YK7380A數(shù)控成形砂輪磨齒機(jī)研發(fā)與應(yīng)用
2020-12-18 來源：秦川機(jī)床工具集團(tuán)股份公司 作者：黃亞超 樊利軍
一、概述
隨著海洋工程、艦船、機(jī)車、風(fēng)電、軍工等行業(yè)快速發(fā)展，對大規(guī)格傳動齒輪精密、高效磨削加工關(guān)鍵設(shè)備的需求日益增大,傳統(tǒng)采用展成法磨削，效率和精度難以滿足要求。秦川機(jī)床工具集團(tuán)股份公司研制的YK7380A磨齒機(jī)（如圖1所示），采用成形法磨削，精度達(dá)到國標(biāo)GB／T10095.1-2008 3級以上，效率顯著提高。機(jī)床突破的關(guān)鍵技術(shù)包括：高剛性、高精度、高可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)；機(jī)床熱變形控制技術(shù)；機(jī)床磨削專家系統(tǒng)開發(fā)；機(jī)床在機(jī)測量與綜合誤差補(bǔ)償技術(shù)開發(fā)；機(jī)床無附加傳感器檢測預(yù)警和故障診斷技術(shù)等。YK7380A磨齒機(jī)所達(dá)到的較高技術(shù)水平，對提升我國高端裝備制造業(yè)水平，滿足國家戰(zhàn)略和國防需求具有重要意義。
圖1 YK7380A數(shù)控成形砂輪磨齒機(jī)
YK7380A磨齒機(jī)最大加工直徑φ800mm，模數(shù)35mm。機(jī)床為全閉環(huán)控制，可對磨削工件齒形、齒向任意形狀修形，并通過集成內(nèi)置砂輪動平衡系統(tǒng)中的AE功能對砂輪修整及工件磨削實(shí)時(shí)監(jiān)測。機(jī)床操作界面為人機(jī)對話式，操作簡單，通過輸入磨削齒輪基本參數(shù)即可自動生成成形砂輪截形修整和機(jī)床循環(huán)動作執(zhí)行程序，完成工件自動循環(huán)磨削。機(jī)床磨削循環(huán)自動化程度高，具有自動對刀、工件自動檢測、自動誤差校正、遠(yuǎn)程故障診斷等功能。
秦川機(jī)床通過對比境內(nèi)外Ф800mm規(guī)格磨齒機(jī)，吸取先進(jìn)的數(shù)控成形砂輪磨齒機(jī)發(fā)展趨勢和技術(shù)特點(diǎn)，并依據(jù)客戶提出的性能要求，在機(jī)床設(shè)計(jì)、加工、制造、試驗(yàn)、檢測等核心技術(shù)層面展開攻關(guān)，使機(jī)床的設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平、工作精度、效率、可靠性等與境外同類機(jī)床相當(dāng)，機(jī)床磨削精度達(dá)到GB／T10095.1-2008 3級以上，能夠替代進(jìn)口，機(jī)床售價(jià)卻遠(yuǎn)低于境外同類產(chǎn)品，具有較高的性價(jià)比優(yōu)勢和市場競爭力。
二、產(chǎn)品性能介紹
YK7380A數(shù)控成形砂輪磨齒機(jī)采用最新成形砂輪磨齒機(jī)設(shè)計(jì)理念，是一款集機(jī)械、電氣、液壓、自動化技術(shù)、伺服控制技術(shù)、精密測量技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)等多種學(xué)科技術(shù)于一體的復(fù)雜高檔數(shù)控機(jī)床，可加工直（斜）漸開線齒輪及其他任意齒形，如擺線齒輪，圓弧齒輪等，具有高效率、高精度、高可靠性等特點(diǎn)。
1. 高效率
采用成形磨削，砂輪與齒輪為線接觸，磨除率高；機(jī)床配置高壓大流量冷卻裝置，適應(yīng)大功率、大切深磨削加工，減少粗磨循環(huán)次數(shù)，提高機(jī)床磨削效率，是傳統(tǒng)機(jī)床效率的3-5倍。
2. 高精度
采用數(shù)字伺服系統(tǒng)，選用高精度光柵尺，全閉環(huán)控制，運(yùn)動平穩(wěn)，無沖擊，實(shí)現(xiàn)了很高的運(yùn)動精度；磨削專家系統(tǒng)具有誤差校正功能，可補(bǔ)償磨削加工誤差，提高機(jī)床磨削精度。
3. 高可靠性
