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汽车齿轮加工技术和典型装备
作者:重庆机床(集团)有限责任公司 廖绍华
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齿轮加工机床/刨床展厅
铣齿机, 龙门刨, 滚齿机, 剃齿机, 插齿机, ...
一、前 言

齿轮是汽车行业主要的基础传动元件,通常每辆汽车中有18~30个齿部,齿轮的质量直接影响汽车的噪声、平稳性及使用寿命。目前按产量计我国已成为世界第三大汽车生产国,强大的汽车工业必然需要强大的齿轮加工装备业支撑。齿轮加工机床是一种复杂的机床系统,是汽车行业的关键设备,世界上各汽车制造强国如美国、德国和日本等也是齿轮加工机床制造强国。据统计,我国80%以上的汽车齿轮由国产制齿装备加工完成。同时,汽车工业消费了60%以上的齿轮加工机床,汽车工业将一直是机床消费的主体。

二、汽车齿轮加工方法

1.最常用的齿轮加工工艺

根据尺寸、材料和用途的不同,齿轮可用不同的方法制造。目前齿轮加工最主要的工艺方案如下。

■ 滚齿(插齿、锻齿)→剃齿→热处理
■ 滚齿(插齿、锻齿)→热处理→刮剃
■ 滚齿(插齿、锻齿)→热处理→刮滚
■ 滚齿(插齿、锻齿)→热处理→刮滚→珩齿(强力珩)
■ 滚齿(插齿、锻齿)→热处理→磨齿
■ 滚齿(插齿、锻齿)→热处理→磨齿→珩齿(强力珩)

2.汽车齿轮加工最常用的工艺方法及其特点

■ 滚齿(插齿、锻齿)→剃齿→热处理→(珩齿)

特点:加工效率高、加工成本低,适合轿车及微型车齿轮加工。

■ 滚(插齿)→剃齿→热处理

特点:加工效率高、加工成本低,适合于一般中重型汽车齿轮加工。

■ 滚(插齿)→热处理→磨齿

特点:加工精度高、加工效率较低、加工成本,适合于高速齿轮、大型客车、高档重型汽车齿轮的加工。

3.齿轮加工应考虑的因素

■ 根据加工对象和要求,要选择适合的机床。如适合的机床的规格、数控轴数、性能,机床要有高的刚性、良好的热稳定性、高可靠性等;

■ 齿轮的加工精度和效率,还与刀具的材料、参数、涂层工艺、精度等级及刚性,夹具的定位方式、精度和刚性,齿坯的材料、硬度、精度和刚性,切削用量的合理选用,以及切削液的选用有关。

4.齿轮加工新技术

■ 高速干式切削

特点:绿色加工、高效率、单件加工成本低。

■ 硬齿面加工

特点:高效率,加工成本低。

■ 无削加工(冷轧齿轮等)

特点:绿色加工、齿部强度高、高效、成本低。

三、齿轮加工对装备的要求及发展趋势

1.齿轮加工对装备的要求

■ 齿轮加工机床向数控方向发展;
■ 高效率和24小时连续不断的工作能力;
■ 实现稳定高精度加工;
■ 自动化程度高,应具有自动上、下料,自动夹紧装置;
■ 环境友好;
■ 高的柔性,实现批量生产的准备时间短;
■ 高的性价比。

2. 齿轮加工技术与装备的发展趋势

为适应齿轮加工行业对制造精度、生产效率、清洁生产、提高质量的要求,制齿机床及制齿技术出现了以下发展趋势。

2.1全数控

由于通过将机床的各运动轴进行CNC控制及部分轴间进行联动后,具有以下优点:

〔1〕增加了机床的功能,如滚削小锥度及鼓形齿轮等变得极为简单;
〔2〕缩短了传动链,同时采用半闭环或全闭环控制后,通过数控补偿可以提高各轴的定位精度和重复定位精度,从而提高了机床的加工精度及Cp值,增加了机床的可靠性;
〔3〕换品种时由于省去了计算及换分齿挂轮及差动挂轮、进给及主轴换档的时间,插齿机还省去了换斜导轨的时间,从而减少了辅助加工时间,增加了机床的柔性;
〔4〕由于机械结构变得简单了,可以在设计更有利于提高机床的刚性及把热变形降到最底;
〔5〕各轴间没有机械联系,结构设计变得典型化,更利于实施模块化设计及制造。

