【正文】 1 緒論齒輪是機(jī)械產(chǎn)品的重要基礎(chǔ)零件，它以其恒功率輸出、承載能力大、傳動效率高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于機(jī)床、汽車、摩托車、農(nóng)機(jī)、建筑機(jī)械、工程機(jī)械、航空、兵器、工具等領(lǐng)域，其質(zhì)量、性能、壽命直接影響到各類機(jī)械的總成質(zhì)量。齒輪因其形狀復(fù)雜，技術(shù)問題多，制造難度較大，也造成齒輪加工機(jī)床的高度復(fù)雜性，所以齒輪制造水平在較大程度上反映了一個(gè)國家機(jī)械工業(yè)的水平。近年來，隨著汽車、機(jī)械、航天等工業(yè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對齒輪提出了更高的要求：傳動速度大、承載能力強(qiáng)、使用壽命長、運(yùn)行噪音小、制造成本低，相應(yīng)地對齒輪的設(shè)計(jì)、加工、檢測等方面也提高了要求。在這種背景下，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法、先進(jìn)制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的交叉融合，使齒輪相關(guān)技術(shù)的研究進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。 齒輪加工技術(shù)圓柱齒輪的加工方法很多，按齒廓形成原理，可以分為成形法和展成法兩大類。成形法是用刃部形狀與被切齒輪槽形狀相同的成形刀具來加工齒輪的，屬于成形法的齒輪加工方法有銑齒、拉齒、沖齒、成形磨齒、壓鑄等。展成法又稱滾切法，是加工時(shí)切削刀具與工件作相對展成運(yùn)動，刀具和工件的瞬心線相互作純滾動，兩者之間保持確定的速比關(guān)系，所獲得加工表面就是刀刃在這種運(yùn)動中的包絡(luò)面?，F(xiàn)代齒輪生產(chǎn)中，主要是展成法。屬于展成法的齒輪加工方法有滾齒、插齒、剃齒、珩齒、展成法磨齒、車齒等。①滾齒加工滾齒是一種高效的、應(yīng)用最廣泛的一種齒廓加工方法，是依照交錯軸斜齒輪嚙合原理進(jìn)行加工的。滾齒精度一般可達(dá)7~8級，當(dāng)采用高精度滾刀和高精度滾齒機(jī)時(shí)，可滾切5級精度的齒輪。目前滾齒加工的先進(jìn)技術(shù)有：1）多頭滾刀滾齒，可以大幅度提高生產(chǎn)效率，滾刀頭數(shù)最多可達(dá)7頭，但各頭之間的偏差影響齒輪的齒向精度。2）硬齒面滾齒技術(shù)，國外硬齒面滾齒精度達(dá)DIN6級，加工費(fèi)用僅為磨齒的1/3，效率較普通的磨齒高1～5倍，且無磨削燒傷或裂紋。3）滾齒機(jī)數(shù)控化，大幅度提高了機(jī)床的加工精度及工藝能力指數(shù)，增加了機(jī)床的可靠性并且擴(kuò)大了機(jī)床的加工范圍。4）干切工藝。德國Liebherr公司的LC80系列滾齒機(jī)，美國Gleason一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)250 m/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)181 m/min。干式滾削具有高的生產(chǎn)率、高精度和高的工件質(zhì)量，無切削液，工件不受油液污染，符合環(huán)保要求，屬于無污染的綠色加工工藝。②插齒加工插齒也是廣為采用的切齒方法，它是用形狀為齒輪或齒條的插齒刀具，與被加工齒輪按一定的速度作相嚙合運(yùn)動的同時(shí)，刀具沿齒長方向作往復(fù)運(yùn)動形成切削加工，特別適合于加工內(nèi)齒輪和多聯(lián)齒輪。采用特殊刀具和附件后，還可加工棘輪、內(nèi)外花鍵、扇形齒輪、齒條、端面齒輪等。插削速度最高可達(dá)1000～2500次/min沖程數(shù)，加工精度達(dá)5～6級。插齒技術(shù)的研究重點(diǎn)有：1）插齒機(jī)的數(shù)控化，以便加工橢圓齒輪、非圓齒輪和特殊形狀的齒輪。