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汽車齒輪綠色智能（néng）加工關鍵技術與裝備

2018-12-3 來源：重慶機床（集團（tuán））有限責任公司作者：李先廣楊勇張自凱

摘（zhāi）要：成功研製的智（zhì）能化滾齒機、高速幹切機床（chuáng）、自（zì）動生產線（xiàn）及數控萬能磨齒（chǐ）機等齒輪加工關鍵裝備實現了無（wú）切削液綠色（sè）環保、高速高效、自動及智能化齒輪加工，提（tí）高了齒輪加工（gōng）質量與精度，降低了生產車間環境汙染，縮短了生產周期，為（wéi）企業節約了生（shēng）產成本。

隨著全球經濟持續低迷，乘（chéng）用車與商用車（chē）市場需（xū）求量也逐漸處於（yú）下滑趨勢，需要去庫存，提高（gāo）可靠性、穩定性及舒適（shì）性等問（wèn）題，故（gù）車用發（fā）動機（jī）、變速器、主減速器及差

速器對（duì）齒輪質量、精度及加工效率提出了更高要求。因此，為了滿足乘（chéng）用車與商用車齒輪（lún）的要求，作為現（xiàn）代裝備（bèi）製造業工（gōng）作母機的齒輪加工數控機床，不僅需要具備大批（pī）量、高速、高效及高精度加工能力，還需開發出綠色化、自動化及智能化功能模塊與係統。本文主（zhǔ）要針對（duì）乘用車與商用車齒（chǐ）輪（lún）綠色智能加工（gōng）裝備特點（diǎn）、布局方式及（jí）解決方案進行介紹與分析。

一（yī）、汽車齒輪加工特點（diǎn）及方式

1.汽車齒輪加工特點

目前，汽車齒輪加工特點主要體現為：一是中、大批量加工（gōng），品種相對較少；二是要求（qiú）加工效率高，單件加工成本低；三是機床穩定性（xìng）與可靠性（xìng）要高，CP K值高；四是企業生產車間具有環境友好（綠色化）型；五是（shì）齒輪加工生產線（xiàn）更換品種快捷方（fāng）便。基於上述特點，乘用車與商用車的發動機、變速器、主減（jiǎn）速器及差速器等關鍵功能組件對圓柱軸齒輪與盤齒輪、錐齒輪的生產（chǎn）加工（車用齒輪材料與工藝參數見附表），不僅要求齒輪（lún）加工質量精度高，加工工藝具有（yǒu）新穎（yǐng）性，而（ér）且還對加工機床裝備提出了綠色、智能化要求（qiú）。

齒（chǐ）輪自動化加工單元

2.汽車齒輪加工方式及布局

乘用車（chē）與（yǔ）商用車的發動機、變速器、主減（jiǎn）速（sù）器及差速器齒輪加工方式主要為：一是車削→滾齒（包括高速幹切滾齒）→倒棱去毛刺→剃（tì）齒；二是車削→滾齒（包括高速幹

切滾齒）→倒棱去毛刺→熱處理→磨齒（chǐ）。車用齒輪加工生產線布局方式主要有機群（qún）式、U形及線型等幾種（zhǒng）方式（shì），這類型布局方（fāng）式（shì）均有利於（yú）提高批量齒輪加工效（xiào）率。

二、汽車齒輪加（jiā）工智（zhì）能（néng）化解決方案

1.智能化滾齒機

為了實現車（chē）用齒輪加工的智能（néng）化解決方案，在滾（gǔn）齒智能化加工中需要突破與解決相關的製齒機床及製齒（chǐ）關鍵（jiàn）技術，建立相應的智能化支持與服務係統，以提高滾齒機可靠性、自動（dòng）化與智能化（huà）程度，提升齒輪加工效率、質（zhì）量及精度，降低齒輪加工廢（fèi）品率，縮短（duǎn）生產周期，為用戶節約（yuē）企業生（shēng）產成本。

（1）製齒機床及製齒（chǐ）的（de）10大關鍵技術。關鍵技術包括機床多功（gōng）能網絡化智能終端技術，製齒工藝參數智能決策支（zhī）持技術，機床數控程序智能編製（zhì）及仿真技術（shù），製齒機床誤差

智能補償技術，製齒（chǐ）機床加工過程在線能效監測與節能運行技術（shù），製齒機床運行過程（chéng）故障監（jiān）測與遠程維（wéi）修維護（hù）技術，製齒（chǐ）機床加工過程質量信息提取（qǔ）與監控技術，製齒機床刀具、夾具（jù）及工件（jiàn）智（zhì）能管理技術，製齒機床加工過程刀具狀態自（zì）動檢測與換刀優化技術，製齒機床加工過程生產（chǎn）進度信息自動（dòng）提取技術。

