机床：磨齿机

基本内容

19世纪末﹐为了磨削插齿刀﹐在美国创制了大平面砂轮磨齿机。20世纪初﹐随著汽车工业的发展﹐德国研制出锥面砂轮磨齿机﹐美国采用成形砂轮磨削汽车齿轮。1914年﹐为了提高齿轮精度﹐瑞士制造出碟形砂轮磨齿机﹐采取了补偿砂轮磨损等措施。30年代后期﹐瑞士又研制出蜗杆砂轮磨齿机﹐提高了效率。

磨齿机的工作原理分成形法和展成法(见齿轮加工)两类。

按成形法加工的成形砂轮磨齿机(图1 成形砂轮磨齿机 )的砂轮由成形砂轮修整器在轴向剖面内修成齿形﹐砂轮架可作垂直方向进给。被磨齿轮由分度架和尾座支承﹐通过工作台作纵向往复运动以磨出齿面﹐每磨一齿后进行分度。在磨斜齿轮的机床上﹐砂轮可按工件螺旋角转一角度﹐工件能在往复运动的同时得到附加转动。如机床砂轮架能使砂轮进入内齿轮工件中﹐便可磨削内齿轮。成形砂轮磨齿机结构简单﹐效率高﹐精度可达5级﹐适用於成批生产﹐对齿数少(例如少於10)的齿轮尤为合适。

按展成法加工的磨齿机根据砂轮形状可分为 4种。碟形砂轮磨齿机﹕两个旋转的碟形砂轮的窄边相当於齿条的两个齿面(图2 碟形砂轮磨齿机 )﹐工件通过滚圆盘和钢带作展成运动﹐工作台沿工件轴向作往复运动以磨出整个齿宽。每磨完一齿后由分度头架通过分度盘分齿。这种机床还可利用附加装置磨削斜齿。若用一个砂轮伸入内齿轮中﹐就可磨削内齿轮。这种机床一般为卧式布局﹐加工直径大於1米时用立式布局﹐精度可达4级﹐适用於磨削高精度齿轮。锥面砂轮磨齿机﹕砂轮的轴向剖面修整成齿条的一个齿形﹐并沿齿向作直线往复运动。工件通过蜗轮﹑丝杠和交换齿轮完成展成和分度运动﹐但也有用滚圆盘和钢带作展成运动﹐利用蜗轮副或分度盘作分度运动的 (见彩图 锥形砂轮磨齿机 ﹑ 蜗杆珩齿机 )。砂轮架按工件螺旋角转过一个角度时可磨削斜齿轮。这种机床调整方便﹐通用性好﹐适用於单件成批生产﹐应用较广。蜗杆砂轮磨齿机﹕原理与滚齿机相似﹐砂轮为大直径单头蜗杆(见蜗杆传动)形状﹐砂轮每转一转﹐工件转过一齿﹐其传动比准确﹐有的用机械传动﹐有的用同步电动机分别驱动﹐有的用光栅和伺服电机传动。磨削时工件沿轴向作进给运动(见机床)﹐以磨出整个齿面。砂轮用金刚石车刀车削或用滚压轮滚成蜗杆形。机床为立式布局﹐连续分度﹐磨削效率高﹐适用於成批生产中加工中等模数的齿轮﹐对齿数多的齿轮尤为合适﹐精度可达4级。大平面砂轮磨齿机﹕砂轮的工作平面相当於齿条的一个齿面﹐用渐开线样板(也有用钢带和滚圆盘的)产生展成运动。砂轮和工件都不作工件轴向往复运动﹐磨出一侧齿面后利用分度盘分齿﹐依次磨出所有齿面。然后工件调头﹐再磨出另一侧齿面。机床为卧式布局﹐结构简单﹐性能稳定﹐精度可达3级﹐主要用於磨削插齿刀﹑剃齿刀和计量用的测量齿轮等。

