汽車變速器齒輪高精度磨齒機(jī)床研究
2020-6-5 來(lái)源： 信陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與機(jī)電工程學(xué)院 作者：余阿東
摘要: 面向汽車變速器行業(yè)對(duì)高精度齒輪的需求，開發(fā)一種蝸桿和成型砂輪復(fù)合磨削的雙工件主軸磨齒機(jī)床。該機(jī)床具備全自動(dòng)更換刀具和全自動(dòng)裝卸被加工齒輪功能，可使用通用修整器同時(shí)修整蝸桿砂輪和成形砂輪; 采用雙工件主軸結(jié)構(gòu)，節(jié)省了上下料裝載時(shí)間，加工效率大幅提升，比單主軸效率高出 30%左右; 在合適的粗磨和精磨砂輪顆粒的作用下，蝸桿砂輪和成形砂輪磨削的結(jié)合使磨削時(shí)間減少了 50%左右; 自帶齒輪檢測(cè)設(shè)備，能夠在線檢測(cè)齒輪磨削加工量是否達(dá)到加工工藝要求，實(shí)現(xiàn)了齒輪磨削高效、高精度、節(jié)能環(huán)保加工。
關(guān)鍵詞: 磨削加工; 磨齒機(jī); 蝸桿砂輪; 成型砂輪; 雙工件主軸
面向汽車變速器行業(yè)對(duì)高精度齒輪的需求，2016年度“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”國(guó)家科技重大專項(xiàng)提出乘用車自動(dòng)變速器高效加工與裝配關(guān)鍵設(shè)備及成套生產(chǎn)線研究，其中高精度齒輪滾磨制造工藝及其成組成套技術(shù)是重要研究?jī)?nèi)容。作者針對(duì)科技重大專項(xiàng)研究?jī)?nèi)容，通過(guò)自主創(chuàng)新的途徑，開展汽車變速器齒輪磨齒機(jī)床的研究。重點(diǎn)攻克了十四軸五聯(lián)動(dòng)高速高精蝸桿砂輪和成型砂輪聯(lián)合磨削機(jī)床總體結(jié)構(gòu)［1］、高速高精磨齒工藝參數(shù)優(yōu)化及數(shù)控自動(dòng)化編程軟件、高速磨齒工藝系統(tǒng)磨削熱傳遞及溫度場(chǎng)控制、高速微晶陶瓷磨料蝸桿砂輪及成型砂輪、通用修整器等關(guān)鍵技術(shù)難題，開發(fā)了一種乘用車自動(dòng)變速器齒輪加工用十四軸五聯(lián)動(dòng)高精高速數(shù)控蝸桿砂輪和成型砂輪結(jié)合的雙工件主軸機(jī)床，為齒輪磨削加工提供了快速生產(chǎn)手段。蝸桿砂輪和成形砂輪磨削的結(jié)合使磨削時(shí)間減少了 50%左右［2］，采用雙工件主軸結(jié)構(gòu)，節(jié)省了上下料裝載時(shí)間，加工效率大幅提升，比單主軸效率高出 30%左右，實(shí)現(xiàn)了齒輪高效、高精度磨削加工。
1、高速高精數(shù)控復(fù)合磨削自動(dòng)換刀雙工件主軸磨齒機(jī)床主要結(jié)構(gòu)及參數(shù)
針對(duì)齒輪磨削加工的特點(diǎn)和企業(yè)對(duì)磨齒加工的生產(chǎn)效率以及工藝要求，開發(fā)了一種蝸桿砂輪和成型砂輪磨削結(jié)合的雙工件主軸磨齒機(jī)床，機(jī)床具備全自動(dòng)更換刀具和全自動(dòng)裝卸被加工齒輪功能，可使用通用修整器同時(shí)修整蝸桿和成形磨削輪，無(wú)需進(jìn)行刀具的準(zhǔn)備工作。采用雙工件主軸結(jié)構(gòu)，節(jié)省了上下料裝載時(shí)間，加工效率大幅提升，比單主軸效率高出 30%左右。在合適的粗磨和精磨砂輪顆粒的作用下，蝸桿砂輪和成形砂輪磨削的結(jié)合使磨削時(shí)間減少了 50%左右。自帶齒輪檢測(cè)設(shè)備，能夠在線檢測(cè)齒輪磨削加工量是否達(dá)到加工工藝要求。磨齒機(jī)結(jié)構(gòu)及各坐標(biāo)軸如圖 1 所示，磨齒機(jī)由底座、立柱、雙工件主軸、立柱滑臺(tái)、砂輪切向移動(dòng)滑臺(tái)、砂輪刀架轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)、蝸桿砂輪、修整器、齒輪檢測(cè)設(shè)備、換刀機(jī)械手、齒輪工件裝卸機(jī)械手等組成。