（2）製齒機床及智能化製齒支持與服務係統的建立。

1）生產任務管理係統。包括已（yǐ）分配任務查看、新增任務（wù）、當前工序詳情和曆史任務記錄等。

2）製齒機（jī）床工藝參數智能決策支持係統。基礎數據管理：對滾齒（chǐ）工藝參（cān）數優化決（jué）策所需基（jī）本數據進行集中有效管理，包（bāo）括滾切次數、滾切（qiē）速度、滾切深度、齒輪材

料（liào）、滾刀材料及機（jī）床基礎等數據。工藝參（cān）數優（yōu）化：包括工藝參數推理決（jué）策和工藝參數經驗決策（cè）兩部分。還（hái）包括滾刀管理、齒輪管（guǎn）理、曆史數據管理、滾齒規則管理等其他功能。

3）製（zhì）齒機（jī）床數控程序智能編製係統。滾齒程序編（biān）製：具有加工齒輪選型（xíng）、加工刀具自動匹配、竄刀參數設定、補償參數設定、切削量參數設定、輔助控製條件設定、N C

代碼預覽、加工路徑檢查與（yǔ）仿（fǎng）真、數控程序員（yuán）操作信息記錄等功能（néng），數控程序員隻需完成（chéng）簡單少量的加工參數設置即可生成工件的N C代碼。程序下發：通過（guò）智能終端將已生成數控程序下發到滾齒機床，用於齒輪加工（gōng）。

4）機床刀具、夾具及工（gōng）件（jiàn）智能管理係統（tǒng）。主要由編碼（mǎ）定義和生成、刀夾具數據管理、刀夾具選配和庫存管理幾個方麵構成。

5）製齒機床加工過程生產進（jìn）度信息自（zì）動提取係統。主要包（bāo）括基礎設置、進（jìn）度（dù）監（jiān）控（通過加工啟停信號（hào）（從PLC獲取）、能量信息以及質量信息多（duō）信息融合的方式進行進度采集，並根據指定質檢頻次進行質檢提醒）和曆史（shǐ）查詢。

6）機床加（jiā）工過程質量信息提（tí）取（qǔ）與監控（kòng）係統（tǒng）。具有質量信（xìn）息采集、質量信息動態顯示和曆史質量（liàng）信息查詢功能。

7）機床加工（gōng）過程（chéng）能效監測與（yǔ）節（jiē）能運行係統。包括功率曲線、能量（liàng）信息（xī）、開機後能效信息的（de）獲取，以及報警配置。

8）運行過（guò）程故障監測與遠程（chéng）維修維護係（xì）統。包括（kuò）故障信息采集、故障申報和遠程維修維（wéi）護。

（3）製齒機床智能化的實現。在製齒機床智（zhì）能化關鍵技術研究，以及相關製（zhì）齒支持（chí）與服務係統建立的基礎上（shàng），成功實現了滾齒機床的加工智能化（huà），以國（guó）內重慶機床為代表的自主研發智能化滾（gǔn）齒（chǐ）機總體上已達到國（guó）際先進水平，其智能化（huà）主要體（tǐ）現在以下幾方麵：

1）機床加工準備的智能（néng）化。機床加工前，能實現不確定變化環境中自主規劃工藝參數、自（zì）動編製加工代碼、自動（dòng）物流、自動匹配工（gōng）

李先廣（右）重慶機床（chuáng）（集團）有限責任公司總經理、教授級高級工（gōng）程師重慶大學（xué）客座教（jiāo）授研究方向為數控齒輪加工機（jī）床動力學、綠色化、智能化裝夾具、預（yù）測製定（dìng）確定性控製邏輯以實現（xiàn）最佳行為策略（luè）能力等準備（bèi）功能的軟硬件設計、製造、測試工作。

2）機床加工執行的智能化。機床加工時，能實現自主在機檢測、自適應加工代碼生成、自我優化（huà）加工控製策略、自主在（zài）線診斷、遠程監（jiān）控（kòng）等執行功能的（de）軟（ruǎn）硬件設計、製造、測試工（gōng）作。

3）機床維修維護的（de）智能化。機床具有自主故（gù）障檢（jiǎn）測、自（zì）主（zhǔ）故障修複、人計（jì）機（人、計算機、機器）協同（tóng）智能維修維護、遠程智能維護，以及使其具（jù）有自學習和共享學習各種知識（shí）庫能力的軟硬（yìng）件設計、製造、測（cè）試工作。

