【正文】 干式切削滾齒機(jī)，滾刀主軸轉(zhuǎn)速為9000rpm，工作臺轉(zhuǎn)速為800 rpm。國外廠家在小直徑小模數(shù)方面均有刀具主軸轉(zhuǎn)速達(dá)3000rpm，工作臺轉(zhuǎn)速達(dá)1000rpm的機(jī)型。在CIMT 2005機(jī)床展上，日本三菱公司展出的GE15A滾齒機(jī)上，采用了表面涂有超級干切涂層的MACH7高速鋼滾刀，線速度達(dá)250 m/min，齒數(shù)34,，切削時間為lOs，加上上下料等輔助時間。提高加工精度的途徑可分為兩大類，一是提高機(jī)床本身的精度，二是通過誤差補(bǔ)償來減少加工誤差。由于采用了高精度、具有預(yù)加負(fù)荷的高剛性直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠、滾動軸承、電主軸、大扭矩同步力矩伺服電動機(jī)，使齒輪加工機(jī)床在高速加工的條件下精度得到保證并有所提高。，；。 mm。影響齒輪加工精度的因素很多，除了電氣方面的以外，還有如機(jī)床結(jié)構(gòu)特性與熱特性、刀具磨損、機(jī)床主軸運(yùn)動誤差、各種靜態(tài)載荷，以及工件裝火和機(jī)床振動等因素。所有這些因素都可以通過建模（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模）來加以補(bǔ)償。由于計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和插補(bǔ)算法的不斷改進(jìn)，數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和曲線擬合精度可以達(dá)到很高。采用多種智能控制方式，可以改善伺服系統(tǒng)的跟蹤響應(yīng)特性，也可以提高加工精度。滾齒盡管一般用于粗加工，但在高速切削的條件下仍能達(dá)到DIN 6～7級精度，為其后的精加工工序獲得高精度提供了保證。④環(huán)?；娝苤?，金屬切削中的切削液具有冷卻、潤滑和排屑等作用，可獲得良好的加工質(zhì)量，并提高刀具耐用度和生產(chǎn)率。但隨著近年來切削速度和切削功率的急劇提高，單位時間內(nèi)金屬切除量大量增加，切削液的用量也越來越大，并且在高速切削過程中，切削液產(chǎn)生飛濺、形成油霧，不僅提高了企業(yè)生產(chǎn)成本，還污染了生態(tài)環(huán)境，并損害了工人的身體健康。為此，通常將加工區(qū)用保護(hù)罩封閉起來，安裝上油霧分離器，使排出的只是不含油的霧，而切削油則重新流回機(jī)床內(nèi)循環(huán)利用。但這并不能從根本上解決環(huán)保問題，因為變質(zhì)切削液的更換排放會嚴(yán)重污染環(huán)境。因此，不使用切削液的干切削就成為改善生態(tài)環(huán)境，降低生產(chǎn)成本的有效措施，也是實現(xiàn)清潔化生產(chǎn)的一條重要途徑。國內(nèi)外著名的齒輪加工機(jī)床制造商及齒輪刀具制造商，均把研制滿足環(huán)保要求的干式切削機(jī)床和刀具作為產(chǎn)品開發(fā)的一項首要的任務(wù)來抓。有的機(jī)床甚至不采用液壓油及循環(huán)潤滑油，實現(xiàn)綠色制造及清潔加工。干式切削要解決的問題是刀具壽命問題、刀具價格問題和切屑的安全迅速地排走問題。采用硬質(zhì)合金涂層刀具進(jìn)行干切削，盡管第一次購刀價格比濕式刀具價格高，但因切削效率高且刀具壽命長，還節(jié)省了切削液及噴淋過濾裝置的費用，從而單件齒輪的加工成本反而有所降低，同時又符合環(huán)保無污染的要求。據(jù)日本三菱重工資料報道，采用高速干式切削刀具的使用壽命是濕式切削的3倍，刀具費用降低47％，加工效率提高2倍，單件齒輪加工成本（刀具費、設(shè)備費、切削油費、人員費）降低40％。因此，干式切削降低了單件齒輪的加工成本。目前，國外主要的齒輪加工機(jī)床廠家都在大力開發(fā)數(shù)控高速干切滾齒機(jī)。例如:德國Liebherr公司的LC80系列滾齒機(jī)，美國Gleason—Pfauter公司的GP130系列滾齒機(jī)，日本三菱重工公司的GN10系列滾齒機(jī)等均可以采用高速干式切削加工。