磨齒機(jī)為十四軸: X 軸、Y軸、Z 軸、A 軸、B 軸、C1軸、C2軸、U 軸、V 軸、W 軸、E 軸、F1軸、F2軸、F3軸等。各軸的作用與相互間的關(guān)系: X 軸是立柱移動(dòng)軸，是刀具的徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)軸，刀具沿工件徑向移動(dòng)以確保磨削出全齒深，還能夠?qū)崿F(xiàn)齒輪的在線檢測(cè)。Y 軸帶動(dòng)滑塊切向移動(dòng)，是蝸桿砂輪切向移動(dòng)軸; 另外，能夠配合砂輪修整器，實(shí)現(xiàn)蝸桿砂輪和成型砂輪的在線修正，還能夠配合齒輪檢測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)齒輪加工質(zhì)量在線檢測(cè)。Z軸是立柱滑臺(tái)上下移動(dòng)軸，實(shí)現(xiàn)砂輪刀具的軸向移動(dòng)，刀具沿工件軸線移動(dòng)以磨削出齒輪的整個(gè)齒寬，以及完成齒輪在線檢測(cè)功能。A 軸是砂輪刀架轉(zhuǎn)動(dòng)軸，在磨齒加工齒輪時(shí)，需要根據(jù)齒輪的螺旋角和蝸桿砂輪的螺旋升角轉(zhuǎn)動(dòng)刀架，以確保磨削出正確的齒形角和齒向，以及保證成型砂輪磨削出正確的螺旋角，另外還能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)換刀功能。B 軸是砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸，是磨齒機(jī)的主運(yùn)動(dòng)，砂輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)磨削被加工工件上的材料并形成齒廓。
C1軸、C2軸是工作臺(tái)主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) ( 也稱工件軸) ，是磨齒機(jī)的分齒運(yùn)動(dòng)，它和砂輪保持嚴(yán)格的速比關(guān)系，以保證磨削出的齒輪齒數(shù)正確，并且保證其分齒精度; 另外還能夠配合機(jī)械手實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)裝卸，雙工件主軸節(jié)省了上下料裝載時(shí)間，加工效率大幅提升。U 軸是裝卸機(jī)械手左右移動(dòng)軸，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的自動(dòng)裝卸，并可根據(jù)不同工件大小與切削參數(shù)調(diào)整移動(dòng)節(jié)拍。V 軸是換刀運(yùn)動(dòng)軸，實(shí)現(xiàn)不同的砂輪更換。W 軸是修整器移動(dòng)軸，實(shí)現(xiàn)對(duì)砂輪的修整。E 軸是修整器旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸，實(shí)現(xiàn)對(duì)砂輪的修整。F1軸是齒輪檢測(cè)設(shè)備旋轉(zhuǎn)打開運(yùn)動(dòng)軸，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)設(shè)備由關(guān)閉保護(hù)狀態(tài)到打開檢測(cè)齒輪加工質(zhì)量功能。F2軸是修整器可旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)軸。F3軸是雙工件主軸可轉(zhuǎn)位軸。其中 5 個(gè)聯(lián)動(dòng)軸為: B 軸、C 軸、X 軸、Z 軸、U 軸。
圖 1 磨齒機(jī)床結(jié)構(gòu)及坐標(biāo)軸簡(jiǎn)圖