2.智能（néng）化自動生產線

為了提高車用（yòng）大批量齒輪加（jiā）工效率，研究與開發了多類型汽車齒輪生產裝備集成控製技術，建立了（le）自動物流方（fāng）案；並進行了網絡化現場生產管理與監控係（xì）統開發（fā），開展了齒輪加工工（gōng）藝研究等關（guān）鍵技（jì）術攻關（guān）。對於不同（tóng）類型車用齒輪（lún）其自動生產線係統的集成與連接方（fāng）式（shì）不同，使得自動生產線（xiàn）中桁（héng）架、料倉、機械手（shǒu）集（jí）成及關節（jiē）機器（qì）人（rén）等新技（jì）術（shù）與（yǔ）自動加工單元功能件（齒輪自動加（jiā）工單元是由（yóu）關節機器人、抽檢工位、清潔工位（甩水甩油（yóu））、在線檢（jiǎn）測工位及堆棧（zhàn）式料倉等組成）的應用較為廣泛，且自動加工單元與齒輪加工設備進行無縫集成組成了高（gāo）效、自動化、綠（lǜ）色化及智能（néng）化的齒輪加工自動（dòng）生產線。

（1）車用（yòng）齒輪加工自動生產線工藝流程。

1）汽車變速器齒輪加工自動生產線工藝流程（chéng）如下圖所示（shì）。

汽（qì）車變速器齒（chǐ）輪加工（gōng）自動生（shēng）產線工藝流程

2）摩托車高速齒輪、汽（qì）車發動機（jī）齒輪（lún）加工自動生產線工藝流程（chéng）：滾齒（插齒）→熱處理→磨齒（chǐ）。

3）重載貨（huò）車齒輪加工自（zì）動生產線工藝流程：滾齒（插齒）→剃齒→熱處理。

4）大型客車齒輪加工自動生產線工藝流程：滾齒（插齒）→熱（rè）處理→磨齒。

（2）車用齒輪加工自動（dòng）生產線組成模塊。車用齒輪加工智能化自動生產線（xiàn）中開發（fā）了智能化管理係（xì）統（tǒng），實現了生產線高（gāo）效、柔性運行（háng）；生產線由各種模塊與係統組成，主要分為

U形智能化自（zì）動加工島與線型智能化自動生產（chǎn）線，能有（yǒu）效提高齒（chǐ）輪加（jiā）工過程管控能力，實現生產效率、設（shè）備利用率和產品質量水平綜合提升（shēng）。

智能（néng）化自動生產線模塊與係統具備以下功能：生產任務管理與動（dòng）態生產調度；生產進度（dù）信息提取與進度監控；數控編程與工藝參數優化支持；質（zhì）量信息采集與分析監控；生產線裝備運（yùn）行狀態監控；齒輪加工自動生產線與企業信息化係統的網絡化集成運行。

實際研發與生產過程中，可（kě）根據用戶工（gōng）藝路線，選取上述模塊，優化工藝流程，形成貼合用戶要求的智能化齒輪加工自動生產線。智能化生（shēng）產線可實（shí）現高速幹切滾齒和幹切倒棱，杜絕（jué）齒輪加工中冷卻油汙染，綠色（sè）環（huán）保（bǎo）；還實現了工件自動裝夾、工件全自動上下料、工序間自動轉換等高效自動化加工，降低了勞（láo）動強（qiáng）度，提高（gāo）了生產效（xiào）率和可靠性。成（chéng）功開發的智能化生產線得到產業化（huà）推廣應用（yòng），且整體技術水平（píng）達到國際先進水平，填補了國內空白。

通過用戶實際使用，與傳統生產（chǎn）模式相比，智能化自動線生（shēng）產（chǎn）模式可有效減少（shǎo）人數，降低成本，提（tí）高生產和管理效率，便於實施精益生產。同時（shí），可減少人為因素影響，保證了齒輪加工精度與質量（liàng）的穩定性。

3.數控精密（mì）高效磨齒機

重慶機床集團與英國PTG公司強強聯合，嚴格按照國內機床標（biāo）準和歐洲精密機床標準，研（yán）發出多功能數控精（jīng）密高效磨齒機，在結構布局上采用經典（diǎn）立式結構，工作台固定，大立柱移動實現徑向進給，各軸（zhóu）獨立驅動。並且機（jī）床配置自動化上下（xià）料裝置，4台機床隻需一個操（cāo）作工，大大節約人力成本。並且數控磨齒機床實現了全（quán）過程質量控製及機床測試、驗證，保證了（le）高（gāo）品（pǐn）質的機床質量。數控精密高（gāo）效磨齒機主要特（tè）點如下：

