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齿轮磨床发展趋势和国产典型磨齿机综述论
齿轮磨床发展趋势和国产典型磨齿机综述论 齿轮磨床经过八十余年发展，已从单一产品演变到多系列、多规格，从传统的机械式到采用数控技术，从氧化铝砂轮到采用CBN砂轮，使机床精度、性能和加工效率不断提高，而操作日趋简捷方便。现已形成七个系列200余种规格的齿轮磨床，按标准化分为碟形双砂轮系列（Y70）、锥形砂轮系列（Y71）、蜗杆砂轮系列（Y72）、成型砂轮系列（Y73）、大平面砂轮系列（Y74）、内齿轮砂轮系列（Y75）、摆线齿轮系列（Y76）。中国的齿轮磨床研究制造已有四十余年历史，从八十年代初至今近二十多年间发展较快，制造出七个系列60余种规格的齿轮磨床。其中1997年由秦川机床集团有限公司研制成功的YK7250蜗杆砂轮磨齿机（数控八轴五联动）在国际机床博览会上被有关专家誉为“具国际水平的机床”，标志着中国齿轮磨床制造技术水平跨入世界先进行列。 随着科学技术和经济的发展，齿轮加工业对于齿轮加工机床的性能要求不断提高，反之，齿轮加工机床制造业对于齿轮加工又具有导向作用，形成有机的联动发展。为此，一批能适应社会科技和经济发展节拍的新产品应运而生；反之，则被淘汰。这在齿轮磨床制造业中尤为突出。像瑞士马格公司（Magg）七十余年来一直以其生产的碟形双砂轮磨齿机在国际市场独显风采，作为磨齿机中最高精度的代表产品，采用展成磨削原理，及其它技术措施，可磨削出三级以上精度的齿轮。但是，马格磨齿机亦有不足之处，主要是：效率低 展成磨削为点接触加上碟形砂轮自身强度、刚度限制，不能作深切或强力磨削；生产成本高 所需的特殊附件多，如缺口分度板齿数须和工件齿数相匹配，工作基圆要与滚圆盘的直径一致等，工作种类愈多，所需附件愈多。为此，这家世界闻名、历史悠久的公司，于八十年代末被瑞士奥立康公司（Oerllkon）兼并。 国内曾研制出Y7032A、Y7063A、Y7160等碟形双砂轮磨齿机，其中原秦川机床厂制造的Y7032A，其主要性能均达到马格公司同类产品SD-32-X碟形双砂轮磨齿机水平，荣获国家科技进步一等奖。但是，由于高效蜗杆砂轮磨齿机制造技术的成熟应用，碟形双砂轮磨齿机的市场占有率逐年缩小。 从马格公司被兼并的现实，留给人们思考的是两个字：“效率”。效率是物质能量的反映，是生命力的象征。为此，自七十年代末至今，国内外磨齿机发展趋势，一直以高效率、高精度为追求目标。 根据国内外资料介绍，提高磨齿机效率、精度、性能等方面，着重从三个方面入手：一是采用CNC技术；二是采用新型磨削材料CBN砂轮；三是采用新的磨削原理，目前重点集中在蜗杆砂轮和成型砂轮磨削两大类技术上。 --蜗杆砂轮磨齿机-- 随着CNC技术的发展和蜗杆砂轮及成型砂轮磨削技术的日益成熟，其加工精度已经赶上原马格磨齿机水平，而生产效率远高于Magg磨齿机，已为市场和专家公认，近年来占有绝大部分的市场。其中蜗杆砂轮磨齿机的生产效率又高于成型磨齿机，且技术成熟较早，所以市场份额就更大一些。国际上代表当今蜗杆砂轮磨齿机制造水平的首推瑞士莱斯豪尔公司（Reishaue），其代表产品有：NZA、AZA、RZ300E、RZ301S、RZ362、RZ801、RZ820等型号蜗杆砂轮磨齿机。其他制造厂商主要有：美国格里森公司的TAG400、匈牙利Cepel公司的FKP-362-10、PCG326-10PLC等，日本Kashifuji公司的KF200、OKMOTO公司的SHG400，中国秦川公司的YE7232、YK7232、YK7250等型号产品及上海机床厂的YKA7232。表一：国内外同类蜗杆砂轮磨齿机主要性能、特点对照表型号项目 瑞士 AZA 中国秦川 YE7232 匈牙利FKP 326-10 主要加工参数 直径（mm） 10~330 20~320 10~320 模数（mm） 0.5~6 1~6 0.5~6 齿数 12~260 12~260 10~260 最大直齿宽度（mm） 170 170 螺旋角（?） ±45 ±45 ±45 夹持长度（mm） 145~420 180~420 240~420 磨削精度 4(5)级/DIN3962 4~5级/GB10095-88 4~6级/DIN3962 自动进给/自动复位 有/有 有/有 有/无自动切向位移 有 有 有砂轮单、双头磨削 有 有 有齿向修形功能 有 有 有齿形修形功能 有 有 有主传动元件数 22 20 22 砂轮修整形式 滚轮、车刀 金刚石滚轮 金刚石车刀工件滑座调速形式及特点 容积高速、均匀 容积高速、均匀 节流调整、不均匀电气主控制系统 PC装置 PC装置 PC装置自动化程度 程控自动磨削 程控自动磨削 程控自动磨削生产能力 优 优 优 注：GB10095-88与DIN3962等效标准，瑞士AZA磨削Z<24达到DIN39625级精度。 