在磨齒機(jī)床設(shè)計(jì)階段十分重視運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化，重視高剛度輕量化設(shè)計(jì)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力匹配。進(jìn)行機(jī)床每一個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的驅(qū)動(dòng)參數(shù)的優(yōu)化，使機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能滿足用戶的需求。機(jī)床床身為人造理石材料，熱變型誤差較小; 具有更好的吸收振動(dòng)的能力，降低振動(dòng)對(duì)機(jī)床傳動(dòng)部件的影響，機(jī)床剛性更好、精度穩(wěn)定。
2 、基于齒輪高速高精復(fù)合磨削工藝參數(shù)優(yōu)化的開放式數(shù)控系統(tǒng)
由于直驅(qū)技術(shù)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力好、無(wú)反向間隙、無(wú)傳動(dòng)機(jī)械磨損等顯著優(yōu)勢(shì)，磨齒機(jī)床采用直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)，即刀具軸和工件軸分別由電主軸和力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)［3］，工件軸和砂輪之間之間不存在任何機(jī)械傳動(dòng)元件，稱之為 “零傳動(dòng)”; 砂輪作為主動(dòng)軸，工件軸作為跟隨軸［4］，當(dāng)工件軸的響應(yīng)速度足夠時(shí)，在電子齒輪箱程序的控制之下，可以得到理想的分度精度和很好的表面磨削質(zhì)量，對(duì)于蝸桿砂輪磨削和成型砂輪磨削采用不同的控制程序。這樣的設(shè)計(jì)使得機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，同時(shí)極大地提高了加工效率和加工精度，但是也對(duì)數(shù)控系統(tǒng)提出更高的要求。機(jī)床采用基于總線型運(yùn)動(dòng)控制卡的全閉環(huán)控制開放式數(shù)控系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件平臺(tái)采用工控機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡，軟件平臺(tái)基于 Windows 系統(tǒng)，采用 VC + +開發(fā)工具和 Win-dows 系統(tǒng)下的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，通過(guò)對(duì)齒輪高精磨削工藝參數(shù)優(yōu)化，編制出專門的齒輪蝸桿磨削、成型磨削加工程序、在線砂輪修整程序、在線齒輪加工質(zhì)量檢測(cè)程序，對(duì)機(jī)床進(jìn)行十四軸控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)。數(shù)控系統(tǒng)控制原理如圖 2 所示。
圖 2 數(shù)控系統(tǒng)控制原理簡(jiǎn)圖
高速高精度柔性電子齒輪箱程序?qū)儆邶X輪磨削加工數(shù)控系統(tǒng)的一個(gè)核心部分，通過(guò)參數(shù)設(shè)置，可以適用于齒輪蝸桿磨削和成型磨削對(duì)多軸聯(lián)動(dòng)嚴(yán)格速比關(guān)系的要求。各軸伺服電機(jī)和主軸電機(jī)通過(guò)電機(jī)接口與系統(tǒng)相連，主運(yùn)動(dòng)信號(hào)通過(guò)電機(jī)編碼器或激光干涉反饋，由數(shù)控系統(tǒng)處理并通過(guò)柔性電子齒輪箱程序判別和計(jì)算，控制隨動(dòng)數(shù)控軸完成主從式的電子齒輪比運(yùn)動(dòng)。采用激光干涉反饋全閉環(huán)技術(shù)直接檢測(cè)砂輪軸、工件軸和其他軸的位置，構(gòu)成了真正意義的全閉環(huán)。該技術(shù)將長(zhǎng)度反饋系統(tǒng)提升至激光波長(zhǎng)基準(zhǔn)，自帶環(huán)境 ( 溫度、氣壓) 補(bǔ)償，可以控制滾刀主軸和工件工作臺(tái)定位精度達(dá)到激光干涉儀精度水準(zhǔn)。基于開放式數(shù)控系統(tǒng)具有以下幾種主要功能: 數(shù)控電子齒輪箱( EGB) 功能、多軸精確同步控制插補(bǔ)功能，可以方便地實(shí)現(xiàn)分齒運(yùn)動(dòng)和差動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng); 齒輪加工質(zhì)量在線檢測(cè)功能; 砂輪在線修整功能; 自動(dòng)更換刀具和裝卸工件。