國內(nèi)齒輪機(jī)床制造廠家在齒輪加工干切技術(shù)方面，目前正處于研究的初級階段。在CIMT2005機(jī)床展上，日本三菱公司展出的GE15A滾齒機(jī)上，采用了表面涂有超級干切涂層的MACH7高速鋼滾刀，線速度達(dá)250m/min；重慶機(jī)床廠展出的YKS3112滾齒機(jī)上，采用了表面涂有DUAL涂層的硬質(zhì)合金滾刀，線速度達(dá)181m/min。⑤復(fù)合化齒輪機(jī)床（特別是大型齒輪機(jī)床）有集多種工藝于一體的趨勢。如Hurth公司的WF3500滾齒機(jī)，將插齒、滾齒（包括滾內(nèi)齒輪）、磨齒和齒輪檢測集于一體，工件一次裝夾只需更換切削頭，就可實現(xiàn)相應(yīng)的齒輪加工功能，同時還可以對加工過程中的齒輪進(jìn)行檢測，以決定加工用量。Gleason公司的P60滾齒—磨齒復(fù)合機(jī)床，能完成先用銑刀加工雙頭蝸桿，再用CBN磨輪磨該蝸桿，并具有去除蝸桿端面毛刺的功能。同時該機(jī)床還配有自動對齒機(jī)構(gòu)和工件自動上下料機(jī)械手及料倉。Liebherr公司的LC80型滾齒機(jī)，機(jī)床采用模塊化設(shè)計，只要更換切削頭，就可組合成滾齒、單分度銑齒或插齒。重慶機(jī)床廠的YKS3120系列六軸數(shù)控高速滾齒機(jī)，能在一次安裝中加工不同模數(shù)、不同齒數(shù)、不同螺旋角及不同螺旋方向的雙聯(lián)齒輪及單分度銑槽，并可配備自動對齒機(jī)構(gòu)、去除齒輪端面毛刺及工件自動上下料裝置，在該系列機(jī)床上還可進(jìn)行硬齒面滾齒。⑥網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的通訊聯(lián)網(wǎng)功能不斷加強(qiáng)。開放式的CNC系統(tǒng)已成為數(shù)控行業(yè)不可抵擋的趨勢，開放性的CNC系統(tǒng)可以方便地進(jìn)入各級通用網(wǎng)絡(luò)，從而可以柔性地實現(xiàn)DNC、 FMS、CIMS和FA（自動化工廠）。NC技術(shù)使FMS和CIMS成為可能；FMS和CIMS的發(fā)展反過來要求CNC系統(tǒng)應(yīng)具有通訊和聯(lián)網(wǎng)功能，以便實現(xiàn)CIM環(huán)境中的信息集成和系統(tǒng)管理?，F(xiàn)代CNC系統(tǒng)一般都具有用于通訊的串行口和DNC接口，高檔數(shù)控系統(tǒng)充分利用Internet/Intranet的功能，使網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)、遠(yuǎn)程調(diào)試、遠(yuǎn)程診斷等功能得以實現(xiàn)。⑦智能化由于計算機(jī)技術(shù)及數(shù)控技術(shù)的發(fā)展智能技術(shù)也逐漸用于高性能數(shù)控齒輪機(jī)床中，具體表現(xiàn)在：1）完成加工質(zhì)量與加工過程智能控制。根據(jù)對工件在線檢測的結(jié)果和實時采集的機(jī)床狀態(tài)，預(yù)測工件的加工質(zhì)量，并及時調(diào)整加工過程的工藝參數(shù)，以保證機(jī)床的加工精度。2）智能診斷。故障診斷的智能化表現(xiàn)在兩方面：一方面是機(jī)床會對曾經(jīng)產(chǎn)生的故障作記錄，當(dāng)下次碰到該故障時，它會首先提示可能的原因；另一方面，現(xiàn)場信息經(jīng)過壓縮，存貯在機(jī)床的“黑匣子”中，一旦機(jī)床發(fā)生的故障超出其自身的診斷能力，就可以通過Internet從網(wǎng)上專家系統(tǒng)獲得支持，進(jìn)行交互式的遠(yuǎn)程協(xié)同診斷。 