因此,制齿机床正朝着全数控的方向发展。

2.2 高速高效

齿轮加工机床如滚齿机、插齿机及磨齿机的高速化主要是指机床拥有高的刀具主轴转速和高的工作台转速,它们是提高切削效率的主要指标。

传统机械滚齿机的滚刀主轴通常最高为500 r/min,工作台转速最高为32r/min。随着齿轮加工刀具性能的提高,齿轮加工机床的高速、高效切削得到了飞速发展和成熟,齿轮滚齿切削速度由100m/min,到可达500~600m/min,切削走刀速度由3~4mm/r发展到了可达20mm/r,这使滚齿机主轴的最高转速可达5500r/min,工作台最高转速可达800r/min,机床部件移动速度也高达10m/min;大功率主轴系统使机床可运用直径和长度均较大的砂轮进行磨削,以利增加砂轮寿命,也有利于操作者选择最优的磨削参数来完成磨削加工。

高效加工是机床从各个方面采用了专用技术来得以保证:具有最佳吸振效果的铸造床身;使机床具有最佳热稳定性的集成冷却介质循环系统;切削区保护隔板大倾角及光滑设计使干式切削产生的切屑迅速有效排出;具有用预载的、无隙滚珠丝杆驱动的进给系统;具有耐磨损直线导轨或采用PLC控制的定量润滑铸铁导轨等等。电主轴的应用使刀具主轴得到提高,而工作台转速的提高则是采用了高精度斜齿轮副或力矩电机。电主轴及力矩电机具有回转精度高、无反向间隙和不用维修等优点。

2.3高加工精度

由于采用了高精度具有预加负荷的高刚性直线导轨、滚珠丝杆、滚动轴承、电主轴、力矩电机及数控技术,使齿轮加工机床在高速加工的条件下精度得到保证并有所提高。电主轴精度一般为径向振摆0.002mm,轴向0.001mm;环形扭矩伺服电机定位精度达0.5″,重复定位精度达0.01″;直线运动轴的定位精度小于0.008mm,重复定位精度小于0.005mm。滚齿及插齿尽管为粗加工,但在高速切削的条件下仍能达到DIN6∽7级精度,为其后的精加工工序获得高精度提供了保证。目前,高档齿轮切削机床测M值能达到Cpk≧1.67。

随着磨齿机生产效率的提高、单件齿轮磨齿成本的降低以及汽车齿轮不断追求提高精度的要求,市场对磨齿机的需求越来越大;同时,随着数控技术的发展,各种机床间的功能延伸较容易实现。因此,在激烈的市场竞争压力下,世界各主要制齿机床制造商企业纷纷加入生产以磨齿机为代表的齿轮精加工机床行列。这种趋势的发展将使今后的汽车齿轮加工越来越多的采用滚—磨工艺。

2.4 功能复合

功能复合型机床是指在一台机床上或工件一次装夹中,可以完成多道工序加工,从而提高工件的加工效率甚至精度。目前齿轮加工机床主要有以下功能复合组合形式。

(1)自动上料、车削、滚齿、倒棱、去毛刺、自动下料;
(2)自动上料、车削、滚齿、倒角、自动下料;
(3)自动上料、车削、滚齿、磨削、自动下料;
(4)自动上料、磨内孔、车端面、磨齿轮、自动下料;
(5)磨齿轮、磨外圆、磨端面;
(6)自动上料、倒棱去毛刺、剃齿、自动下料;
(7)自动上料、滚齿、倒角、去毛刺、自动下料;,
(8)自动上料、铣弧齿锥齿轮、倒角、自动下料;
(9)自动上料、倒棱去毛刺、剃齿、甩干、自动下料。