3 、高速磨削工藝系統(tǒng)磨削熱傳遞及溫度場(chǎng)控制
高精密的汽車變速器齒輪對(duì)齒輪加工機(jī)床的精度和可靠性提出了越來(lái)越高的要求，大量研究表明: 磨齒機(jī)在高速磨削齒輪時(shí)磨削熱易導(dǎo)致齒面燒傷和機(jī)床部件發(fā)生熱變形［5］。因此磨齒機(jī)床采用以下 3 種方法減少磨削熱對(duì)磨齒機(jī)床的影響: 改進(jìn)機(jī)床床身材料;控制機(jī)床重要部件的溫升，如進(jìn)行有效的冷卻和散熱［6］; 建立溫度變量與熱變形之間的數(shù)學(xué)模型，用軟件預(yù)報(bào)誤差，用 NC 行補(bǔ)償，以減少或消除由熱變形引起的機(jī)床磨削誤差。磨齒機(jī)床采用人造理石為床身主要材料。人造理石材料熱膨脹系數(shù)僅為鑄鐵的 1/20，具有更好的環(huán)境適應(yīng)性、更小的熱變型誤差，很大程度上降低了機(jī)床的熱變形; 人造理石的阻尼是鑄鐵的 6 倍，具有更好的吸收振動(dòng)的能力，降低了機(jī)床的切削振動(dòng)對(duì)機(jī)床傳動(dòng)部件的影響; 人造理石床身制造工藝采用常溫固化，沒有鑄鐵冷卻不均導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力，是國(guó)際上精密機(jī)床優(yōu)選的床身材料。整臺(tái)機(jī)床采用潤(rùn)滑點(diǎn)自動(dòng)潤(rùn)滑，保證機(jī)床砂輪、夾具等具有良好的磨削能力和精度穩(wěn)定性，齒輪磨削加工區(qū)采用高壓流動(dòng)氣體冷卻，機(jī)床工作區(qū)與床身完全隔離，最大程度地減小由于熱磨屑與床身接觸而產(chǎn)生的熱膨脹的影響。磨齒機(jī)熱變形誤差補(bǔ)償技術(shù)采用事后補(bǔ)償［7］，通過(guò)激光檢測(cè)手段對(duì)數(shù)控加工時(shí)產(chǎn)生的誤差進(jìn)行直接或間接的測(cè)量，然后根據(jù)已經(jīng)建立的誤差補(bǔ)償模型進(jìn)行誤差補(bǔ)償計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果反饋給開放式數(shù)控系統(tǒng)，使系統(tǒng)控制器發(fā)出相應(yīng)的控制誤差補(bǔ)償指令以補(bǔ)償相應(yīng)的熱誤差［8］。
4、 蝸桿砂輪和成型砂輪研究
隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日愈激烈，質(zhì)量、效率和成本成為生產(chǎn)企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。如何取得這三點(diǎn)的平衡是所有生產(chǎn)企業(yè)能否成功的關(guān)鍵。磨齒床采用蝸桿砂輪和成型砂輪來(lái)平衡三點(diǎn)之間的關(guān)系。使用優(yōu)化的不同規(guī)格的成形砂輪進(jìn)行粗加工和精加工，以盡可能縮短加工時(shí)間，且取得質(zhì)量極佳的表面粗糙度。蝸桿砂輪可以采用最快的加工速度而不必?fù)?dān)心工件最后的齒形質(zhì)量。利用成型砂輪進(jìn)行精密磨削，修正齒形誤差。這種加工方法適用于大批量生產(chǎn)相同或相似規(guī)格的齒輪，可以加工出無(wú)齒形誤差的正齒輪和斜齒輪。蝸桿砂輪、成型砂輪采用高速微晶陶瓷磨料，合適的粗磨和精磨砂輪顆粒，采用高速、高效、高精度磨削加工工藝，可以提高齒輪的制造精度、齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性和壽命，確保齒輪的精確接觸和精密嚙合。
5、 高精密齒輪加工質(zhì)量在線測(cè)量裝置和砂輪在線修整器