（1）高品質的機（jī）床質量。嚴（yán）格按照國內標準和（hé）歐洲精密（mì）機床標準進行全過程質量控製及機床測試、驗證，保證了高品質機床質量。

（2）直驅技術應用。砂輪主軸采用（yòng）電主軸直（zhí）驅（qū），使砂輪主軸轉速可達10 000r/min，工件主軸（zhóu）采用內裝主軸電動機定子（zǐ）、轉子（zǐ）直驅。

（3）功能強大的磨削軟件（jiàn）。實現人機對話、齒輪（lún）計算、齒輪數據庫管理及維護、齒輪磨削及砂輪（lún）修整程序自動生成、各種磨削方式選擇、齒形齒（chǐ）向（xiàng）修形等（děng）。

（4）全自動控製。機床通過控製係統多通道控（kòng）製平台，實（shí）現工件自動裝夾、砂輪修整、高速自動對刀、AE自動磨削工藝（yì）監控、自動分配磨削餘量、自動磨削等（děng）整個加

工過程全自動控製。

（5）高生產效率。磨削速度可達（dá）80m/s高速及全自動磨削，使生（shēng）產（chǎn）效率與世界頂級磨齒機相當。

（6）頂級加工（gōng）質量。通過剛性極強設計、精度極高製造、嚴格質量控製，保證了（le）頂級（jí）質量磨削。數控萬能磨齒機的全自動智（zhì）能化控製，操作者隻需輸入（rù）相（xiàng）關參數，機床自（zì）動計算並執行。機床各項誤差，控製係統可（kě）根據傳感器的（de）監（jiān）測信號實時補償。通過以上描述（shù）可（kě）知，該係列數控萬能磨齒機整機技術性能達到國際先進水平。

結語

通過以上（shàng）對乘用與商用車齒輪綠色智能加工裝備特點、布局方式及解決方（fāng）案的介紹與（yǔ）分析，得出以下結論：

（1）乘用車與商用車齒輪實現了無切（qiē）削液綠色環保、高（gāo）效、高速幹切滾齒加工，提高了齒輪加工效率，消除了油霧汙染，減（jiǎn）少了（le）生產（chǎn）環境對操作者（zhě）身心健康（kāng）的影響。

（2）汽車齒（chǐ）輪（lún）加工裝備開發出功能各異智能（néng）化（huà）模塊與係統（tǒng），成功（gōng）實現了加工準（zhǔn）備、執行及維修維護等方麵（miàn）智能化功能，減輕了機床（chuáng）操作者勞動強度，縮短了加（jiā）工（gōng）準備時間，提高了機床加（jiā）工（gōng）精度、質量及可靠性，減小了機床維修維護響應時間。

（3）汽車齒（chǐ）輪加工自動生產線集成了控製、物流（liú）、生產現（xiàn）場管理、各種工藝流程及監（jiān）控等係統與模塊，實現了齒輪工件自動裝夾、工件（jiàn）全自動上下料（liào）、工序間自（zì）動轉換等（děng）高效自動（dòng）化加工（gōng），優化了加工（gōng）工藝，降低了（le）勞動（dòng）強度，提高了生（shēng）產效率和可靠性，減少了加工廢品率，節約了生產成本。

（4）汽車齒輪自（zì）動生產線實現了（le）高速幹切滾齒和幹切倒棱綠色環保加工（gōng），消除了齒輪加工中冷卻油（yóu）汙染，解決了車用齒輪大批量、高效加工等（děng）問題。

（5）數控萬能磨齒機采用直驅技（jì）術，提高（gāo）了砂輪主軸轉速與（yǔ）生產效率，而且（qiě）開發的磨削軟件實現了人機對話、齒輪計算、齒輪數據庫管理及維護、齒輪磨削及砂輪修整程序自動（dòng）生成、各種磨削（xuē）方式選（xuǎn）擇（zé）、齒形齒（chǐ）向修形等智能化功能。

（6）開發具（jù）有全自動控製功能模塊（kuài）與平台的數控萬能磨齒機（jī），實現了（le）工件自動裝（zhuāng）夾（jiá）、砂輪修整、高速自動對刀（dāo）、AE自動磨削工藝監控、自動分配磨削餘量、自動磨削及實時補（bǔ）償等加工（gōng）過程智能化功能。

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