依据齿轮磨齿原理的不同，磨齿机分为展成砂轮磨齿机和成形砂轮磨齿机。

1、展成砂轮磨齿机特点

展成磨齿法是基于啮合切削原理的磨齿方法。展成法磨齿对砂轮要求简单，同一模数齿轮磨削时，只需相同的砂轮即可，并对砂轮的修整要求不高，因而展成磨齿机得到了充分发展，形成了多种系列产品。

在展成砂轮磨齿机中，蜗杆砂轮磨齿机应用最广。其加工原理和滚齿机类似，一个具有蜗杆形状的砂轮连续与齿轮啮合，从而展成轮齿的渐开线形状。该方法是磨齿工艺中效率较高的方法之一，在中小模数齿轮批量磨齿加工中效率最高，运用最为广泛。

2、成形砂轮磨齿机特点

成形砂轮磨齿法是基于成形加工原理的磨齿方法，是通过使用特定轮廓的砂轮磨削齿轮。成形磨齿法多用于大直径，大模数，少齿数齿轮加工。随着现代数控技术的快速发展，相对展成砂轮磨齿机，成形砂轮磨齿机的优势越来越明显，主要表现在:

（1） 操作、调整方便。机床无展成运动、结构简单、控制与调整更方便。

（2） 效率高。砂轮磨削接触面积大于展成磨，单位时间磨削量大大增加。同时采用深切缓进给与强力冷却技术，在降低磨削烧伤概率的情况下，减少了粗磨次数，进一步提高了磨削效率。

（3） 磨削精度高、稳定性好。机床运动相对简单，故运动平稳无冲击。CNC成形砂轮磨齿机采用的伺服控制系统和位置检测技术大大提高了机床运动精度。数控砂轮修整技术与机床在机检测技术的运用，有效地保证了成形砂轮磨齿机的磨齿精度。目前，成形磨齿精度可达2～1级，稳定在3级。

（4） 适用范围广。数控砂轮修整技术的运用，使成形磨削可以方便地实现齿轮修形。通过配备相应的软件可磨削各种特殊的齿形，如花键齿、圆弧齿、摆线齿等。因成形砂轮磨齿机的优点逐渐显现，20世纪末以来，成形砂轮磨齿机得到了充分发展。

（1） 成形磨齿成为未来磨齿技术的发展总趋势。近年来成形磨齿机在很多领域逐步取代了展成磨齿机，尤其是大模数齿轮磨齿领域，几乎全部采用成形磨齿，成形砂轮磨齿机必将成为未来高端磨齿机产品的主流。

（2） 功能复合化、工序集中化。KAPP公司的KX300磨齿中心及Samputensili公司的S400GT以及Liebherr公司的LCS280蜗杆－成形磨齿机可先用CBN蜗杆大砂轮进行粗磨，再用CBN小成形砂轮精磨齿轮。另外机床集自动上下料、自动对刀、磨齿、在机检测等工艺于一体大大提高了加工质量和生产效率，必将成为CNC磨齿装备的发展方向之一。

（3） 磨齿机高速、高效率化。Gleason－Pfauter集团的P60滚磨齿复合机床刀具主轴转速高达12000 r / min，工作台转速达到了3000 r/min。Reishau-er公司的RZ400蜗杆砂轮磨齿机加工一个模数4mm、齿数27、齿宽50 mm的直齿轮，磨削时间仅为0.82 min。