2）提高插齒機(jī)的沖程次數(shù)，從而提高插齒效率。3）硬齒面齒輪的插削工藝的研究。4）數(shù)控插螺旋齒，以提高螺旋齒輪的加工精度。③剃齒加工剃齒方法除了人們所熟知的平行軸剃齒、對角剃齒外，徑向剃齒的發(fā)展近年來格外引人注目。徑向剃齒由于只作徑向進(jìn)給運(yùn)動而省掉了軸向或?qū)沁M(jìn)給，因而效率大大提高。徑向剃齒時(shí)，齒輪的齒形和齒向修形均靠剃齒刀修形完成。剃齒刀齒面輪廓形狀和精度要求高，齒形要求中凹，齒向要反鼓，同時(shí)對剃齒刀刃口槽形位置、形狀（如刃口錯位排列）、矩形槽都有很高要求，因此剃齒刀設(shè)計(jì)和制造上都有相當(dāng)?shù)碾y度。近年來由于徑向剃齒刀的研制成功，使徑向剃齒這一高效方法在越來越多的齒輪加工中得到應(yīng)用。國內(nèi)一些工具廠近年來成功地研制出徑向剃齒刀，同時(shí)不少齒輪制造廠引進(jìn)了相應(yīng)的剃齒刀修磨機(jī)床，因而徑向剃齒工藝在我國也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。由與徑向剃齒比平行剃齒或?qū)翘挲X產(chǎn)生更大的徑向擠壓力，因此要求機(jī)床具有更高的剛性。重慶機(jī)床廠近年開發(fā)的YA4232A剃齒機(jī)和YAT4232徑向剃齒機(jī)均具有很高的剛性，適合于汽車、摩托車和機(jī)床齒輪的剃齒加工。④珩齒加工珩齒技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從自由珩到強(qiáng)迫珩，從最初的齒輪式外嚙合珩到蝸桿珩再到現(xiàn)在的內(nèi)嚙合珩等階段。最初的齒輪式外珩齒技術(shù)，采用的是自由珩技術(shù)，靠珩輪輪齒對工件齒輪表面進(jìn)行光整加工，可有效地改善齒面質(zhì)量。80年代，卡譜（Kapp）公司推出的VAC65型珩齒機(jī)，采用了稱為Coronieren的硬齒面精加工方法。其珩磨輪是一個(gè)有高精度內(nèi)齒輪的鋼環(huán)，內(nèi)齒輪齒面上電鍍單層CBN磨料。工具齒輪與工件齒輪間采用電子同步系統(tǒng)相聯(lián)系，運(yùn)轉(zhuǎn)中通過進(jìn)給使工件齒輪的各項(xiàng)誤差逐漸得到修正，從而達(dá)到十分穩(wěn)定的精度。目前晰齒都用于中、小模數(shù)的齒輪。我國大連理工大學(xué)研究了可控電解珩磨工藝，解決大模數(shù)齒輪的珩齒，其特點(diǎn)是不受齒輪模數(shù)、齒數(shù)、尺寸及結(jié)構(gòu)形式限制，可在滾齒的基礎(chǔ)上，將齒形精度提高1～2級。⑤磨齒加工磨齒是獲得高精度齒輪最有效和可靠的方法。由于現(xiàn)在多用硬齒面的齒輪，磨齒成為高精度齒輪的主要加工方法。目前碟形砂輪和大平面砂輪磨齒精度可達(dá)DIN 2級，蝸桿砂輪磨齒精度達(dá)DIN 3～4級，錐形砂輪磨齒精度達(dá)DIN 4～5級。磨齒的主要問題是效率低、成本高，所以提高磨齒效率，降低費(fèi)用成為當(dāng)前主要研究方向。近年來出現(xiàn)的新技術(shù)有：1）改進(jìn)磨削方法，Maag公司提出了“K磨削法和Niles公司提出了“雙面磨削法”，提高了磨齒效率。2）應(yīng)用立方氮化硼砂輪高效磨齒，比用單晶剛玉砂輪磨削效率提高510倍，被磨削表面不易發(fā)生燒傷和裂紋，疲勞強(qiáng)度高。3）采用數(shù)控技術(shù)，提高了效率和自動化程度，獲得了穩(wěn)定和可靠的精度。4）開拓新的磨削原理和磨齒工藝，瑞士賴斯豪爾公司新開發(fā)的RZP200型磨齒機(jī)采用了環(huán)面蝸桿砂輪磨削的連續(xù)成形磨齒工藝，其效率是普通磨齒法的5倍。 