零傳動滾齒機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展 零傳動滾齒機(jī)國內(nèi)外研究進(jìn)展目前為止，國際上著名的齒輪加工機(jī)床生產(chǎn)廠家：美國Gleason—Pfauter、德國Liebherr、日本的三菱重工等企業(yè)都投入大量的人力、物力和財力研究零傳動技術(shù)在齒輪加工機(jī)床中的應(yīng)用，這些廠家在小直徑（200mm）、小模數(shù)(m3mm)齒輪加工方面推出的最新產(chǎn)品都部分應(yīng)用了零傳動技術(shù)及其它相關(guān)新技術(shù)，使得齒輪加工機(jī)床的性能達(dá)到了一個新的高度。如：Gleason—Pfauter公司研制的P60、P100、P2GP130滾齒機(jī)；Liebherr公司制造的LC80、LC1LC150、LC180滾齒機(jī)；Koepfer公司制造的Koepfer160滾齒機(jī)，Hurth公司制造的S160滾齒機(jī)等。LC80干式切削滾齒機(jī)，滾刀主軸最高轉(zhuǎn)速為9000rpm，工作臺轉(zhuǎn)速為800rpm；P60臥式滾齒——磨齒復(fù)合機(jī)床，刀具主軸轉(zhuǎn)速達(dá)12000rpm，工作臺轉(zhuǎn)速達(dá)3000rpm。在回轉(zhuǎn)運(yùn)動方面取消機(jī)械傳動副，不僅大幅度提高了機(jī)床的加工精度和加工速度，也可以完全解決機(jī)械傳動鏈中存在的磨損問題，可以長期保持機(jī)床的精度，此外，還極大地簡化了機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)。但是，這些廠家提供的機(jī)床價格卻非常昂貴，高達(dá)400萬元人民幣/臺。 Liebherr LC80直接驅(qū)動滾齒機(jī)目前國內(nèi)齒輪加工機(jī)床的最高水平如下：在工作臺直線移動方面，采用數(shù)控驅(qū)動系統(tǒng)代替普通滾齒機(jī)的各種交換掛輪，采用交流伺服電機(jī)通過多對降速齒輪副和一對滾珠絲杠副來驅(qū)動機(jī)床的運(yùn)動部件；在滾刀回轉(zhuǎn)運(yùn)動方面，采用交流伺服電機(jī)通過2～3對降速齒輪副來實現(xiàn)；在工作臺回轉(zhuǎn)運(yùn)動方面，絕大多數(shù)齒輪加工機(jī)床仍然需要采用多對高精度齒輪副和一對高精度蝸輪蝸桿副實現(xiàn)。由于存在著大量的機(jī)械傳動元件，對機(jī)床的加工精度產(chǎn)生極大的影響，也使得機(jī)械結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜，調(diào)整維修也極不方便。例如，我國最大的齒輪加工機(jī)床生產(chǎn)廠——重慶機(jī)床廠于2000年通過鑒定的YKS3120六軸四聯(lián)動數(shù)控高速滾齒機(jī)曾被列入“國家重大技術(shù)裝備創(chuàng)新項目”，被稱為是國產(chǎn)高檔數(shù)控滾齒機(jī)的里程碑，但該機(jī)床仍然采用了滾珠絲杠副和齒輪傳動鏈。因此目前為止國內(nèi)在零傳動齒輪機(jī)床方面還是一個空白。二十世紀(jì)八十年代末，日本人Takashi Emura ， Zhaowei Zhong等人就進(jìn)行了直接驅(qū)動滾齒機(jī)的研究，他們利用伺服電機(jī)直接驅(qū)動滾刀和工件，其他運(yùn)動仍采用齒輪、絲杠等減速機(jī)構(gòu)。、直徑57mm, JIS2級精度（相當(dāng)于GB/T6級）的齒輪。經(jīng)檢索，有關(guān)零傳動滾齒機(jī)研究的文獻(xiàn)僅此而已。2005年日本三菱重工Michiaki Hashitani等進(jìn)行了直接驅(qū)動磨齒機(jī)的研究，用同步內(nèi)置電機(jī)分別驅(qū)動刀具軸和工件軸，刀具軸和工件軸速度分別可達(dá)4500rpm和1500rpm。為了減小負(fù)載周期波動的影響，運(yùn)用前饋系統(tǒng)可以減小15％的周期誤差，極大地提高了機(jī)床的加工精度。 ZE15A　直接驅(qū)動磨齒機(jī)主軸和工作臺軸結(jié)構(gòu)圖 電主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，傳統(tǒng)的齒輪變速系統(tǒng)已不能適應(yīng)要求，代之以寬調(diào)速交流變頻系統(tǒng)實現(xiàn)機(jī)床主軸的變速。