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YKA2260全數控螺旋錐（zhuī）齒輪銑（xǐ）齒（chǐ）機的研發與應用

2021-1-15 來源：- 作者：-

一、概述

驅動橋是輕型車、微型車、重型卡車、大型（xíng）客車及工程機（jī）械的關鍵部件，直接為車輛提供驅動力。螺旋錐齒輪是（shì）驅動橋的核心零件，影響（xiǎng）驅動橋的工作性能，進而影響整車動力（lì）性能。隨著汽車產業的發展，對高效、高精度螺（luó）旋錐齒輪的加工生產裝備及成套技術的需求越來越大，對低成本、無汙染等加工要求也越來越高（gāo）。能（néng）否高效率、高精度地加工螺旋錐齒輪，決定（dìng）了（le）汽車產業的經濟效益與市場地位。

目前（qián），國際汽車驅動橋螺旋齒輪製造行業普遍采用高檔數（shù）控機床幹切加工，具有高效率、高精度、低成本、綠色環保等（děng）優（yōu）點。而國內絕大部分的螺旋齒輪（lún）加工依然（rán）是用機械式機床濕切加工（gōng），具有成本高、汙染高、精度低等（děng）缺點（diǎn）。

我國亟需的車用螺旋錐齒輪幹切生產線大多從Klingelnberg或Gleason引進，耗費巨額外匯，而且造成我國汽車工（gōng）業的發展受製於發達國家的技術壟斷。但2012年全數控螺旋錐齒輪銑齒機YKA2260在湖南中大創遠成功下線，標誌著錐齒輪幹切設備實（shí）現了國產化。

到目前為止，YKA2260機型已（yǐ）經發展到（dào）第三代產品，客戶遍布大江南北，湖南中大創遠數控裝備有限公司也成為了國內螺旋錐齒輪設備（bèi）製造的佼（jiǎo）佼者。美國Gleason、德國Klingelnberg和中大創遠產品的主要加工（gōng）範圍如表（biǎo）1所示。

中大創遠從成（chéng）立之初就特別注重技術的研發，自主研發的螺旋錐齒輪銑齒機、磨齒機、磨刀機、裝刀機（jī）、研齒機、檢查（chá）機、齒輪檢測中心等已在眾多國內汽車領域企業應用。YKA2260全數控螺旋錐齒輪銑（xǐ）齒機（見圖1）擁有多項技術創新，是公司自主研發製造的成果，應用了多（duō）項發明專利和軟件著作權（quán），主要技術指標保持國（guó）內領先（xiān）、國（guó）際先進（jìn）水平。該機床的研製成功（gōng），不僅提升了（le）我國此類數（shù）控（kòng）高端裝備的水平，也打破了國外的壟斷和封鎖，為企業開拓了（le）新的產品市場，同時取得了良好的經濟（jì）和社會（huì）效益。

圖1 YKA2260全數控螺旋錐齒輪銑齒機（jī）

二、產品（pǐn）性能介紹

YKA2260是六軸六聯動（dòng）幹、濕切兩用全功能（néng）型機床，可高剛度、高精度、高效率加工延伸外擺線等高齒和圓弧收（shōu）縮齒等各種螺旋錐齒輪（lún）和準雙曲麵齒輪，其軸係布局如圖2所示（shì）。