圓柱齒輪工藝加工方法和加工精度比較工藝方法工藝方法簡圖加工精度加工特點(diǎn)滾齒5～9生產(chǎn)率高，通用性大，連續(xù)分度滾齒，運(yùn)動誤差易保證插齒5～8適用于中小模數(shù)齒輪加工，通用性好，廣泛用于內(nèi)齒輪、雙聯(lián)及多聯(lián)齒輪加工剃齒5～7主要用于齒輪的滾、插預(yù)加工后的精加工，和磨齒相比，具有效率高，成本低，齒面無燒傷和裂紋等優(yōu)點(diǎn)珩齒6～8效率高，成本低，表面質(zhì)量好，齒面無燒傷，尤其適用于作硬齒面滾、插后改善表面粗糙度的后續(xù)工序磨齒成型砂輪磨齒7～8生產(chǎn)率很高，砂輪是專用的，適用于較大批量生產(chǎn)齒輪蝶形砂輪磨齒4～7采用碟形砂輪的棱邊磨削不加冷卻液，生產(chǎn)率較低蝸桿砂輪磨齒5～7生產(chǎn)率很高，特別適用于成批生產(chǎn)和大量生產(chǎn) 傳統(tǒng)滾齒機(jī)分析傳統(tǒng)滾齒機(jī)典型機(jī)型Y3150E。傳統(tǒng)的滾齒機(jī)傳動采用單電機(jī)驅(qū)動，用分流傳動方式驅(qū)動多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，內(nèi)聯(lián)傳動鏈嚴(yán)格的速度同步與行程同步關(guān)系是靠具有準(zhǔn)確傳動比的傳動元件（齒輪、蝸輪、蝸桿等）實(shí)現(xiàn)的，調(diào)整環(huán)節(jié)采用掛輪以保證足夠精度的傳動比與調(diào)整范圍。傳動系統(tǒng)有五條傳動鏈：主運(yùn)動傳動鏈、展成運(yùn)動傳動鏈、軸向進(jìn)給傳動鏈、附加運(yùn)動傳動鏈、快速空行程傳動鏈。這些傳動使?jié)L齒機(jī)只具有滾切圓柱齒輪、蝸輪的加工能力，其工作范圍不僅較窄，而且機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且傳動鏈上的工作元件多。例如展成運(yùn)動鏈和附加運(yùn)動鏈除了要必須經(jīng)過合成運(yùn)動機(jī)構(gòu)外，從首端件到末端件還各自需要經(jīng)過9對齒輪、蝸桿蝸輪、以及10根左右軸的順序傳遞；軸向進(jìn)給傳動鏈則需要經(jīng)過8對齒輪、蝸桿蝸輪、絲杠螺母、7根軸的順序傳遞。這些傳動鏈不僅傳動元件多，積累誤差大，而且誤差還交替?zhèn)鬟f，尤其是展成運(yùn)動鏈和附加運(yùn)動鏈有一部分重復(fù)使用，這樣就易形成誤差的交替?zhèn)鬟f，從而將附加運(yùn)動的傳動誤差，傳入到要求分度運(yùn)動準(zhǔn)確性很高的展成運(yùn)動上。傳統(tǒng)機(jī)械滾齒機(jī)的滾刀主軸轉(zhuǎn)速最高為500rpm，工作臺轉(zhuǎn)速最高為32rpm。傳統(tǒng)機(jī)械傳動鏈滾齒機(jī)已經(jīng)不適合新型機(jī)床對傳動精度與傳動速度的要求。由于各傳動元件的制造和安裝誤差，使得內(nèi)聯(lián)傳動鏈?zhǔn)锥思湍┒思荒馨蠢硐氲膫鲃雨P(guān)系運(yùn)動，存在傳動誤差。滾齒機(jī)傳動鏈精度是指按規(guī)定的工件齒數(shù)調(diào)整后，工件主軸相對于滾刀主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動的轉(zhuǎn)角誤差。傳動鏈中的傳動環(huán)節(jié)與傳動元件越多，傳動誤差的來源越多，傳動誤差也越大，傳動鏈的傳動誤差是影響齒輪加工精度的主要因素。提高內(nèi)聯(lián)傳動鏈的傳動精度一直是此類機(jī)床的研究重點(diǎn)。 Y3150E滾齒機(jī)傳動系統(tǒng)圖 數(shù)控滾齒機(jī)分析二十世紀(jì)80年代以來，數(shù)控滾齒機(jī)進(jìn)入了實(shí)用階段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展，國外滾齒機(jī)產(chǎn)品中，數(shù)控滾齒機(jī)已占主導(dǎo)作用，我國研制的數(shù)控滾齒機(jī)始于二十世紀(jì)80年代中期。數(shù)控滾齒機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在很多方面繼承了傳統(tǒng)機(jī)械滾齒機(jī)的特點(diǎn)，但由于應(yīng)用了數(shù)控技術(shù)所以在結(jié)構(gòu)上作了相應(yīng)的改進(jìn)，以充分發(fā)揮機(jī)電一體化的優(yōu)勢。 