滚齿加工装备及其技术发展趋势*

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(1.宜宾职业技术学院，四川 宜宾 644003；2.宜宾普什机床有限责任公司，四川 宜宾 644000)

0 引言

齿轮品种规格繁多、使用量大面广，是汽车、船舶、航空、工程机械、日常工具及国防工业等领域重要的基础部件之一。齿轮的生产制造在装备制造业中占有十分重要的地位，其性能不仅与国家工业发展息息相关，也与日常生活密不可分。齿轮加工机床结构复杂、制造难度大，是装备制造业中的重要基础装备。根据加工原理，齿轮加工方法主要有成形法和展成法(范成法)。成形法加工时没有齿轮啮合运动，加工精度很低；展成法加工时齿轮刀具与被加工齿轮之间有啮合运动，包络出被加工齿轮的齿廓(齿面)，且生产效率和加工精度较高，常见的有滚齿、插齿、剃齿(属精加工)，其中滚齿加工应用最为广泛。在滚齿机上可切削直齿、斜齿圆柱齿轮，还可加工花键、蜗轮、链轮等。滚齿机的拥有量约占齿轮机床总量的45～50%[1]。

虽然到上世纪70年代末，我国已基本形成了完整的齿轮制造体系，但设计制造水平不高，与国外先进制造水平还有较大差距。近年来， 我国齿轮产业已超越意大利跃居全球第四，但产业结构性矛盾突出、产能过剩、自主创新能力不足等问题突出。随着制造业的转型升级，工业化与信息化的融合逐步加深，齿轮行业必将呈现出设计信息化、装备智能化、流程自动化、管理现代化的发展趋势，齿轮制造企业将逐步从规模速度型转变为创新效益型。本文在分析滚齿加工技术发展现状的基础上，结合滚齿加工的难点与关键技术研究，展望了滚齿加工技术与装备的未来发展趋势。

1 滚齿加工技术与装备

1.1 滚齿加工基本原理

滚齿加工是利用螺旋齿轮啮合原理进行切削的，滚刀的实质就是一个蜗杆，而工件就是与之相啮合的齿轮[2]。滚齿时，滚刀与工件在一定的速度比下做展成运动，同时相对于工件全齿宽做轴向进给运动。通过调整啮合速度比，只需一把刀具就能加工出模数相同而齿数不同的齿轮。用不同齿形的滚刀还可加工涡轮、链轮、花键、摆线齿轮等各种齿形的齿轮。滚齿机在加工时一般同时进行三种运动：切削运动，即滚刀的回转运动；展成运动，即分齿运动；垂直进给运动，即滚刀沿齿坯轴线的走刀运动。其中，分齿传动误差直接影响切齿精度。

在齿轮加工原理及工艺特点上，滚齿比插齿、挤齿、轧齿更加优异，使得滚齿机能加工圆柱直、斜齿轮、锥形齿轮、涡轮、花键等齿类零件，且由于它所加工的齿类零件的结构型式、生产效率等都具有其它加工工艺难以完成或无法比拟的优点，使得滚齿机在齿轮加工设备中所占的市场份额大大多于其他齿轮加工机床。

1.2 滚齿机的国内外技术发展现状

滚齿机按结构形式分为立式和卧式，小型滚齿机和加工长轴齿轮的专用滚齿机多为卧式。小型滚齿机用于加工仪表齿轮；大型高精度滚齿机一般采用立式和卧式组合结构，并且在滚刀主轴和工作台上设置运动误差检测反馈装置，自动补偿误差以提高精度。根据数控化程度，分为普通滚齿机、中低档数控滚齿机、高档数控滚齿机。普通滚齿机的加工精度为7～6级，数控滚齿机的精度可达4～3级。

经过100多年的发展，发达国家的滚齿加工技术及其设备日趋成熟和完备。在欧洲，以德国Liebherr公司为代表，其典型的LC系列产品满足了不同行业、不同规格齿轮加工的需求，如LC82、LC122、LC182、LC282、LC382等系列机床适用于轻型车、微型车、轿车行业对齿轮加工设备的需要；LC502、LC802、LC1000等系列机床适用于重型汽车、起重运输、电梯业对齿轮加工设备的需要。在美洲，以美国Gleason-Pfauter-Hurth合资公司的GP/PE系列产品为代表，如GP130、GP200、GP300、GP200S、GP300G、PE300、PE500，其最大特点是采用无冷却液的干式切削工艺和全直驱动技术的应用。在亚洲，以日本Mitsubishi公司的GD系列机床为代表，其GD10CNC、GD20CNC、GD30CNC等适用于轻型车、微型车、轿车行业对齿轮加工设备的需要，GD50CNC、GD63CNC、GD100CNC等适用于重型汽车、起重运输、电梯业对齿轮加工设备的需要。

