大型、精密齒輪加工裝備

文/胡弘 劉插旗

隨著我國船舶、機車、風電核電、石油化工、冶金礦山、軍工等行業的快速發展，對大型、精密齒輪的需求進一步加大，從而對大型、精密數控磨齒機提出了迫切的市場需求。

國外大型磨齒機加工工件直徑，圓柱齒輪可達Φ6米，模數400微米～40毫米，加工精度可達DIN 3 級；圓錐齒輪可達Φ2.2米，加工模數可達35毫米，加工精度可達DIN 5 級或AGMA5級。我國數控磨齒機的研發起步較晚，加之國外長期技術封鎖，大型磨齒機需求用戶只能依賴進口，進口周期長、價格昂貴。國外技術封鎖和價格壟斷已經嚴重限制了我國機床工業和裝備制造業的快速發展。

陜西秦川機械發展股份有限公司是我國精密齒輪磨床專業化生產廠家，形成了系列蝸桿砂輪、成形砂輪、大平面砂輪磨齒機產品結構，磨齒規格為200毫米～2.5米，數控化率達到100%，磨削工件精度達到4級國家標準，優化級產品磨削精度達到3級，模數0.4mm-35mm；國內市場占有率超過80%，是國際上齒輪磨床品種最多、規格最全、產量最高的制造廠家，也是我國唯一能夠與德國、瑞士、美國等世界頂級磨齒機制造巨頭抗衡的民族品牌。

近年來，秦川公司加大了大型、精密數控磨齒機的開發力度，研制成功YK73200大型數控圓柱齒輪磨齒機、YK75200大型數控圓柱內齒輪磨齒機、QMK009大型數控錐齒輪磨齒機和QJK002大型數控錐齒輪銑齒機，形成了大型、精密齒輪（包括圓柱齒輪和圓錐齒輪）的成套加工裝備和制造能力，為我國裝備制造業提供國產化的大型精密、齒輪加工裝備。

一、大型數控圓錐齒輪加工機床

（一）產品介紹

大型數控圓錐齒輪機床是公司在國家“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項“高速、精密、大型數控圓錐齒輪磨齒機”課題支持下自主研發的高檔數控機床裝備，包括QMK009大型數控錐齒輪磨齒機和QJK002大型數控錐齒輪銑齒機。其成功研發可解決國內大型錐齒輪精密加工的難題，從而徹底擺脫大型重載圓錐齒輪副長期依賴進口的局面，機床填補了國內空白，達到國際領先水平。

機床主要參數QMK009大型數控錐齒輪磨齒機最大工件直徑 2.5米最大模數 50毫米中點螺旋角 0～50度最大齒寬 500毫米QJK002大型數控錐齒輪銑齒機最大工件直徑 2.5米最大模數 50毫米中點螺旋角 0～50度最大齒寬 500毫米

（二）國內外發展現狀

曲線齒錐齒輪，特別是大型高精度硬齒面曲線齒錐齒輪是一種關鍵基礎零件，廣泛應用于船舶和其他各類海洋工程設備的推進器、陸地和海上鉆機轉臺、冶金機械、重型工程機械以及建材、火電和礦山等行業中的立磨機等。

大型重載高精度錐齒輪制造的技術發展趨勢是采用硬齒面磨齒工藝。Gleason制弧齒錐齒輪用桶形砂輪可以磨削的工件最大直徑為1米，精度為GB5級；Klingelnberg制延伸外擺線硬齒面齒輪機床的最大加工齒輪直徑能達到2.2米，精度為DIN5級，采用硬齒面刮削工藝。由于延伸外擺線齒齒面接觸穩定性好，接觸狀況對載荷變化不敏感，國際上大型重載錐齒輪多采用Klingelnberg延伸外擺線齒制。

目前世界上制造大型高精度硬齒面弧齒錐齒輪機床水平最高的為德國Klingelnberg公司的大功率延伸外擺線齒錐齒輪機床AK1605，采用熱后硬齒面刮削加工工藝，最大直徑為2.2米，最大法向模數35毫米，不能用桶形砂輪磨齒，精度達DIN 5 或 AGMA 13。由于該機床可用于軍品制造，對中國禁運。

我國軟齒面曲線齒錐齒輪機床加工工件最大直徑1.6米，最大模數30毫米。硬齒面工件用桶形砂輪磨齒最大直徑1米，最大模數25毫米，遠遠不能滿足國防和國家建設的需求。目前1米以上直徑的硬齒面曲線齒錐齒輪全部依賴進口，供貨周期一般要在一年半左右，訂貨也極其困難。一對1米左右的硬齒面齒輪價格在70萬元左右。由于交貨期長、價格昂貴，該產品成了許多行業快速發展的瓶頸環節。