現(xiàn)代數(shù)控滾齒機(jī)，各個(gè)運(yùn)動都由單獨(dú)的伺服電機(jī)驅(qū)動，交流主軸電機(jī)直接安裝在刀架上，經(jīng)過幾對高精度圓柱斜齒輪傳至滾刀主軸，區(qū)別于傳統(tǒng)滾齒機(jī)設(shè)計(jì)中主軸運(yùn)動由普通或變頻電機(jī)通過較長傳動鏈傳至主軸，而此設(shè)計(jì)大大降低了傳動誤差，提高了傳動精度，并增強(qiáng)了相關(guān)的傳動特性和傳動剛性，轉(zhuǎn)速可達(dá)1500rpm。工作臺采用大直徑高精度圓柱斜齒輪傳動，改變了傳統(tǒng)的工作臺由蝸輪、蝸桿傳動的形式，提高了加工效率，采用高精度、高剛性滾動軸承支承，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)150rpm，顯著提高了機(jī)床的加工精度。數(shù)控滾齒機(jī)采用全數(shù)字控制，并帶有EGB（Electronic Gear Box）電子齒輪箱，由它代替了傳統(tǒng)機(jī)械滾齒機(jī)各種交換齒輪的功能，所以機(jī)床各項(xiàng)運(yùn)動精度高，調(diào)整方便。機(jī)床的柔性好，切削循環(huán)可設(shè)置一次、二次方框循環(huán)，L循環(huán)等多種切削循環(huán)方式，除可加工圓柱直齒輪、斜齒輪、短花鍵軸、鏈輪、蝸輪等外，還可加工多種錐齒輪、鼓形齒等特殊齒形的齒輪。 數(shù)控滾齒機(jī)傳動系統(tǒng)圖數(shù)控滾齒機(jī)由于傳動鏈大大縮短，減少了軸、軸承和齒輪等元件的制造誤差、間隙和裝配誤差的影響；另一方面由于剛度的提高和熱變形的減少保持了精度的穩(wěn)定性；第二是可以方便地對機(jī)械誤差進(jìn)行補(bǔ)償。所以相對傳統(tǒng)機(jī)械滾齒機(jī)來說，機(jī)械誤差對加工精度的影響能得到有效的控制。 滾齒加工技術(shù)的發(fā)展趨勢滾齒是國內(nèi)外應(yīng)用最廣的切齒方法，一些國家滾齒機(jī)的擁有量約占所有齒輪機(jī)床總量的45～50%。為適應(yīng)齒輪加工行業(yè)對制造精度、生產(chǎn)效率、提高質(zhì)量及清潔生產(chǎn)的要求，滾齒機(jī)及滾齒加工技術(shù)出現(xiàn)了以下幾個(gè)發(fā)展趨勢： ①全數(shù)控化所謂的全數(shù)控化，指不僅齒輪加工機(jī)床的各軸進(jìn)給運(yùn)動是數(shù)控的，而且機(jī)床的展成運(yùn)動和差動運(yùn)動也是數(shù)控的，即機(jī)床的各運(yùn)動軸進(jìn)行CNC控制及軸間實(shí)現(xiàn)聯(lián)動。 齒輪加工機(jī)床全數(shù)控化后具有如下特點(diǎn)： 1）機(jī)床結(jié)構(gòu)發(fā)生革命性的變化 齒輪加工機(jī)床全數(shù)控化使得機(jī)床傳動鏈大大縮短，并且各軸間沒有機(jī)械傳動的聯(lián)系，與傳統(tǒng)機(jī)床相比機(jī)床的結(jié)構(gòu)大大簡化，增強(qiáng)了機(jī)床的剛性。機(jī)床結(jié)構(gòu)的簡化，更有利于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的模塊化。 2）提高齒輪的加工精度 機(jī)械傳動鏈縮短或完全被取代，刀具磨損的自動補(bǔ)償，計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，新的智能控制算法的應(yīng)用，伺服系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量的進(jìn)一步減小，從而提高了機(jī)床的加工精度及工藝能力指數(shù)。 3）提高齒輪加工的效率 完全排除了交換齒輪和行程擋塊的調(diào)整，縮短調(diào)整時(shí)間，而且可在一次安裝下不經(jīng)過任何調(diào)整就可加工多聯(lián)齒輪。