成形法磨齿精度主要由两方面决定: 砂轮轮廓的修整精度和工件周向分齿精度。因此，成形法磨齿的关键在于砂轮轮廓修整及工件任意齿数的精密分度。

1、数控砂轮修整器

成形砂轮磨齿机快速发展，离不开数控砂轮修整技术的发展与运用； 数控砂轮修整器的运用使砂轮齿廓修整精度大为提高，使成形磨齿法精密磨齿得以实现，进而促进了成形磨齿机的发展。数控砂轮修整器一般采用金刚笔或者金刚石滚轮作为修整工具。采用金刚笔修整时需要不断调整金刚笔的倾角使其适应修整表面的法矢，运动控制复杂，修整效率低； 另外，金刚笔的点接触修整使笔尖金刚石易磨损，且磨损量不规则、补偿困难，对砂轮的修整精度影响较大。因金刚笔修整成形砂轮存在诸多弊端，现代数控砂轮修整器大多采用金刚石滚轮作为修整工具。金刚石滚轮在进行非线性复杂型面修整时，不仅能修整出精度很高的砂轮型面，而且工作效率高、寿命长、操作便利。

近年来我国在成形砂轮数控修整器研究方面取得了如下一些代表性成果。一是发明了新型成形砂轮修整器。如: 重庆机床有限公司发明的磨齿机砂轮修整装置，实现了对砂轮的压力角精确、连续修整。南京山能精密机床有限公司发明了“一种数控成形磨齿机三轴法向砂轮修整装置”； 修整装置可实现砂轮在线高效修整，可实现任意形状、任意规格齿形的精确修整、结构紧凑、工作可靠性高。南京工大数控科技有限公司发明了“坐标成形砂轮修整器”； 修整器利用圆弧截面金刚滚轮法矢自适应性，通过简单的极坐标运动控制形式即可满足砂轮各种复杂截面型线的修整。二是砂轮修整误差分析方面取得一些成果。如南京工业大学黄筱调等提出了“数控成形磨齿金刚滚轮非线性磨损补偿系统及方法”，该技术的实现是通过测量磨削的齿轮齿廓误差，反求对应的金刚滚轮磨损信息，然后在砂轮修整阶段实现磨损补偿。运用该技术能有效延长金刚滚轮的使用寿命，降低加工成本，而且该技术容易与数控成形磨齿机的操作系统集成，自动化程度高。南京工业大学张四弟等分析了数控插补修整砂轮中金刚石工具自身形状误差对砂轮修整精度的影响，并提出了相应的解决措施，设计出修整装置。张虎等建立了数控砂轮修整器的实际运动坐标系，并以此构建了砂轮修整误差与齿廓偏差之间的数学模型，运用模型研究了各个砂轮修整误差对齿廓偏差的影响。

2、周向精密分齿

齿轮的齿距偏差主要来源于机床主轴的回转误差、磨齿过程中工艺方法的误差及分度系统的误差，其中分度系统误差影响最大。欲提高成形砂轮磨齿机的磨齿精度，就必须使磨齿机实现周向精密分度。随着高精度、硬齿面、消隙蜗轮蜗杆副技术的逐渐成熟，数控技术在磨齿机回转运动中应用普遍化，力矩伺服电机的实用化以及高精度旋转编码器技术与回转运动检测反馈控制技术的提高，磨齿机周向精密分齿技术有了更广的提升空间。

目前周向分齿已能实现± 2″的控制精度，满足了高精度磨齿对分齿精度的要求。近年来国内在成形磨齿机周向精密分齿技术方面取得了如下成果。一是大连理工大学将多齿分度盘技术运用到磨齿机分度系统中，取得了良好的试验效果，实现周向分齿精度±1″～±3″可满足高精度齿轮成形磨齿机需求。该技术已申请发明专利“磨齿机用高精度端齿自动分度装置”。二是陈立新发明了“磨齿机自动消隙驱动分度工作台”。该发明的创新点在于采用了双蜗杆蜗轮分度，实现了从动蜗杆与蜗轮的接触间隙始终为零，有效的提高了分齿精度。三是为减小成形磨齿中分度误差，江苏大学与河南科技大学提出了齿轮成形磨削分度误差补偿技术。该技术指出，在不改变机床结构和制造精度的条件下，通过位置检测装置，实时地检测加工过程中的空间位置误差，将该误差量反馈到机床的控制系统中，通过对理想数控指令进行修改，从而提高机床加工定位精度，实现误差的有效补偿。