一般高速加工采用電主軸作為機(jī)床的主軸形式，電主軸將轉(zhuǎn)子和機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)部件做成一體，把機(jī)床的主傳動鏈的長度縮短為零，故可稱之為“零傳動”。由十直接傳動，減少了高精密齒輪等關(guān)鍵零件，消除了齒輪的傳動誤差。與皮帶、齒輪的末端傳動方式相比，主電機(jī)內(nèi)置于主軸前后軸承之間，可大大提高主軸系統(tǒng)的剛度和固有頻率。同時，集成式主軸也簡化了機(jī)床設(shè)計中的一些關(guān)鍵性的工作，如簡化了機(jī)床外型設(shè)計，易于實現(xiàn)主軸定位?？傊?，電主軸結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小，響應(yīng)特性好，并可避免振動與噪聲，精度高，是高速主軸單元的理想結(jié)構(gòu)。設(shè)計電主軸時，除選擇適當(dāng)?shù)臒o外殼電機(jī)外，應(yīng)著重解決散熱與軸承選用兩個問題。由于主軸電動機(jī)兩端就是主軸軸承，電動機(jī)的發(fā)熱會直接降低軸承的工作精度，如果主電動機(jī)的散熱解決得不好，將會影響到機(jī)床工作的可靠性和穩(wěn)定性。通常在定子繞組的外部設(shè)計冷卻系統(tǒng)，用循環(huán)冷卻液體吸收和帶走定子散發(fā)的熱量，保持主軸單元殼體均勻的溫度分布。另外，約有1/3的發(fā)熱量是由電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的，轉(zhuǎn)子散熱條件差，又直接安裝在主軸上，設(shè)計中應(yīng)盡量減小電機(jī)徑向的傳熱熱阻，使轉(zhuǎn)子的發(fā)熱量盡可能多地通過氣隙傳到定子和殼體中去，并由冷卻液帶走。因為一般機(jī)床中用電主軸速度都大于10000轉(zhuǎn)，絕大多數(shù)都采用陶瓷滾動軸承，這種軸承的結(jié)構(gòu)和尺寸系列與普通鋼質(zhì)滾動軸承完全相同，只是將滾動體材料換成氮化硅陶瓷，故又稱混合軸承。氮化硅陶瓷材料的密度只有鋼的40，熱膨脹系數(shù)只有鋼的25%。用這種材料做滾動體，可得到低溫升、高剛度和長壽命的高速滾動軸承，很好地保證主軸的精度。當(dāng)前國內(nèi)外生產(chǎn)電主軸廠家多達(dá)幾十家。在國外的廠家中，以德國GMN公司和瑞士Fischer公司名氣最大，德國Siemens和口本Fanuc公司也有相應(yīng)的產(chǎn)品。國內(nèi)電主軸的生產(chǎn)以洛陽軸承研究所最為著名，廣東工業(yè)大學(xué)對電主軸的動靜態(tài)特性、熱態(tài)特性以及軸承的選用等關(guān)鍵技術(shù)的研究已比較深入。電主軸目前多用于加工中心、磨床、銑床、鉆床等數(shù)控機(jī)床。 力矩電機(jī)一般滾齒機(jī)工作臺的回轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)采用伺服電機(jī)。通常，單個伺服電機(jī)輸出扭矩小，在低速旋轉(zhuǎn)時，效率不高。為使回轉(zhuǎn)裝置實現(xiàn)穩(wěn)定、高效運(yùn)轉(zhuǎn)，必須采用減速機(jī)構(gòu)。一般滾齒機(jī)直接驅(qū)動工件主軸的分度副采用高精度蝸輪副或是特殊齒形的多頭雙蝸輪副以及大尺寸齒輪副。這些機(jī)構(gòu)，都使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，并且產(chǎn)生齒隙和空轉(zhuǎn)，致使控制精度降低，加工精度下降。因此，為了減小齒隙的影響，有時在齒輪的嚙合部位施加預(yù)負(fù)荷，但由此又會產(chǎn)生振動、噪音及齒輪的異常磨損等，從而損害了工作臺原有的性能。不用減速機(jī)構(gòu)而使用直接驅(qū)動負(fù)載的力矩電機(jī)，是解決減速機(jī)構(gòu)存在的齒隙、空轉(zhuǎn)等問題的有效手段。