我国滚齿机制造业起步较晚，整体技术水平落后于国外10-20年。虽然自20世纪90年代以来，国内数控滚齿机有了较大发展和提高，但大多是在传统滚齿机基础上进行数控化改造，在机床动/静刚性、整体传动精度、数控系统可靠性等方面与国外先进产品有较大差距，总体水平属中低档。国内滚齿机厂家主要有重庆机床厂和南京第二机床厂，前者滚齿机市场占有率达60%以上。YS3120CNC6等为代表的六轴四联动数控高速滚齿机代表了国内滚齿机的先进水平，其滚刀主轴转速(1200 r/min)、径向快速移动速度(3000 mm/min)、切向快速移动速度(2000 mm/min)、轴向快速移动速度(3000 mm/min)等参数，以及加工性能、配置条件、可靠性等方面与国外先进水平仍有较大差距，相当于国外20世纪90年代后期的水平。虽然我国在数控高速滚齿加工领域仍然落后，但十几米的国产特大型滚齿机已具有世界水平[3]。

2 滚齿加工的难点及关键技术研究

长期以来，寿命短、可靠性差、结构重成为制约中国齿轮产业发展和安全使用的三大问题，而成形制造则是形成三大问题的主要原因。影响齿轮加工质量的因素很多，从技术和工艺的角度来看主要有工艺设计因素，传动间隙、受力及热变形等机械加工因素，切削参数选择、测量反馈、分析计算等控制因素。在滚齿加工中往往由于齿形误差和齿向误差达不到精度标准，影响齿轮使用性能和寿命。因此，必须加强科技创新，从滚齿加工工艺和滚齿制造装备两个方面突破核心关键技术；而由于结构及工艺的局限，更多研究是从控制方法上去突破。

2.1 工艺改进及误差控制

齿轮的精度分为运动精度、平稳性精度和接触精度，滚齿加工中产生的齿形、齿向误差及齿面缺陷等直接影响着齿轮的三大精度。滚齿加工一般作为剃齿加工的前道工序，其精度的高低决定着剃齿加工精度及齿轮质量。

滚齿加工精度和效率在很大程度上取决于滚齿机的精度和刚度。目前企业广泛使用的Y3150、Y38等滚齿机，可以从传动间隙的动态测量及调整、提高系统刚度(滚刀、齿轮钢、机床)、合理控制滚削用量等方面改进，减小机械误差，提高加工精度；YS3120CNC6、YGS3608CNC6等数控滚齿机配有电子齿轮箱和机械间隙的数控补偿功能，可以实现分度和差动补偿功能，从而提高传动精度。

此外，滚齿加工中的热变形也会影响加工精度。结合滚削变形、动力学振动位移及热变形的理论计算，通过建立滚齿机主轴中心距变化量的热误差补偿模型，有效预测和控制滚齿机的热变形及齿轮加工误差，可以提高滚齿加工精度与效率。

2.2 滚齿装备制造关键技术及热点技术研究

数控滚齿机由于传动链的大大缩短，减少了轴、轴承和齿轮等元件的制造误差、间隙和装配误差的影响，并具有误差补偿功能，大大提高了加工精度。《中国制造2025》将数控滚齿机和基础制造装备行业列入中国制造业的战略必争领域之一，数控滚齿机将成为国家未来十年重点发展的数控机床。高速、高效数控滚齿机的研制已成为近几年滚齿装备制造技术研究的重点。

1)滚齿机数控系统开发。改革开放以来，国产NC系统发展迅速，基本占领了低端NC系统市场，但中高档NC系统大部分仍被国外品牌占据，尤其是专用数控系统。国产数控滚齿机普遍采用德国Siemens、日本FANUC、法国NUM等系统。因此滚齿机数控系统的自主研发成为提升我国滚齿装备制造能力的关键。由于滚齿机结构复杂，专用数控系统较少，国内对滚齿机数控系统的研究主要集中在开放式数控系统方面，如黄强等人提出了基于PC和PMAC运动控制卡的开放式滚齿机数控系统开发策略[4]。