陜西秦川機械發展股份有限公司是世界上最早研究采用小直徑刀具加工大型圓錐齒輪的公司。早在2004年，公司就開始與高等院校合作開展此項研究，率先在“公司研制的”VTM180/5五軸聯動車銑鏜復合加工中心上加工出了工件直徑1.6米的弧齒錐齒輪副，并亮相于北京國際機床展，填補了國際空白。隨后，國外一些機床公司也紛紛開展了此類加工技術的研究，并有部分產品推出。但到目前為止，未曾看到國外的大型圓錐齒輪磨削設備展示。

公司基于自主創新的數字產形輪展成磨削原理（已申報“一種錐齒輪的加工方法”的發明專利，受理號201010124341.1）研發的大型數控圓柱齒輪磨齒機，最大磨削直徑2.5米，最大端面模數50毫米，可磨削包括Klingelnberg延伸外擺線齒輪在內的多種齒制，填補了國際空白。同時，公司根據圓錐齒輪的加工特點，對機床進行了全新的設計，采用了雙驅動技術、雙蝸桿消隙技術、靜壓軸承和閉式靜壓導軌技術、擺頭直接驅動技術等多項先進技術，滿足了大型精密圓錐齒輪的精密磨削要求；以大型數控圓錐齒輪磨齒機的核心技術為基礎，公司還開發了大型數控圓錐齒輪銑齒機，配套開發了大型齒輪測量中心，形成了成套加工、檢測裝備，最大限度地解決了我國大型重載圓錐齒輪的熱后精密加工、檢測難題，使我國在國際上處于大型高精度硬齒面錐齒輪制造的先進行列，滿足了船舶（海洋工程）、冶金、礦山、能源等行業對大型高精度硬齒面錐齒輪加工裝備的迫切要求。

（三）產品的技術先進性和創新性

1．首次提出數字產形輪展成加工法。

該方法具有以下優點：

采用桶形砂輪加工法的弧齒錐齒輪磨齒機都是齒線形式相對固定剛性產形輪，只能加工弧齒錐齒輪，不能加工延伸外擺線錐齒輪、準漸開線錐齒輪和直齒錐齒輪。公司自主創新的數字產形輪的齒線是“柔性的”，可以是任意的曲線，包括現行的Gleason圓弧收縮齒制、Oerlikon延伸外擺線等高齒制、Klingelnberg延伸外擺線等高齒制、Klingelnberg準漸開線等高齒制、直齒錐齒輪等。

與其他數字法相比，本方法的加工過程是產形輪齒面包絡被加工齒輪齒面的過程，相當于一對齒輪的嚙合過程，而不是先計算被加工齒輪齒面坐標，再按自由曲面加工。所以開發出的機床是基于精確齒輪嚙合原理加工的齒輪機床，可以保證加工的齒輪具有優良的嚙合性能。

產形輪與被加工齒輪的展成運動用數控技術來實現，并可實現各種需要的展成運動修正；方便地控制齒面接觸斑點的位置、大小和形狀；也可以加工出理論上完全共軛的齒輪副。

2．首創了采用小直徑刀具多軸聯動加工大型曲線齒錐齒輪的機床結構。

傳統機床結構采用專用錐齒輪銑刀盤，當齒輪的錐距和齒寬增加時，刀盤直徑必須隨之加大，帶來很多難以克服的問題。本制造系統具有以下優點：

采用小直徑標準刀具，刀具直徑只與齒輪模數有關，大大降低了刀具成本。

既可磨削Gleason制弧齒錐齒輪，又能磨削Klingelnberg制延伸外擺線錐齒輪。

在切削力一定的情況下，主軸扭矩小，機床受力小，變形小。

效率高，是傳統方法的三倍。

容易達到高回轉精度,易實現動平衡。

磨削接觸區域小，可有效避免磨削燒傷。

能耗低，安全性高。

機床可采用龍門結構，工件軸線垂直布置，工件旋轉工作臺能夠達到更高的精度和更大的承載。

（四）市場前景

該機床的研發成功使我國擁有了具有自主知識產權的低成本、高精度大型錐齒輪國產化加工機床，達到國際領先水平。據調研，我國船舶、石油采鉆、冶金機械、重型工程機械以及建材、火電和礦山等行業中每年需進口大量的大型錐齒輪副，僅一家船舶和建材機械減速機廠每年就需進口上百套，平均每套價值70萬元，具有巨大的市場前景。

二、大型數控成形砂輪磨齒機

（一）產品介紹

大型數控成形砂輪磨齒機是公司在國家“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項“高速、精密、大型數控圓柱齒輪磨齒機”課題支持下自主研發的制造裝備，包括YK73200圓柱外齒輪（含內齒輪磨削功能）和YK75200圓柱內齒輪兩種數控成形砂輪磨齒機。該機床的成功研發可解決國內大型圓柱齒輪精密加工的難題，擺脫大型高速精密圓柱齒輪磨齒機長期依賴進口的局面，填補國內空白，達到國際先進水平。

機床規格YK73200/YK75200加工范圍最大齒頂直徑 Φ2米（Φ2.5米max）最小齒根直徑 Φ300毫米（內齒輪Φ800毫米min）模數 2～35毫米（內齒輪20毫米）齒數 不限