力矩電機(jī)也叫做DDR（Direct Drive Rotary)電機(jī)，是近幾年出現(xiàn)的一種新型電機(jī)，是一種低速大扭矩電機(jī)。DDR電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子及反饋裝置組成，負(fù)載直接與轉(zhuǎn)子剛性連接，也就是說轉(zhuǎn)子與滾齒機(jī)工作臺直接連接，這樣就消除了由于傳動裝置而產(chǎn)生的誤差，如反向間隙、嚙合誤差等。其精度主要決定于反饋裝置的精度，但DDR電機(jī)反饋裝置的精度是非常精確的。由于DDR電機(jī)只有較少的運(yùn)動部件，所以噪音很小。系統(tǒng)中唯一的磨損件是軸承，維護(hù)減少，如果軸承能定期潤滑，裝置就能達(dá)到零維護(hù)。總之，DDR電機(jī)具有直接力傳動、高扭矩、高靜態(tài)和動態(tài)負(fù)載剛性、高定位精度、零維護(hù)等特點。，最大力矩達(dá)數(shù)千Nm，最大速度達(dá)750rpm。用DDR電機(jī)直接驅(qū)動滾齒機(jī)工作臺，能達(dá)到高速、高精度的性能要求。DDR電機(jī)較為成熟的生產(chǎn)廠家是美國的Kollmorgen公司和德國的Bosch Rexroth公司，德國Siemens和口本Fanuc公司也有相應(yīng)的產(chǎn)品，多用在磨床的回轉(zhuǎn)工作臺、機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動、飛行轉(zhuǎn)臺、天文望遠(yuǎn)鏡等低速大扭矩的情況。 課題的研究意義在我國，全國的齒輪加工機(jī)床擁有量高達(dá)九萬余臺。在這些機(jī)床中，很大部分是六、七十年代的產(chǎn)品，急需更新?lián)Q代。八十年代以后生產(chǎn)的齒輪加工機(jī)床的技術(shù)含量有所提高，但與國外同類機(jī)床相比仍有相當(dāng)差距，不能適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品對齒輪加工提出的高精度、高速加工的要求，而且進(jìn)口機(jī)床的比例偏大(特別是高性能齒輪加工機(jī)床)。在設(shè)計制造方面，重慶機(jī)床廠生產(chǎn)的YKS3120和YKS3112數(shù)控高速滾齒機(jī)和南京第二機(jī)床廠生產(chǎn)的YS3112CNC六軸控制高速滾齒機(jī)代表了我國現(xiàn)代滾齒機(jī)生產(chǎn)的最高水平，但與發(fā)達(dá)國家同類產(chǎn)品相比仍然存在著不少差距。究其原因，主要還是基礎(chǔ)研究差、整體設(shè)計能力不足，由此導(dǎo)致新技術(shù)應(yīng)用慢和仿制比重較大，如零傳動技術(shù)、干切技術(shù)在齒輪加工機(jī)床中的應(yīng)用一直處于落后狀態(tài)。機(jī)床設(shè)計/制造的先天不足，將極大地限制我國齒輪加工機(jī)床的設(shè)計/制造水平的提高并削弱其可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Α！傲銈鲃印庇址Q直接驅(qū)動(Direct Drive )，最早稱為“電主軸”，在機(jī)床設(shè)計領(lǐng)域并不是新概念，但其應(yīng)用范圍一直僅局限在機(jī)床的主軸驅(qū)動上，可以較好地解決“外聯(lián)”傳動鏈長的問題，隨著直線電機(jī)技術(shù)的逐漸成熟，直線運(yùn)動也開始實現(xiàn)零傳動。但對傳動原理異常復(fù)雜，“內(nèi)聯(lián)”傳動精度要求非常高的齒輪加工機(jī)床而言，由于缺乏理論作指導(dǎo)，在20世紀(jì)90年代以前國內(nèi)外一直沒有見到“零傳動”技術(shù)在齒輪加工機(jī)床中成功應(yīng)用的先例，齒輪加工機(jī)床一直沿用傳統(tǒng)的傳動方式，造成機(jī)床的傳動結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜、傳動效率低、傳動精度差、磨損嚴(yán)重、切削速度低。一直到進(jìn)入二十一世紀(jì)，“干切削”、“高速切