通常大批量齿轮加工，蜗杆砂轮磨齿工艺当为首选。上述磨齿机在性能、水平档次上有差异，在价格上差异更大，莱斯豪尔公司的产品价格约为其他国外厂商同类产品的2~3倍，约为中国同类产品的4~5倍。在能满足加工要求和保证生产效率前提下，笔者认为国内厂家应立足国内磨齿机的选型。经过国家专业机构检测鉴定，秦川的YE7232与世界王牌瑞士莱斯豪尔的AZA磨齿机主要性能、特点类似，但价格仅为其的1/5~1/6（见分析表）。秦川的YE7232与世界王牌 瑞士莱斯豪尔的RZ301S等磨齿机主要性能，特点比较见表2。表二：秦川厂与瑞士莱斯豪尔公司（Reishauer）磨齿机性能对照表型号项目 秦川机床集团有限公司 瑞士Reishauer公司 YK7232 RZ300E RZ301S 工 件 直径（mm） 20~320 10~300 10~330 模数（mm） 1~6 0.5~5 0.5~6 齿数 12~256 7~256 10~600 螺旋角（°） ±45 ±45 ±45 工件架行程（mm） 180 180 180 最大顶尖距（mm） 420 420 420 最大重量（N） 600 500 600 砂 轮 直径（mm） 400~300 350~270 350~270 宽度（mm） 100、80 84 104 磨削转速（r/min） 1100~1650 1100~1900 1100~1900 修整转速（r/min） 56 52~90 52~90 快速进退量（mm） 40 50 50 切向位移量（mm） 90 70 90 工件轴向速度（mm/r） 0.4~3 0.6~3 0.6~3 单行程进给量（mm） 0.01~0.1 0.01~0.08 0.01 机动进给总量（mm） 0.8 0.8 --- 精度 3~4(5) 3~4 3~4 传动系统 电子传动 电子传动 电子传动控制系统 计算机数控 PC控制 计算机数控齿形修形 有 有 有齿面对刀 有 有 有磨削状态指示 有 有 有自动切向位移 有 可有 有砂轮转速选择 有 有 有操作调整性能 优 良 优磨削效率 较高 一般 高功能价格比 优 一般 一般 *极限规格齿轮为5级 --成型砂轮磨齿机-- 成型砂轮磨齿机的发展已有四十余年的历史，该磨齿机的关键在于成型砂轮修整器。在八十年代以前，修整器大都为钢带滚圆结构、四连杆机构和渐开线样板的修整器，囿于在磨削斜齿轮时，砂轮廓形必须随砂轮直径改变而改变，而机械式修整器很难实现随机的变化。八十年代初，德国Kapp公司研制出VAG和VAS系列电镀立方氮化硼成型砂轮磨齿机，由于砂轮预先制成必要的形状，直径几乎没有变化，避免磨削斜齿轮时出现的困难。可是由于这种砂轮万能性差，制作价格昂贵，故没有得到普及推广。比较理想的是采用数控砂轮修整器，在磨削斜齿轮时，修整器的运动轨迹可随砂轮直径的变化而变化。八十年代以来，很多厂商都致力于该修整器的研究。所以说蜗杆砂轮磨轮机不断创新的同时，与之并行的成型砂轮磨齿工艺日趋成熟完善，并显示出其特有的重要性，其关键在于克服了蜗杆砂轮磨齿工艺的不足。有关专家曾评述成型砂轮磨齿机的优点为： 能十分方便地解决齿形修缘和齿根圆角问题 蜗杆砂轮磨齿机磨削修缘齿形时必须配备专用金刚石滚轮，生产成本较高。此外用同一修缘滚轮，当砂轮直径不同时，砂轮的实际修缘量是变化的，被磨齿轮的齿形修缘量也会跟着变化。模数越大，这个问题越明显。 数控成型砂轮磨齿机磨修缘齿轮时，只需将修缘量和齿廓形状通过数控系统的操作面板输入系统，而且必要时可随时修改，十分方便。 成型磨齿在理论上对工件模数没有限制，而蜗杆砂轮磨齿机的工件模数有很大的局限性 理论上蜗杆砂轮磨齿机砂轮应该修成一个渐开线蜗杆。而目前采用的修整方法，只能得到“K”型蜗杆，当螺旋升角很小时，这两者之间的差别不大；但是，当螺旋升角加大时，两者之间的误差会明显增大。所以AZA和RZ301S等蜗杆砂轮磨齿机最大模数只能到6mm。RZ801型磨齿机的最大模数为7mm或8mm，但是只能机下修形，必须另配修整器，很不经济。 