在機床正常加工條件下，銑齒精度達（dá）到GB11365-89錐齒（chǐ）輪和準雙曲麵齒輪精度標準規定的（de）5級精度，齒麵粗糙度達到Ra1.6μm。

圖2 YKA2260軸係布（bù）局圖

X:水平（píng）左右直線軸 Y:水平前後（hòu）直線軸Z:垂直上下直線軸

A:工件主軸 B:回轉台主軸 C:刀具主軸（zhóu）

技術特點如下：

（1）立式結構；（2）刀具主軸、工件主軸采用（yòng）大扭矩電機直接驅（qū）動（dòng）；（3）采用自主設計開發的幹切刀盤；（4）機床（chuáng）具備銑削延伸外（wài）擺（bǎi）線等高齒和圓（yuán）弧收縮齒齒製的（de）螺旋錐齒輪加工功能；（5）高速幹切功（gōng）能；（6）6軸聯動數控機床，采用西門子（zǐ）840D SL數控係（xì）統；（7）配備集成在840D SL數控係統中的螺旋錐齒輪HCS加工控製軟件；（8）機床采用全閉（bì）環控（kòng）製模式，所有直線軸配備高精密直線光柵，所有旋轉軸配備高精密角度（dù）編（biān）碼器；（9）機床配備自動開關門功能；（10）占地麵積小（xiǎo）；（11）尤其適用於乘用車和商用車螺旋錐齒輪的量（liàng）產加工；（12）刀盤裝卸便捷（jié）；（13）銑削速度可無極調整；（14）機床采用碟簧（huáng）夾（jiá）緊液壓放鬆的（de）夾具係統，並（bìng）配備（bèi）有夾緊檢測功能；（15）機床具備自動對刀及銑削餘量（liàng）分（fèn）配功能；（16）幫助係統的故障提示（shì）；（17）機床配備全麵安全保護（含緊急回退、斷電（diàn）回退（tuì）、功率保護（hù）、溫度保護等（děng））；（18）配備自動上下料係統，可在無人值守（shǒu）下實現全自動加工。

主要技（jì）術參數見表2。

三、新（xīn）技術應用情況

1. 結構設計

由於高速（sù）幹切的切削量大（dà）、刀具線速度快，且不再使用切削液（yè）冷卻，故要求機床具（jù）有高的靜剛度、動剛度和熱剛度。機床不積鐵屑，且排屑速度快，能迅速將高（gāo）溫鐵屑排出機床。YKA2260加工精（jīng）度高，齒麵（miàn）質量好，是因為其具有高的（de）動態精度、主軸配備有熱補償功能。此外機床還具有以下優點：

（1）小龍門結構，具有高剛度、結構簡單、機床總精度（dù）不易（yì）受幹擾等優點；（2）兩個主軸懸空，在加工空間下方沒有任何元件，切屑直接掉入排屑器（qì）快（kuài）速排出，減少機床立柱的熱變形；（3）為（wéi）了控（kòng）製齒麵誤差，機（jī）床必須具有高動態性能，YKA2260工（gōng）件主軸與刀具主（zhǔ）軸都（dōu）采用大扭矩電機直驅結（jié）構，且每根軸都配有海德漢高精密（mì）光柵反饋實時位置，西門子840DSL數（shù）控係（xì）統閉環控製（zhì）；（4）零距離上下料，更換刀具方便；（5）加工點易觀察。

2. 機床熱平衡設計技（jì）術的研究與應用

在（zài）機床設計階段，減少熱源（yuán）的（de）發熱，加強（qiáng）係統的散熱設計，基於機床熱特性優化設計理論，對設（shè）計（jì）方案進行理論評價，達到減小機床熱誤差的設計目標；在機床製造與使（shǐ）用階段，對係統的熱（rè）誤差進行補償。

機（jī）床熱平衡設計技術（shù）路線的可行性與具體（tǐ）實施方案：

（1）減少主（zhǔ）軸（zhóu）係統發熱技術研究：主要措施有（yǒu）盡（jìn）量減少中間（jiān）的傳動環節，把傳動鏈的長度（dù）盡（jìn）量縮短，直接采用內置電機的電主軸，把傳動鏈的長度縮短到零，為了降低電機的發熱量，采（cǎi）用永磁式主軸電機，與感應式電機（jī）比較，永磁式電機的轉子不發熱，從而使（shǐ）主軸的溫升大大降低，同時，對永磁電機采用恒（héng）溫水冷方式，以確保電機的溫度不會因（yīn）為負載的變化而變化。

（2）合理的潤滑方式研究：試驗表明，使用油汽潤滑的軸承溫升可比使用脂潤滑時降低（dī）5-8℃，比油霧潤（rùn）滑降低9-16℃。同時保證電機冷卻水流量，保持電（diàn）機（jī）溫度恒定，適當加大主軸（zhóu）軸部氣密（mì）封壓縮空氣流量，實現主軸的溫度穩（wěn）定。