2.5绿色化

切削过程中应用切削液可提高刀具寿命,改善加工表面质量和利于排出切削热而不致引起机床的热变形。但是,在高速切削过程中切削液的飞溅和形成的油雾对生态环境,特别是操作者的健康特别有害。为此,通常是将加工区用护罩封闭起来,安装上油雾分离器,使排出的只是不含油的雾,而切削油则重新流回机床内循环利用。但这并不能从根本上解决环保问题,因为变质切削液的更换排放会严重污染环境。

湿式齿轮加工中消耗的切削液及切削液附加装置的费用占加工成本的20%左右,采用高速干式切削能提高2∽3倍以上的加工效率,刀具的使用寿命是湿式切削的2∽5倍,因此,干式切削降低了单件齿轮的加工成本。

高速干式切削既可减少冷却油的消耗和冷却处理装备,又可避免对环境造成污染,还能提高生产效率,降低单件齿轮的制造成本。因此,高速干式切削成为切齿机床制造商多年来追求的目标和发展方向。随着齿轮加工机床的高速化,机床刚性的提高,良好的抗震性及排屑技术的完善,以及干式高速切削刀具的进一步发展,高速干切已在切齿机床上全面实现。

2.6 智能化与信息化

数字化控制技术、传感器技术、信息技术和网络控制技术结合在一起,使数控齿轮加工机床的智能化水平更高。

齿轮加工机床要实现误差补偿、温度补偿、自动平衡、防撞功能、过载保护、有无工件自动识别、装夹工件是否正确、工件是否已加工过、对齿啮合、加工余量分配、刀具磨损、在线精密检测、自动修整砂轮、零编程界面、多功能加工软件、切削工艺专家系统、机器人在机床间搬运工件时的自动识别、远程控制、远程诊断等功能。

智能化是齿轮机床提高可靠性、安全性、稳定性、复杂零件加工、精密加工和实现无人化生产的基础,还必将不断完善和提高。

齿轮加工正朝着高效、高精度及绿色制造方向发展,齿轮加工机床正朝着全数控、功能复合、智能化、自动化及信息化方向发展。

四、汽车齿轮加工的典型装备

1.应用最广泛的汽车齿轮加工装备

目前,根据各行业齿轮加工工艺特点,使用最广泛的制齿装备有滚齿机、插齿机、剃齿机、倒棱机、倒角机、花键冷轧、磨齿机。

重庆机床集团作为我国成套数控齿轮加工装备的排头兵,世界上齿轮加工机床产销量最大的制造商,为齿轮制造业提供了大量的制齿装备,其主导产品数控滚齿机、数控剃齿机和数控花键冷轧机已达到国际先进水平,代表了国内滚齿机、剃齿机和花键冷轧机的最高水平。

2.滚齿技术与装备

滚齿法已被证明是通过切削方法在齿圈上产生齿形最经济的方法,实际上蜗轮只能用滚齿的方法加工。

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图1 展成滚削圆柱齿轮

2.1 滚齿机的分类

2.1.1 按数控化程度分类

◆机械滚齿机
◆普及型数控滚齿机(2~3个直线数控轴)
◆四轴联动数控滚齿机(4~8个数控轴,四轴联动)

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图2 滚齿机数控轴

图2中:

A-刀架回转运动 伺服轴
B-滚刀旋转运动 主轴
C-工作台旋转运动 伺服轴
X-径向进给运动 伺服轴
Y-切向进给运动(或窜刀运动) 伺服轴
Z-轴向进给运动 伺服轴

四联联动指 B、C、X、Z或B、C、X、Y为联动轴。由电子齿轮箱(程序)完成切齿时的分齿运动、进给补偿运动、差动进给补偿运动。

2.1.2 按加工精度分类

◆普通滚齿机
◆精密滚齿机
◆高精度滚齿机

2.1.3 按加工效率分类

◆普通滚齿机
◆高效滚齿机
◆高速滚齿机

2.1.4 按加工对象分类

◆软齿面滚齿机
◆硬齿面滚齿机

2.2 重庆机床集团YKS3120系列模块化滚齿机的特点

重庆机床集团采用模块化方式设计、制造YKS318、YKS3112、YS3116CNC7、YKS3120、YKS3132及YS3140CNC6六轴四联动数控高速滚齿机的参数(见表1)及特点如下:

