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YK7380A數控成形砂輪磨齒機研發與應用

2020-12-18 來源：秦川（chuān）機床工具集團股份公司作（zuò）者：黃亞超樊利軍

一、概述

隨著海洋工程、艦船、機車、風電、軍工等行業快速發展，對大規格傳動齒輪（lún）精密、高（gāo）效磨削加（jiā）工關鍵設備的（de）需求日益增大,傳（chuán）統采用展成法磨削，效率和精度難以滿足（zú）要求。秦川機床工具集團股份公司研製的YK7380A磨齒機（如圖1所示），采用成形法磨削，精度達到國（guó）標GB／T10095.1-2008 3級以（yǐ）上，效率顯著提高。機床突（tū）破（pò）的關（guān）鍵技術包括：高剛性（xìng）、高精度、高可靠性設計技術；機床熱變形控製技術；機床磨削專家係統（tǒng）開發；機（jī）床在（zài）機測量與綜合誤差補（bǔ）償技術開發；機床無附加（jiā）傳感器檢測預警和故障診斷技術等。YK7380A磨齒（chǐ）機所達到的（de）較高技術水（shuǐ）平，對提升我國高端裝備製造業水平，滿足國家戰略和國防（fáng）需求具有重要意義。

圖1 YK7380A數控成形砂輪磨齒機

YK7380A磨（mó）齒機最（zuì）大加工直徑φ800mm，模數35mm。機（jī）床為全閉環（huán）控製，可對磨削工件齒形、齒（chǐ）向任意形（xíng）狀修（xiū）形，並通過集成內置砂輪動平衡係統中的AE功能對砂輪修整（zhěng）及工件磨削實時監測。機床操作界麵（miàn）為人機對話式，操作簡（jiǎn）單，通過輸入磨（mó）削齒輪（lún）基本參數即可自動生成成形砂輪截形修整和機床循環動作執行程（chéng）序（xù），完成（chéng）工件（jiàn）自動（dòng）循（xún）環磨削。機床磨削循環自動（dòng）化程度（dù）高（gāo），具有自動對刀、工件（jiàn）自動檢測、自動誤差校正、遠程故障診斷等功能。

秦川機床通（tōng）過對比境內外Ф800mm規格磨齒機，吸（xī）取先進的數（shù）控成形砂（shā）輪磨齒機（jī）發展趨勢和技術特點，並依據客戶提出的性能要求，在機床設計、加工、製造、試驗、檢（jiǎn）測等核心技術層麵展開攻關，使機床的設計（jì）製造技術水平、工作精度、效率、可靠性等與境外同類機床（chuáng）相當，機床磨削精度（dù）達到GB／T10095.1-2008 3級以上，能夠（gòu）替代進口，機床（chuáng）售價卻遠（yuǎn）低於境外同類產品，具（jù）有較高的性價比優勢和市場競（jìng）爭力。

二、產品性能介紹

YK7380A數控成形砂輪（lún）磨齒機采用最新成形砂輪磨齒機設計（jì）理念，是（shì）一款集機械、電（diàn）氣、液壓、自動化技術、伺服控製技術、精密測量技術、計算機軟件技術等多種學科技術於一體的（de）複雜高檔數控機床，可加工直（斜）漸開線齒輪及其他任意齒形，如擺線齒（chǐ）輪，圓弧（hú）齒輪（lún）等，具有高效率、高精度、高可靠性（xìng）等（děng）特（tè）點（diǎn）。

1. 高效率

采用成形磨（mó）削（xuē），砂輪與齒輪為（wéi）線接觸，磨除率高；機床配置高壓大流量冷卻裝置，適應大功率、大（dà）切深磨削加工，減少粗磨循環次數，提高機床磨（mó）削效率，是傳（chuán）統機（jī）床（chuáng）效率的3-5倍。

2. 高精（jīng）度

采用數字伺服係統，選用高精（jīng）度光柵尺，全閉環控製，運動平穩，無衝擊，實現了很高的運動精度；磨削專（zhuān）家係統具（jù）有誤差校正功能，可（kě）補償磨削加工誤（wù）差，提高機床磨削精度。

3. 高可靠性

采用（yòng）高剛（gāng）性設（shè）計保證機床較高的幾何精度（dù）；機床熱關鍵點布置冷卻（què）噴淋、溫機控製等措施（shī）以保證機床熱穩定狀態；機（jī）床配置（zhì）溫度、壓力（lì）、流量、振動等多種傳感器，對機床工作狀態實時進行監控，保證機床高可靠性和穩定性（xìng）。

三（sān）、新技（jì）術應用情況

1. 大規格數控成形磨齒機設計製造技術

（1）模塊化（huà）設計技（jì）術

機床采用立式結構，模塊化設計，縮短開發周期，提高機床可靠性。機床（chuáng）主要包括床身、立柱、工作台、工件立柱、滑板、修整器、磨具等部件，機床布局如圖2所示。

