩伺服電機(jī)的實用化以及高精度旋轉(zhuǎn)編碼器技術(shù)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動檢測反饋控制技術(shù)的提高，磨齒機(jī)周向精密分齒技術(shù)有了更廣的提升空間。

目前周向分齒已能實現(xiàn)± 2″的控制精度，滿足了高精度磨齒對分齒精度的要求。近年來國內(nèi)在成形磨齒機(jī)周向精密分齒技術(shù)方面取得了如下成果。一是大連理工大學(xué)將多齒分度盤技術(shù)運(yùn)用到磨齒機(jī)分度系統(tǒng)中，取得了良好的試驗效果，實現(xiàn)周向分齒精度±1″～±3″可滿足高精度齒輪成形磨齒機(jī)需求。該技術(shù)已申請發(fā)明專利“磨齒機(jī)用高精度端齒自動分度裝置”。二是陳立新發(fā)明了“磨齒機(jī)自動消隙驅(qū)動分度工作臺”。該發(fā)明的創(chuàng)新點在于采用了雙蝸桿蝸輪分度，實現(xiàn)了從動蝸桿與蝸輪的接觸間隙始終為零，有效的提高了分齒精度。三是為減小成形磨齒中分度誤差，江蘇大學(xué)與河南科技大學(xué)提出了齒輪成形磨削分度誤差補(bǔ)償技術(shù)。該技術(shù)指出，在不改變機(jī)床結(jié)構(gòu)和制造精度的條件下，通過位置檢測裝置，實時地檢測加工過程中的空間位置誤差，將該誤差量反饋到機(jī)床的控制系統(tǒng)中，通過對理想數(shù)控指令進(jìn)行修改，從而提高機(jī)床加工定位精度，實現(xiàn)誤差的有效補(bǔ)償。