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图3 YKS3120系列数控高速滚齿机外观图

表1 重庆机床集团六轴四联动数控滚齿机系列产品的主要技术规格参数
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YKS3120六轴数控高速滚齿机系列产品的特点

◆ 采用SIEMENS 840D或FANUC 18i数控系统;
◆ 采用了大量的进口名牌配套件来提高机床的速度、精度、可靠性等;
◆既可用于湿式滚齿也可用于干式滚齿,既可滚软齿面又可滚硬齿面齿轮;
◆ 适合采用加长多头滚刀强力大走刀量高速切削,加工效率极高;
◆ 不同模数、不同齿数、不同螺旋角及不同螺旋方向的双联及多联齿轮可在一次安装下完成齿部的滚切(如图4),还能单分度铣槽;

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图4 一次安装完成多个齿部加工

◆ 高刚性

●立柱用钢板焊接结构;
●床身采用多层壁结构;
●滚刀主轴斜齿轮及工作台分度齿轮具有消除间隙及阻尼机构。

◆采用进口滚柱式加阻尼和预负荷的直线滚动导轨,毋需维护且保持久的高精度;

◆ 热变形小

●采用大流量的循环润滑系统,保证滚刀主轴传动箱、工作台传动箱、后立柱支架三个部件的热平衡;
●机床具有热对称性设计的铸造床身,床身内部通过冷却油循环,保证了热量的可靠传播和床身好的热稳定性。

◆ 极高的安全性

●防护门与机床主轴启动联锁;
●开启灵活的机床护罩防护门并带电子锁;
●在断电或发生故障时自动让刀避免碰撞;
●主电机过载自动监测及报警装置;
●带自动上下料的机床上设置有零件类型检测、零件是否已加工过检测及工件是否安装到位检测装置。

◆自动化程度高

● 可配各种不同类型的工件自动上、下料装置;
● 滚刀刀杆采用自动夹紧装置锁紧,外端支承用手轮手动前进及后退,不需要工具;
● 滚刀采用液压螺母锁紧,并配置有机外快速调刀装置。

◆柔性好

当更换加工零件时,不再需要更换差动挂轮、分齿挂轮、进给挂轮,极大地节省了调整时间。

3. 剃齿技术与装备

剃齿是精加工齿轮的一种方法。由于剃削生产率高、剃齿齿轮质量好、剃齿刀具耐用度高以及所用机床结构简单、调整方便,所以在成批生产的汽车、摩托车等行业的齿轮加工中,剃齿得到了广泛应用。通常剃齿可提高齿轮精度1~2级,剃后达到5~7级,齿面粗糙度一般为Ra=1.25~0.32μm。

3.1剃齿机的分类及特点

3.1.1按控制方式分

机械剃齿机:这类机床通常采用PLC方式控制。
数控剃齿机:包括一轴至六轴数控。

3.1.2 按功能分

万能剃齿机:这类机床具有轴向剃、径向剃、切向剃和对角剃功能。由于机床的功能多,结构复杂,会降低机床的刚性。
径向剃齿机:只有径向剃功能,机床结构简单、刚性好。
通用剃齿机:机床具有轴向剃和径向剃功能,这是目前应用最广泛的两种剃削方式。

3.1.3按剃齿方式分

自由剃:剃刀带动工件旋转,两者之间没有强制的展成运动。
强力剃:剃刀轴和工件分别由两个电动控制,两轴的同步由数控实现。

3.1.4按自动化方式分

手动上下料:由操作人员手动将工件放入工件托架上,并使其与剃刀相啮合。

单工件自动上下料:操作人员每次将一个工件放入非加工区的工件托盘内后,机床自动将工件推入加工区与剃刀啮合,加工完后又自动推出到非加工区,操作人员交换工件,这增加了操作机床的安全。

带料仓的自动上下料剃齿机:操作人员只需将一批工件放入料仓中,加工完后再从料仓上取下工件。

3.2 重庆机床集团YK4232四轴数控剃齿机系列产品的特点

重庆机床集团采用模块化方式设计、制造的YK4232、YK4240四轴数控剃齿机及YKT4232、YKT4240三轴数控径向剃齿机(见图5),现在又扩展到Y4232CNC数控剃齿机,其主要技术规格参数见表2。