采用大颗粒金刚石车修砂轮，可以获得正确的渐开线蜗杆，但这种大颗粒金刚石价格十分昂贵，因此这种修整方法已经不再采用。将一个平面金刚滚轮置于砂轮假想蜗杆基田圆柱的切平面内，理论上可以修出渐开线蜗杆，但由于砂轮直径是不断变化的，金刚滚轮的位置必须跟着不断地调整，所以实际上也很难实现。 当工件齿数较少、齿宽较大时，如油泵齿轮，成型磨的效率高于蜗杆砂轮磨 数控成型砂轮磨齿机具有其他各种磨齿机无法比拟的万能性 配备相应的软件后，可以方便地加工各种特殊齿形，如摆线齿、花键等，调整方便，操作简便。 成型砂轮磨齿机在工件齿数较多时，生产效率低于蜗杆砂轮磨齿机，却又大大高于锥面砂轮磨齿机 国际上代表当今成型砂轮磨齿机制造水平首推瑞士Oerlilion-Maag公司，其代表产品为Opal4200、Opal800、Opal1200型CMC磨齿机，磨削精度最高可达DIN2级。其他制造商有：意大利Samputensili公司的R1-370, 德国Kapp公司的VAS55、VAS432、VUS530、VUS531，日本唐津公司的FGS-30N及原德国Niles公司的双砂轮成型磨齿机。中国秦川早期制造的成型砂轮磨齿机有YS7332、YS7363、Y73100，近年内制造出的有YK7332、YK73100以及内齿轮成型磨齿机Y7550、YK75100等。中国研制的成型磨齿机，其技术水平暂低于国外先进水平，但几种控成型砂轮磨齿机相当于国际九十年代初期水平，且从适用性、性能价格方面，仍不失为国内齿轮制造行业首选产品。国内成型砂轮磨齿机的主要性能见表3。表3：国内成型砂轮磨齿机主要技术性能型号项目 秦川机床集团有限公司 YK7332 YK73100 YK75100 根圆直径（mm） min 30 300 400 工件直径（mm） max 320 1000 1000 法向模数（mm） min 1 3 2 max 12 16 12 螺旋角（°） max ±90 ±35 ±30 齿数 - 1~99 1~333 32~300 齿宽（mm） - 350 450 200 磨具中心到工件轴线的距离（mm） min 128 300 70 max 303 880 370 砂轮轴向移动行程（mm） min 20 20 - 精度GB10095-88 max 4级 5~6级 4~5级立柱拖板走刀速度（mm/min） max - 100 100 立柱进刀速度（mm/min） max - 100 100 立柱拖板走刀行程（mm） max - 580 580 立柱进刀行程（mm） max - 580 320 砂轮架走刀速度（mm/min） max 6000 Z轴 - 砂轮架进刀速度（mm/min） max 10000 X轴 - 砂轮架走刀行程（mm） max 440 Z轴 - 砂轮架进刀行程（mm） max 175 X轴 - 头尾架顶尖距（mm） min 250 - - max 700 - - 国内诸多用户对于成型磨齿技术不是很熟悉，虽说制造过几种型号的机械式成型磨齿机，但因固有的技术不足而应用范围很小。随着数控技术的应用，成型磨齿在九十年代初期以来已经相当成熟，所以与蜗杆砂轮磨齿技术一样愈来愈受到重视，并被人们接受、应用推广，而形成齿轮磨床研究发展趋势，作为国内齿轮磨床制造业，亦应从中引起重视和深思。 --锥思砂轮磨齿机-- 以万能性好而著称的锥面砂轮磨齿机，国外制造厂家水平较高的为德国的Niles公司（现为Kapp公司兼并）和Hofler公司，以及Kolb公司，其机床加工精度一般稳定在DIN4级，个别型号可达DIN3级。Niles公司的代表产品有：ZSTZ10/LPC、ZTZ06EG-CNC、ZTZ08EG-CNC、ZST10EG-CNC磨齿机；Hofler公司的代表产品有：H300、H630E、H803E、H1003、H1253、H1603、H2000、H4000磨齿机；Kolb公司的代表产品有：KZ1、KZ2磨齿机等。 国内在八十年代中期之前，主要研制生产锥面砂轮磨齿机。制造商代表为：上海机床厂和秦川机床集团有限公司，曾先后生产数千台锥面砂轮磨齿机，主要型号有：Y7163、Y7150、Y7132、Y7132A、Y7132B、Y7132D、Ym7132A、Y7163A、YK7163、Y7180等。其中秦川公司的Ym7132A、Y7163A、YK7163、Y7180等机床的性能与德国同类产品性能接近，达八十年代末国际先进水平，加工精度稳定在4级。同时，由于机床价格远低于进口机床，以其良好的性能价格比，赢得国内大部分市场。