圖2 YK7380A磨齒機模塊布局圖（tú）

（2）高剛性（xìng）設計製造

成形磨削載荷大，對機床剛性（xìng）要求高。在設（shè）計中對機床整機及關鍵零部件進行有限元分析、結構（gòu）優化，保證機床高剛度（dù）；對關鍵零部件進行模（mó）態實驗分析，使機床固有頻率遠高於磨削時（shí）的激振頻率（lǜ）；對關鍵結合麵進行（háng）精（jīng）密刮削，保證接觸剛度。

（3）大型磨（mó）齒機熱特性控製技術（shù）

大型磨齒機工（gōng）作過程中，在內外熱源（yuán）共同作用下產生熱變形，影響工件與砂輪間相對位（wèi）置，造成齒輪加工精度降低。研（yán）究表明，精密加工中（zhōng），由熱變形引起的加工誤差所占比例達40%-70％，因此，減（jiǎn）小熱（rè）變形及盡快（kuài）使機（jī）床達到熱平衡（héng）對提高加工（gōng）精度和穩定性至關重要。

為此采取的（de）主要方法有：

①機床熱對稱設計及冷卻流道優化。通過有限元分析機床熱變形情況，優化機床（chuáng）布局，采用熱對稱結構，優（yōu）化床身流道設計，增加床身周圍冷卻液流動，使溫度分布（bù）更加均勻，提高機床熱（rè）特性。

圖3 磨齒（chǐ）機整機溫（wēn）度場雲圖

圖4 改進流道後整機變形雲圖

②等溫磨削控製（zhì）技術。實時檢測機床內部及外圍環境溫度，自動調節磨削冷卻液溫度，使機床內部溫（wēn）度與環境溫度差保持在穩定範圍內（nèi），減小熱變形引起的誤差，實現機床工作過程變（biàn）形最小，滿足高精（jīng）度磨（mó）削要求。

（4）靜壓導軌和靜壓軸承設（shè）計製造技術。采用（yòng）閉式靜（jìng）壓導軌，解決直（zhí）線導軌大負載（zǎi）情況下出現爬行和滯後，直線軸重複（fù）定位精度達到（dào）0.002mm，回轉軸定位精度達到±3角秒，機床（chuáng）最大承載2t，滿足產品設計（jì）要求。

（5）複合材料應用。機床裝（zhuāng）配過程中，幾何精度調整需要（yào）多次修刮導（dǎo）軌結合（hé）麵，大型機床結合麵修刮時大（dà）件的起吊、翻身、刮研工作量非常大，采用新型複合材料，實現機（jī）床導軌精（jīng）度一次定型，就能滿足精（jīng）度要求，減少（shǎo）裝配工作量，提高機床裝配（pèi）精度。

2. 磨削專家係統開發

磨（mó）削專家（jiā）係統是成形砂輪磨齒機（jī）最為核心的（de）軟件（jiàn）係統，解決了機床操作人員機下繁瑣計算程序編製，可根據用戶磨削工件要求推薦磨削工藝，供用戶選擇多種形式的磨削方法、砂輪修整方法，自動生成機床加工（gōng）程序，指導用戶（hù）進行（háng）精密、高效磨削，提（tí）高了機床加工效率。

主（zhǔ）要功（gōng）能模塊（kuài）包含以下幾（jǐ）項：

（1）基於工作狀態下齧（niè）合誤差優化的齒廓修形

齒輪箱齒輪由於加工、裝配誤差、受載（zǎi）變形等（děng）產生（shēng）邊緣接（jiē）觸，形成應力（lì）集中（zhōng），對（duì）傳（chuán）動平穩性和壽命產生很大影響，因此需對齒廓進（jìn）行精（jīng）確修形，減少邊緣接觸和（hé）應力集中。機床采用成形（xíng）磨削，可通過全閉環伺服軸精（jīng）確（què）插（chā）補對齒輪廓形修形，實現（xiàn）齒廓精確三維修形（xíng）。

圖5 齒廓修形三維圖形

（2）齒麵扭曲控製技術

磨削斜齒輪時，砂輪與齒（chǐ）麵的接觸線為一條空間曲線，需調整砂輪和工件（jiàn）的軸交（jiāo）角（jiǎo），改變接觸線相對位置，避免砂輪與齒麵兩側（cè）接觸線不是同時脫離（lí）齒麵（miàn），受力不均（jun1），出現讓刀，造成齒麵（miàn）扭曲。機床開發的齒麵扭曲控製技（jì）術，根據工（gōng）件參數，自動優化調整砂輪軸交角，改變接觸線相對位（wèi）置，改善齒麵扭曲。