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图5 YK4232系列数控剃齿机外观图

表2 重庆机床集团YK4232系列剃齿机的主要技术参数
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YK4232四轴数控剃齿机系列产品的特点:

◆ 机床采用SIEMENS 810D或FANUC 0i MC等数控系统控制。
◆ 四个数控轴(见图6)分别为:

Z―刀架径向进给
X―工作台纵向进给
A―剃刀架转角
B―剃刀旋转

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图6 YK4232系列数控剃齿机数控轴

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图7 剃齿加工

◆机床具有径向及轴向剃齿功能,能剃削鼓形齿及小锥度齿,特别适合汽车及摩托车等行业的成批大量齿轮加工。
◆加工精高、表面粗糙度好及Cpk值高(可达1.67)。
◆性能可靠
◆机床刚性好

采用轴向剃齿法可加工齿轮最大模数为8,采用径向剃齿法可加工齿轮最大模数为5。

◆机床功能强

通过编程可很方便地实现刀具变速,剃刀架转角,径向及轴向进给量设置,刀具微量返回,粗、精剃齿转换,延时光刀等功能。

◆自动化程度高

机床可配单个工件自动上下料装置,多种工件自动循环方式等。

◆机床操作、调整及维修方便

●剃刀架数控转角及刀架自动放松、锁紧功能使转角方便且精度高;

◆安全性能好

● 配有单个工件自动上、下料装置,操作者只需把工件放在远离剃刀的工件托盘上,从而确保了操作者的人身安全。
● 机床上设置有多种检测报警装置等措施确保了机床的安全。

4.数控花键冷轧机

具有世界先进水平的七轴数控滚轧机的技术及性能特点如下:

◆ 适用于渐开线花键的成批大量生产;
◆ 加工精度可达到GB/T 3478.1-1995的6级精度;
◆ 机床最大加工模数1.75 mm、最大加工直径70 mm、最大径向滚轧力达40吨;
◆ 机床左、右两个轧轮及工件的旋转运动均用独立的伺服电机驱动,三个伺服电机通过数控系统电子齿轮箱(EGB)同步;
◆ 机床后顶尖顶紧工件也通过伺服电机驱动实现;
◆ 机床左、右轧轮的径向进给及工件的轴向进给均通过比例伺服阀控制;
◆ 机床各轴(如图8)的运动实现了全数控,保证各轴运动的可靠性。机床数控系统采用德国Siemens 840D数控系统;
◆ 机床主要液压控制元件采用德国Rexroth元件;
◆ 机床主要轴承采用德国FAG/INA轴承;
◆ 该机床是一款技术含量高、性能价格比较高的高档数控滚轧机。

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图8 七轴数控滚轧机数控轴

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图9 Y8406CNC7七轴数控冷轧机外观图

五、 结束语

滚齿-剃齿工艺是最经济,使用范围最广泛的汽车齿轮加工工艺路线。滚齿-剃齿工艺中要选择合适的机床、刀具、夹具和合理的切削用量,同时对齿坯的精度也要控制。随着科技的发展,齿轮制造技术和装备也在进一步发展,高效、高精度、自动化、智能化、信息化及清洁加工是今后齿轮加工技术及装备的发展趋势。

参考文献
1.李先广,当代先进制齿及制齿机床技术的发展趋势, 制造技术与机床,03年第2期,p10-12
2.李先广、曹华军,齿轮加工机床绿色设计与制造策略及实践,制造技术与机床,03年第11期,p18-20
3.廖绍华、李先广,面向绿色制造的滚齿机研究现状分析及发展趋势,制造技术与机床,04年第11期,p47-50
4.李先广,重庆机床(集团)最新产品,制造技术与机床,06年第3期,p13-15
5.重庆机床厂,从EMO2005看世界制齿装备的发展,机床工具信息,中国机床总公司赴德国EMO 2005展团组考察报告,p13-17
6.李先广、廖绍华,从EMO2007展会看世界齿轮加工机床技术的发展,中国机床工具工业协会企业团EMO Hannover 2007 考察报告,p1-11(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (9/28/2009)
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