（3）係統的（de）熱誤差（chà）補償（cháng）技術研究：通過（guò）溫度和位移傳感器對機床兩主軸進行實時采集溫度（dù）和熱位移（yí）相關數據，建立機床的熱誤差模型。按熱誤差模型對誤差進行預測，然後將預測（cè）的補償值輸入數控係統，執行相應的補償。主軸端（duān）的溫度傳感器全時檢（jiǎn）測主軸端的（de）溫度變化，通過機床的CNC係統給工件或刀具一（yī）個（gè）相（xiàng）應方（fāng）向（xiàng）的補償運動，以抵消（xiāo）主軸熱位（wèi）移所造成的加工誤差。熱誤差補（bǔ）償圖如圖（tú）3所示。

圖 3

（4）切（qiē）削熱隔離：高速幹式（shì）切削加工（gōng）會在加工瞬（shùn）間產生大量熱量，這些（xiē）熱量主要集中在切（qiē）屑（xiè）中，過熱（rè）的高溫鐵（tiě）屑的聚集會破壞機床的熱穩定性，如不及時將帶有熱量的（de）鐵屑從機床的主體結構中（zhōng）排出，會使機床產生（shēng）熱（rè）變形，影響加工精度，降低工件表麵質量。在設計（jì）中，采用（yòng）單獨的排屑係統，與機床主體部件（jiàn）完全（quán）隔離，阻止切削熱的傳導（dǎo），並保證切（qiē）屑在飛濺的過程中盡快落入排屑機中，迅速排出。

3. 力矩電（diàn）機驅動主軸的高（gāo）剛性及抗幹擾研究

該機床刀（dāo）具主軸（zhóu）、工件主軸均采用大扭矩力矩電機直（zhí）驅（qū）結構，從結構（gòu）設計上避免了因傳動鏈帶來的（de）運（yùn）動誤差及（jí）精度損失；基於該直驅結構的控製需求，對力（lì）矩電機輸出的速度平穩性（xìng）、定位精度、抗幹（gàn）擾能（néng）力、熱負載特性等指標進行精準苛刻的（de）約束。

（1）力矩電機調速（sù）與定（dìng）位精度研究：采用高精（jīng）度（dù）測量反饋係統與主軸直連，從而把測量反饋係統、伺服控製（zhì）係（xì）統、力矩（jǔ）電機、機床主軸、整個主軸係統構成一個全閉環伺服控（kòng）製係統，這樣做的主要目的是：實現速度閉環控製的穩定輸出，實現位置閉環控製的精準輸出。

（2）力矩電機應用過程中的熱保（bǎo）護技術：力矩電機主軸在運轉時，由於切削負載的影響，電機繞組會產生大量的熱量。為保證電機的（de）熱負載（zǎi）特性輸出，在電機定子外圈設計水冷回路，保證了（le）電機繞組在穩定的溫度下工作。同時，力矩（jǔ）電機定子繞組中嵌入有（yǒu）多種溫度（dù）傳感器，PTC傳感器主要用來保（bǎo）護電機（jī）瞬間升溫（wēn），而KTY傳感器用於實時監控電機當前（qián）溫度。

（3）力（lì）矩電機驅動機（jī）床（chuáng）主軸的應（yīng）用（yòng）方案研究與試驗驗證：在（zài）整機伺服閉環控製係統（tǒng）中，每一個環節的性能都決定著整個係統的精度；針對幹切削運動合成的複雜性，運動（dòng）的高精度與響應的高速性需求，選用高性能（néng）、開放性能友好的西門子840D sl數控（kòng）係統。反饋（kuì）回路采用高精度光柵（shān）與主軸直連，有效減少反饋回路誤差。機床實際加工能（néng）力證明，這套力矩電機閉環控製係統具有極高的運動平穩性和較（jiào）高的定位精度。