（3）工（gōng）件表（biǎo）麵質量磨削控製技（jì）術

對（duì）大型齒輪磨削（xuē）工藝進（jìn）行研究，采集、分析高效磨齒工（gōng）藝數據，建立（lì）工藝參數數據庫，對（duì）不同材料、不同熱處（chù）理要求齒輪都能找到適用的磨削工藝參（cān）數（shù）供用戶選擇。工（gōng）藝參數主（zhǔ）要包括砂輪（lún）的磨料、粒度、修整進刀（dāo）量、磨削進刀速度、冷卻液流量（liàng）和壓力等，指導用戶實現精密、高效磨削，消除磨削燒傷和裂紋，提高磨削效率。

（4）磨削狀（zhuàng）態智能監控

經過二次開發，砂輪主軸集成的AE（聲發射）裝置，可實（shí）現磨削工件自動對刀、餘量自動分配、磨削過程及砂輪磨損狀況（kuàng）實時監測，控製砂輪自（zì）動修整，保持砂輪鋒利，保證磨（mó）削質量。AE的防（fáng）碰撞保護功能，可以在發生啃刀或偏磨時，機床執行緊急回退功能，保護工件和設備安全。

3. 在機檢測與綜合誤差補（bǔ）償技術

（1）在機測量技術

大型齒（chǐ）輪質量較大，齒輪拆卸、送檢不方便，機下測量費時費力，在（zài）機床上配置（zhì）在機測量功能十分必要。機床在機測量（liàng）功（gōng）能利用機床數（shù）控軸，對齒輪進行測量，測量數據再回傳磨（mó）削專家係統，和設定的目（mù）標對比，自（zì）動調整機床加工參數，實現閉環控（kòng）製下的精密磨削。

機床在機測量係統主要對齒輪齒形、齒向、齒距及齒距累積總偏差進行測量。

圖（tú）6 機床在機測（cè）量報（bào）告

（2）機床綜合誤差測試補償技術

利用激（jī）光跟蹤（zōng）儀對機（jī）床（chuáng）伺服軸各（gè）項誤差進行測量，建立機床空間誤差模（mó）型，應用數控係統（tǒng）的動態操作功能，對（duì）軸間誤差進行補償。利（lì）用自行開（kāi）發（fā）的傳動（dòng）鏈誤（wù）差測試儀對機床單軸運動誤差、多軸聯動誤差、插（chā）補（bǔ）誤差（chà）進行測量分析，調（diào）整機床參數，達到最（zuì）佳補償效果。

圖7 機床綜合（hé）誤差補償現場測試

4．機床工作狀態監測、預警及故障診斷技術應用

（1）機床無附加傳感器（qì）監測與預警

通（tōng）過機床（chuáng）數控係統內（nèi）置的位置、速度、扭矩、電流、電壓等接口，獲取機床（chuáng）動態響應信號（hào），提取（qǔ）機床進給係統早（zǎo）期（qī）微弱故（gù）障特征，對動態誤差和各種振動量進行實時監測。當誤差趨勢開始變大，故障征兆開始出現時，及（jí）時對機床故障進行預警處理（lǐ），提高機床的穩定性和（hé）可靠性。

圖8 YK7380A磨齒機故障診斷軟件界麵

（2）遠程故障診斷技術應用

機床遠（yuǎn）程診斷功能實現了外部計算機與機床（chuáng）工控機之間的遠程（chéng）控製（zhì），以便對機床進行故障診斷、參數更改等在線操作。當客戶機床出現故障時，維修人員不用到（dào）現場就可以處（chù）理機床故障，縮短了機床維修時間，提高了（le）機（jī）床工作效率，機床用戶服務更加方便快（kuài）捷。

四、成（chéng）果應用及市場前景

對（duì）於（yú）YK7380A數控成形砂輪磨齒機（jī）的研發成功,用（yòng）戶給予了很高的評（píng）價，認為該機床加工精度高、性能穩定（dìng）、故障率低，磨削精度和磨削效率達到了國外同類磨齒機水平。公司根據不同行業、不（bú）同用戶（hù）的需求定製（zhì）方案，積極拓展產品（pǐn）應用領域（yù），使該產品獲得較高的（de）市場份額，取得了良好的經濟和社會（huì）效益（yì）。隨著國內市場對中大規格高效、高精度數控磨齒機裝備的需求不斷提升，對該類（lèi）產品（pǐn）的數量、質量（liàng）和技術水平等各方（fāng）麵都（dōu）提出了更高要求（qiú），大型磨齒機的市場需求將隨之擴大，YK7380A磨齒機將迎來廣闊的市場前景，同時將對我國磨（mó）齒機向（xiàng）更大規（guī）格、更高精度、更高效率方向發展提供有力支撐，提升我國此（cǐ）類高端數控裝（zhuāng）備的製造水平。

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