最大直齒寬度 1米（內齒輪400毫米)螺旋角 ±35度（內齒輪±25度）主要機械參數磨具功率 40千瓦（max）（內齒輪16千瓦）砂輪直徑 Φ400毫米～Φ300毫米（內齒輪Φ350毫米）砂輪厚度 110毫米（max）（內齒輪50毫米）砂輪線速度 50米/秒（max）工作臺最大負載 20噸（max）工作臺直徑 Φ1.4米工作臺高度 1.15米機床加工精度GB/T10095-2001 4級及以上

（二）國內外發展現狀

隨著我國船舶、機車、風電核電、石油化工、冶金礦山、軍工等行業的快速發展，對大型（直徑1.5米以上）、精密（5級甚至4級以上精度）齒輪的需求進一步加大。例如，風力發電行業增速齒輪箱需要1.5米、精度5級以上的精密內齒輪，船舶行業齒輪箱需要2.5米、精度5級以上精密齒輪，而大型雷達轉塔則要用到2米以上高精度齒輪。因此，國內制造行業對高速、精密、大型數控磨齒機提出了迫切的市場需求。

國外大型磨齒機加工直徑可達Φ6米，加工模數可達40毫米，精度可達DIN 3 級。公司研發的兩款加工直徑2米以上的高速、精密、大型數控圓柱齒輪磨齒機解決了涉及整機和關鍵部件的精度提高難題，填補了國內空白，打破了國外在大型磨齒機領域的壟斷地位，滿足了市場需求，為我國制造業提供了大型精密設備。

(三）產品的技術先進性和創新性

1．產品在制造過程中解決了以下關鍵技術難題

1）大型精密機床關鍵類零件高剛性結構設計及同類型機床可重構性技術研究；

2）解決機床大型精密機床熱平衡及其補償技術；

3）解決大型回轉工作臺蝸輪副消隙傳動技術及高精度大型蝸輪副設計制造技術；

4）大型精密機床靜壓導軌及靜壓軸承設計制造技術；

5）大規格成形砂輪磨齒機大功率砂輪主軸直接驅動、內置動平衡（含自動修整對刀、磨削對刀、砂輪防碰撞功能等）設計應用技術；

6）大規格機床在機測量技術開發應用；

7）大型機床制造工藝技術以及相關試驗、檢測技術。

2．技術創新點

1）開發了具有自主知識產權的成形磨削專用軟件：集成了漸開線齒輪、擺線齒輪、各種蝸桿、任意點列曲線齒形的截形計算及砂輪修整G代碼自動生成軟件；

2）開發了成形磨齒工藝專家系統：對用戶的齒輪磨削工藝數據進行研究、分析和優化，形成磨齒工藝數據庫，編制磨齒工藝管理軟件系統和數據采集分析系統，開發磨齒工藝專家軟件系統；

3）開發了機床工件安裝誤差自動糾正磨削與測量技術：工件安裝到機床上以后，通過在機測量測得齒輪安裝誤差，對安裝誤差數據進行誤差分離，分離出砂輪截形誤差和機床運動誤差數據，將處理結果傳遞到數控系統和砂輪修形系統，對數控程序和砂輪修整數據進行實時調整，提高齒輪的加工精度。另外可通過對工件安裝位置的測量，將安裝誤差進行分析處理，對機床加工程序和測量程序進行調整補償，達到對安裝誤差的實時補償，即使工件存在安裝誤差，機床也能磨出高質量的齒輪。在齒輪測量時，也可以對齒輪安裝誤差進行補償，保證測量結果的準確性。

4）機床無傳感器監測與故障診斷技術應用：通過數控磨齒機數控系統的位置、速度、扭矩、電流、電壓等接口，獲取機床動態響應信號，采用先進的信號處理方法，提取機床進給系統早期微弱故障特征，評估機床加工性能，為機床的故障診斷和早期預警提供理論基礎。

5）機床數控軸誤差信號趨勢分析的故障預警技術：通過對機床數控軸動態誤差和各種振動量的實時監測，當誤差趨勢開始變大，故障征兆開始出現時，及時對機床故障進行預警處理，提高機床的穩定性和可靠性。

（四）市場前景

YK73200和YK75200高速、精密、大型數控圓柱齒輪磨齒機是一種集機械、電子、液壓、氣動于一體的高新技術產品，適用于大型精密圓柱齒輪零件的大批量加工。機床加工精度高、輔助時間短，生產效率高。

該產品的成功研制使我國高速、精密、大型數控磨齒機的開發和制造水平達到國際先進水平，填補了我國2米以上高速、精密、大型數控磨齒機的國內空白，替代了進口，促進了我國船舶、機車、風電核電、石化、冶金、礦山、軍工等行業制造水平和能力的提高。

國外同類機床產品的售價為1200萬元以上。公司開發的同類產品單臺成本約在450萬元，售價約700萬元，具有較高的性能價格比，社會效益和經濟效益均十分顯著，市場前景非常廣闊。