工件程序可以儲存供再次加工時(shí)調(diào)用，調(diào)整時(shí)間顯著縮短，一般調(diào)整時(shí)間僅是非數(shù)控系統(tǒng)的10%～30%。 4）高精度快速地加工非圓齒輪、修形齒輪 由于數(shù)控技術(shù)的采用，可以方便調(diào)整、控制各軸間的運(yùn)動關(guān)系，從而加工出橢圓齒輪等各種非圓齒輪和各種修形齒輪，且加工精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的機(jī)械靠模加工方法。 5)高度自動化和柔性化可實(shí)現(xiàn)任意工作循環(huán)，縮短調(diào)整時(shí)間，便于實(shí)現(xiàn)小批量多品種加工。同時(shí)機(jī)床本身柔性大為增加，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)床重組，易于組成柔性齒輪制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)齒輪制造的柔性自動化過程。②零傳動技術(shù)的應(yīng)用“零傳動”即直接驅(qū)動，由電機(jī)直接驅(qū)動刀具、回轉(zhuǎn)工作臺的回轉(zhuǎn)及直線進(jìn)給系統(tǒng)，完全取消所有機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)動力源對機(jī)床工作部件的直接傳動傳動鏈的長度為“零”。一般數(shù)控滾齒機(jī)的滾刀主軸由變頻交流主電機(jī)通過一到兩對斜齒輪驅(qū)動，直接驅(qū)動工件主軸的分度副，一般采用高精度蝸輪副或特殊齒形的多頭雙蝸輪副以及大尺寸齒輪副，各進(jìn)給軸通過滾珠絲杠副實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動向直線運(yùn)動的轉(zhuǎn)換。近幾年國外的各齒輪制造廠家在小直徑（200mm）、小模數(shù)（m3mm）齒輪加工方面已推出滾刀軸和工件軸直接驅(qū)動的機(jī)型。如Gleason—Pfauter公司制造的P60、 P100、P2GP130，Liebherr公司制造的LC80、 LC1 LC150、 LC180,Koepfer公司制造的Koepfer 160，Hurth公司制造的5160等。直接驅(qū)動的實(shí)現(xiàn)是使用電主軸直接驅(qū)動滾刀主軸，用同步力矩伺服電機(jī)直接驅(qū)動工作臺。由于直接傳動，去掉了高精密齒輪等關(guān)鍵零件，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。而各進(jìn)給軸仍通過滾珠絲杠副實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動向直線運(yùn)動的轉(zhuǎn)換，如果各進(jìn)給軸采用直線電機(jī)直接驅(qū)動，將完全實(shí)現(xiàn)零傳動。零傳動齒輪加工機(jī)床不僅可以大幅度提高機(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，零傳動方案還可極大地簡化機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高機(jī)床的動靜剛度，也有利于實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造。③高速、高精度滾齒機(jī)的高速化，主要是指機(jī)床擁有高的刀具主軸轉(zhuǎn)速和高的工作臺轉(zhuǎn)速。它們是影響切削效率的主要指標(biāo)。傳統(tǒng)機(jī)械滾齒機(jī)的滾刀主軸轉(zhuǎn)速最高為500 rpm，工作臺轉(zhuǎn)速最高為32 rpm。電主軸和大扭矩同步力矩伺服電動機(jī)的應(yīng)用使刀具主軸和工作臺轉(zhuǎn)速得到提高。Gleason—Pfauter公司制造的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。德國Liebherr公司制造的LC80