（4）力矩電機驅動主軸的高剛性及抗幹擾（rǎo）能力研究：在切削（xuē）過程中，幹切機床主軸受切削衝擊最大；保證兩個主軸的穩（wěn）定運轉是核心，一方麵（miàn），力矩電機的扭矩足夠克服切削力矩幹擾；另一方麵，伺服控製係統需要有極高的控製剛性、極快的響應時間。該機型伺服控製係統，電流（liú）控製環、速度控製環、位置控製環分別約束力矩電機（jī）主軸（zhóu），使整機（jī）閉環控製係統具備極高的（de）伺服增益係數，極（jí）低的（de）係統調節時間。這樣在切（qiē）削過程中產生（shēng）的力矩幹擾（rǎo）能被係統很快抑製，保證切削（xuē）過程的穩定（dìng），確保加（jiā）工產品的表麵質量。

4. 幹切計算軟（ruǎn）件及其應用

通過（guò）對擺（bǎi）線等高齒切齒計（jì）算原理的（de）深入研究，完成了（le）等高齒計算設計分析軟件。該軟件主要涵蓋了以下幾個（gè）主要模塊：齒（chǐ）坯計算及強度分析、調整卡計算、刀具設計與分析、基於Ease-Off的接觸（chù）區調整、輪齒數據計算和分（fèn）析、齒麵誤差（chà）反調、含輸入輸出接口的專家係統及數據庫係統。具（jù）體包含：不同標準的齒坯（pī）設計、基於（yú）多檔（dàng）位的強度譜計算分析、適用於不同機床的（de）多種類型的加工參數（shù）轉換、刀具形狀及（jí）副刃和凸台幹涉分析、共刀設計及（jí）分析、給定齒麵點與給定安裝誤差的TCA分析（xī）、含齒（chǐ）深和齒（chǐ）厚補償功（gōng）能的基於Ease-Off或目標Ease-Off的不（bú）同安裝（zhuāng）誤差下（xià）的大輪或小輪參數的接觸區調整、齒頂厚度、齒廓形狀、運動側隙和（hé）頂隙分布、根切分（fèn）析以及基於理論或標準齒（chǐ）麵的齒麵誤差反調等。

通過在公司齒輪實驗室以及客戶地的各種類（lèi）型的開發加工應用表明，計算軟件已經（jīng）完全可以（yǐ）滿足螺旋錐齒輪擺線齒的設計計算和加（jiā）工應用，是一款（kuǎn）成熟實用的針對螺旋錐齒輪加工的含設（shè）計、計算和分析等功（gōng）能（néng）的專（zhuān）用（yòng）軟件。

下麵以457-1037中（zhōng）橋產品為例，用（yòng）計算軟件進行齒輪設計，設計出需要的接觸區形狀和（hé）位置，圖4和圖5為理論的接觸（chù）區和EaseOff，表3為齒輪基本參數。

圖（tú）4 設計接觸區

圖（tú）5 設計（jì）EaseOff

齒輪設計完（wán）成（chéng）後，將數據上傳到服務器，銑（xǐ）齒機YKA2260讀取數據進行銑齒加工，並在測量中心Z5上檢測反調，並將反（fǎn）調參數傳輸到銑齒機上再次銑齒，直到齒麵誤差（chà）達到要求。產品（pǐn）切齒合格後的齒麵實際接觸（chù）區如圖6所示。

圖6 切（qiē）齒接觸區

四、成果應用及推廣情（qíng）況

YKA226全數控螺旋錐齒輪銑齒機在眾多企事業單位得到廣泛應用（見圖7），加工（gōng）產（chǎn）品精度、加工效率均媲美等同類進口機床，可替代進口。

圖7

YKA2260全數控螺旋錐齒輪銑齒機的研製成功，擺脫了傳統的“黑（hēi）、濕、油（yóu）”狀（zhuàng）況，改善了我國製造業加工環境，對於提高錐齒輪（lún）相關行（háng）業的關鍵零部件國產化，提高國（guó）內自主配套能力等均有顯著的經濟和社會效益，對加強（qiáng）我國高精密等技（jì）術產品有十分（fèn）重要的戰略（luè）意義。

來源：湖南中大創遠數控裝備有限公司責編：梅峰）

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