2)零编程技术。数控滚齿机一般采用手工编程，但工艺处理和数值计算复杂，容易出错。近年来，国内一些高校在数控滚齿加工自动编程技术方面持续研究，如重庆大学研发的嵌入式数控滚齿加工零编程技术[5-7]以及兰州理工大学研发的齿轮加工图形参数化自动编程系统[8-10]，只需要输入齿轮参数及加工参数就能自动生成NC程序，为进一步研发基于开放式数控的滚齿机零编程方法及系统提供了理论基础。

3)热误差实时补偿技术。热误差是机床热变形引起的加工误差。在影响数控滚齿机加工精度的各种因素中，热误差占有最大的比重，占数控滚齿机总误差的45%，所以减少热误差是提高数控滚齿机加工精度的关键[11]。上海交通大学、四川大学、重庆大学等高校在热变形试验的基础上进行了热误差补偿建模研究，提出了热误差在线补偿、自动补偿等技术方案，有助于提高数控滚齿加工质量稳定性，提升我国高档数控滚齿机的智能化水平。

3 滚齿加工技术发展展望

随着信息技术和材料技术的飞速发展，近年来齿轮制造领域出现了许多新的技术成果。2013年国际标准化组织发布了最新的齿轮精度国际标准ISO1328-1∶2013(E)。新标准颁布后，英、意、德、美、日等发达国家相继采用，而我国现行齿轮精度国家标准(GB10095.1-2008)是等效采用的1995版国际标准。我国要从制造大国迈向制造强国，齿轮行业必然要与国际标准接轨，我国滚齿加工技术与装备也将迎来新的发展机遇和挑战。

1)设计信息化与装备智能化发展趋势。随着“中国智造”2025的不断推进，未来滚齿机企业的发展目标是实现工业化与信息化的“两化深度融合”，高精、高细、高速、柔性、智能将成为中国滚齿机产业等制造业提档升级的大方向。在齿轮设计方面，利用三维数字化建模及仿真技术，节省生产试制成本，提高设计寿命；在滚齿加工工艺方面，采用干式滚切技术，实现绿色制造及清洁加工，降低生产成本；在装备制造方面，开发高速高精度、全数控化滚齿机，简化机床结构，实现整个切齿过程的全数字化和智能化控制，提高加工精度、切削效率、稳定性和可靠性。滚齿机技术变革将以滚齿机智能化控制装置技术为核心，并且更加专用化、实用化。目前，相对于国外先进技术，国内研究工作还处于起步阶段，但它对提高齿轮制造质量和技术水平具有重要意义。

2)新材料、新技术的应用将给齿轮加工行业带来颠覆性革命。如新型塑料及齿轮模具技术的应用，塑料齿轮将在一些场合广泛取代金属齿轮。塑料齿轮具有传动噪音低、能够吸振、自润滑、模具加工生产效率高等优点，随着塑料成形技术及齿轮模具技术的发展，塑料齿轮的应用将会成为世界性趋势。塑料齿轮的快速发展将给齿轮模具带来巨大的市场空间。在国际塑料齿轮行业大发展的趋势下，国内对市场变化的反应还不够敏锐，配套研究难以跟上市场需求，与国外齿轮模具先进水平相比还有很大的上升空间。

[1] 中国产业研究报告网．2015-2020年中国齿轮行业市场分析与发展趋势[R/OL]．http://www.chinairr.org，2015

[2] 《齿轮制造工艺手册：滚、插、磨、剃、刨》编委会．齿轮制造工艺手册：滚、插、磨、剃、刨[M]．北京：机械工业出版社，2010

[3] 石照耀．提升装备水平助推齿轮行业实现强国梦[N]．中国工业报，2012-11-01

[4] 黄强，张根宝等．开放式滚齿机数控系统开发策略及系统结构研究[J] ．机床与液压，2006(01)

[5] 吕师师．数控滚齿机嵌入式零编程系统的研制[D]．重庆大学，2006

[6] 康玲．零编程技术在齿轮数控滚削加工中的应用研究[D]．重庆大学，2007

[7] 郭奉民．滚齿加工数控程序参数化编制系统研究与开发[D]．重庆大学，2013

[8] 熊海洋．齿轮加工图形参数化自动编程系统的开发与研究[D] ．兰州理工大学，2004

[9] 余亮．数控滚齿加工自动编程系统的研究与开发[D]．兰州理工大学，2009

[10] 朱墨．非圆齿轮参数化设计及自动编程系统开发[D]．兰州理工大学，2013

[11] 孙翰英，杨建国．基于SIEMENS 840D数控系统的滚齿机热误差补偿技术研究[J] ．组合机床与自动化加工技术，2013(12)105-106