在汽車齒輪要求 100%全部檢測(cè)的態(tài)勢(shì)下，磨齒機(jī)直接將齒輪測(cè)量裝置集成于齒輪加工機(jī)床，齒輪加工后不用拆卸，立即在機(jī)床上進(jìn)行在機(jī)測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)機(jī)床參數(shù)及時(shí)調(diào)整修正。齒輪加工質(zhì)量在線檢測(cè)裝置，采用齒輪整體誤差測(cè)量程序，把齒輪作為一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)功能的幾何實(shí)體，或采用坐標(biāo)式幾何解析法對(duì)其單項(xiàng)幾何精度進(jìn)行測(cè)量，并按齒輪嚙合傳動(dòng)順序和位置，集成為一條 “靜態(tài)”齒輪整體誤差曲線; 或按單面嚙合綜合測(cè)量方式，使用特殊測(cè)量齒輪，采用滾動(dòng)點(diǎn)掃描測(cè)量法對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，得到齒輪 “運(yùn)動(dòng)” 整體誤差曲線。上述兩種齒輪整體誤差曲線，經(jīng)過(guò)數(shù)控系統(tǒng)程序運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理，都可以得到齒輪綜合運(yùn)動(dòng)偏差、各單項(xiàng)幾何偏差、三維齒面形貌偏差以及接觸區(qū)狀態(tài)，從而能更全面、準(zhǔn)確地評(píng)定齒輪質(zhì)量和齒輪加工工藝的分析和診斷。將齒輪測(cè)量技術(shù)和齒輪設(shè)計(jì)、加工制造進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)齒輪制造信息的融合及 CAD/CAM /CAT 的集成，從而構(gòu)建一個(gè)先進(jìn)的齒輪數(shù)字化閉環(huán)制造系統(tǒng)。
僅使用一個(gè)通用修整器就能同時(shí)修整蝸桿和成形磨削輪，無(wú)需進(jìn)行刀具的準(zhǔn)備工作。修整器安裝在立柱滑臺(tái)上，位于機(jī)床砂輪刀架的上方，該修整器由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、高精度主軸、精密滾珠絲杠進(jìn)給機(jī)構(gòu)、修整器可旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、金剛石滾輪等組成。修整進(jìn)給速度、進(jìn)給量、光修時(shí)間是數(shù)控系統(tǒng)控制的，具有數(shù)字顯示、前臺(tái)控制、便與操作等特點(diǎn)，可提高工件磨削的精度和質(zhì)量。
6 、結(jié)論
乘用車自動(dòng)變速器齒輪磨削加工用十四軸五聯(lián)動(dòng)高精度高速數(shù)控蝸桿砂輪和成型砂輪復(fù)合磨削雙工件主軸機(jī)床，采用基于總線型運(yùn)動(dòng)控制卡的全閉環(huán)控制開放式數(shù)控系統(tǒng)，采用蝸桿砂輪和成型砂輪磨齒加工刀具，具備全自動(dòng)換刀功能，能夠使用優(yōu)化的不同規(guī)格的成形砂輪進(jìn)行粗加工和精加工，以盡可能縮短加工時(shí)間，且取得質(zhì)量極佳的表面粗糙度。能夠使用高效率的蝸桿砂輪磨削過(guò)程進(jìn)行粗加工，聯(lián)合精密成形磨削工藝進(jìn)行精加工。加工策略能使用戶在生產(chǎn)率和靈活性方面達(dá)到前所未有的程度。使用刀具更換裝置可允許使用為超精加工而設(shè)計(jì)的特殊成形砂輪磨削更加出眾的表面質(zhì)量。采取智能化的能源管理系統(tǒng)和最新的驅(qū)動(dòng)和電機(jī)技術(shù)，可減少多達(dá) 40%的能源消耗。機(jī)床加工精度可達(dá)國(guó)標(biāo)的 5 級(jí)，齒面粗糙度為 Ｒa0. 8μm 左右。該機(jī)型替代進(jìn)口，降低制造成本，提高磨齒加工產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)率、工藝可靠性。
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