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19世紀末,為了磨削插齒刀,在美國創(chuàng)制了大平面砂輪磨齒機。20世紀初,隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,德國研制出錐面砂輪磨齒機,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,采取了補償砂輪磨損等措施。30年代后期,瑞士又研制出蝸桿砂輪磨齒機,提高了效率。

依據齒輪磨齒原理的不同,磨齒機分為展成砂輪磨齒機和成形砂輪磨齒機。

1、展成砂輪磨齒機特點

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,因而展成磨齒機得到了充分發(fā)展,形成了多種系列產品。

在展成砂輪磨齒機中,蝸桿砂輪磨齒機應用最廣。其加工原理和滾齒機類似,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,在中小模數齒輪批量磨齒加工中效率最高,運用最為廣泛。

2、成形砂輪磨齒機特點

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,少齒數齒輪加工。隨著現代數控技術的快速發(fā)展,相對展成砂輪磨齒機,成形砂輪磨齒機的優(yōu)勢越來越明顯,主要表現在:

(1) 操作、調整方便。機床無展成運動、結構簡單、控制與調整更方便。

(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。同時采用深切緩進給與強力冷卻技術,在降低磨削燒傷概率的情況下,減少了粗磨次數,進一步提高了磨削效率。

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

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

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,成形法磨齒的關鍵在于砂輪輪廓修整及工件任意齒數的精密分度。

1、數控砂輪修整器

成形砂輪磨齒機快速發(fā)展,離不開數控砂輪修整技術的發(fā)展與運用; 數控砂輪修整器的運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,進而促進了成形磨齒機的發(fā)展。數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整金剛筆的傾角使其適應修整表面的法矢,運動控制復雜,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,現代數控砂輪修整器大多采用金剛石滾輪作為修整工具。金剛石滾輪在進行非線性復雜型面修整時,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: 重慶機床有限公司發(fā)明的磨齒機砂輪修整裝置,實現了對砂輪的壓力角精確、連續(xù)修整。南京山能精密機床有限公司發(fā)明了"一種數控成形磨齒機三軸法向砂輪修整裝置"; 修整裝置可實現砂輪在線高效修整,可實現任意形狀、任意規(guī)格齒形的精確修整、結構緊湊、工作可靠性高。南京工大數控科技有限公司發(fā)明了"坐標成形砂輪修整器"; 修整器利用圓弧截面金剛滾輪法矢自適應性,通過簡單的極坐標運動控制形式即可滿足砂輪各種復雜截面型線的修整。二是砂輪修整誤差分析方面取得一些成果。如南京工業(yè)大學黃筱調等提出了"數控成形磨齒金剛滾輪非線性磨損補償系統(tǒng)及方法",該技術的實現是通過測量磨削的齒輪齒廓誤差,反求對應的金剛滾輪磨損信息,然后在砂輪修整階段實現磨損補償。運用該技術能有效延長金剛滾輪的使用壽命,降低加工成本,而且該技術容易與數控成形磨齒機的操作系統(tǒng)集成,自動化程度高。南京工業(yè)大學張四弟等分析了數控插補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,并提出了相應的解決措施,設計出修整裝置。張虎等建立了數控砂輪修整器的實際運動坐標系,并以此構建了砂輪修整誤差與齒廓偏差之間的數學模型,運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床主軸的回轉誤差、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的磨齒精度,就必須使磨齒機實現周向精密分度。隨著高精度、硬齒面、消隙蝸輪蝸桿副技術的逐漸成熟,數控技術在磨齒機回轉運動中應用普遍化,力矩伺服電機的實用化以及高精度旋轉編碼器技術與回轉運動檢測反饋控制技術的提高,磨齒機周向精密分齒技術有了更廣的提升空間。

目前周向分齒已能實現± 2″的控制精度,滿足了高精度磨齒對分齒精度的要求。近年來國內在成形磨齒機周向精密分齒技術方面取得了如下成果。一是大連理工大學將多齒分度盤技術運用到磨齒機分度系統(tǒng)中,取得了良好的試驗效果,實現周向分齒精度±1″~±3″可滿足高精度齒輪成形磨齒機需求。該技術已申請發(fā)明專利"磨齒機用高精度端齒自動分度裝置"。二是陳立新發(fā)明了"磨齒機自動消隙驅動分度工作臺"。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,江蘇大學與河南科技大學提出了齒輪成形磨削分度誤差補償技術。該技術指出,在不改變機床結構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床的控制系統(tǒng)中,通過對理想數控指令進行修改,從而提高機床加工定位精度,實現誤差的有效補償。

提高磨齒機對刀精度和效率,對提高齒輪加工精度及加工效率有顯著意義。磨齒機自動對刀能實現在不停機的情況下調整對刀,且操作簡單,效率高,對刀精度高。自動精確對刀的主要思路為: 數控系統(tǒng)自動獲取工件兩側齒槽邊界并記錄其位置,然后計算得到精確的齒槽中點位置所在,也即進給加工起點所在,最后發(fā)出指令,由伺服系統(tǒng)確定砂輪位置所在。因此,如何快速、精確地獲取齒槽邊界位置是自動精確對刀技術的關鍵所在。

采用接觸檢測技術,配合主軸進行坐標運算,可快速、精確地獲取齒槽位置,最終確定刀具具體位置。當前最主要的接觸檢測技術歸納起來有: 主軸電機功率檢測、轉矩檢測和AE聲信號檢測。國外關于磨齒機自動對刀技術的研究起步較早,技術較為成熟,德國KApp、NILES以及瑞士RE-ISHAUER等高端磨齒機均可實現自動精確對刀功能。國內相關研究起步晚,進展緩慢,具有代表性的研究如下。秦川機械發(fā)展股份有限公司借鑒國外的磨齒機對刀技術,提出了運用AE聲發(fā)射技術進行接觸檢測,并輔助機床坐標檢測和計算,實現了單片成形砂輪磨削圓柱直齒內齒輪的粗磨、精磨自動對刀,以及防碰撞功能,對刀痕跡在0.01mm以內,滿足生產要求。南京工業(yè)大學劉海寧等同樣采用AE傳感器檢測磨削聲信號,并作為反饋信號由電控箱進行分析處理。該方法運用于SINUMERIK840D數控系統(tǒng),最終實現了蝸桿砂輪的精確自動對刀。

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

2、功能復合化、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-成形磨齒機可先用CBN蝸桿大砂輪進行粗磨,再用CBN小成形砂輪精磨齒輪。另外機床集自動上下料、自動對刀、磨齒、在機檢測等工藝于一體大大提高了加工質量和生產效率,必將成為CNC磨齒裝備的發(fā)展方向之一。

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