采用高剛性設(shè)計(jì)保證機(jī)床較高的幾何精度；機(jī)床熱關(guān)鍵點(diǎn)布置冷卻噴淋、溫機(jī)控制等措施以保證機(jī)床熱穩(wěn)定狀態(tài)；機(jī)床配置溫度、壓力、流量、振動等多種傳感器，對機(jī)床工作狀態(tài)實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，保證機(jī)床高可靠性和穩(wěn)定性。
三、新技術(shù)應(yīng)用情況
1. 大規(guī)格數(shù)控成形磨齒機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)
（1）模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)
機(jī)床采用立式結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計(jì)，縮短開發(fā)周期，提高機(jī)床可靠性。機(jī)床主要包括床身、立柱、工作臺、工件立柱、滑板、修整器、磨具等部件，機(jī)床布局如圖2所示。
圖2 YK7380A磨齒機(jī)模塊布局圖
（2）高剛性設(shè)計(jì)制造
成形磨削載荷大，對機(jī)床剛性要求高。在設(shè)計(jì)中對機(jī)床整機(jī)及關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證機(jī)床高剛度；對關(guān)鍵零部件進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)分析，使機(jī)床固有頻率遠(yuǎn)高于磨削時(shí)的激振頻率；對關(guān)鍵結(jié)合面進(jìn)行精密刮削，保證接觸剛度。
（3）大型磨齒機(jī)熱特性控制技術(shù)
大型磨齒機(jī)工作過程中，在內(nèi)外熱源共同作用下產(chǎn)生熱變形，影響工件與砂輪間相對位置，造成齒輪加工精度降低。研究表明，精密加工中，由熱變形引起的加工誤差所占比例達(dá)40%-70％，因此，減小熱變形及盡快使機(jī)床達(dá)到熱平衡對提高加工精度和穩(wěn)定性至關(guān)重要。
為此采取的主要方法有：
①機(jī)床熱對稱設(shè)計(jì)及冷卻流道優(yōu)化。通過有限元分析機(jī)床熱變形情況，優(yōu)化機(jī)床布局，采用熱對稱結(jié)構(gòu)，優(yōu)化床身流道設(shè)計(jì)，增加床身周圍冷卻液流動，使溫度分布更加均勻，提高機(jī)床熱特性。
圖3 磨齒機(jī)整機(jī)溫度場云圖
圖4 改進(jìn)流道后整機(jī)變形云圖
②等溫磨削控制技術(shù)。實(shí)時(shí)檢測機(jī)床內(nèi)部及外圍環(huán)境溫度，自動調(diào)節(jié)磨削冷卻液溫度，使機(jī)床內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度差保持在穩(wěn)定范圍內(nèi)，減小熱變形引起的誤差，實(shí)現(xiàn)機(jī)床工作過程變形最小，滿足高精度磨削要求。
（4）靜壓導(dǎo)軌和靜壓軸承設(shè)計(jì)制造技術(shù)。采用閉式靜壓導(dǎo)軌，解決直線導(dǎo)軌大負(fù)載情況下出現(xiàn)爬行和滯后，直線軸重復(fù)定位精度達(dá)到0.002mm，回轉(zhuǎn)軸定位精度達(dá)到±3角秒，機(jī)床最大承載2t，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。
（5）復(fù)合材料應(yīng)用。機(jī)床裝配過程中，幾何精度調(diào)整需要多次修刮導(dǎo)軌結(jié)合面，大型機(jī)床結(jié)合面修刮時(shí)大件的起吊、翻身、刮研工作量非常大，采用新型復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)機(jī)床導(dǎo)軌精度一次定型，就能滿足精度要求，減少裝配工作量，提高機(jī)床裝配精度。
2. 磨削專家系統(tǒng)開發(fā)
磨削專家系統(tǒng)是成形砂輪磨齒機(jī)最為核心的軟件系統(tǒng)，解決了機(jī)床操作人員機(jī)下繁瑣計(jì)算程序編制，可根據(jù)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(jī)床加工程序，指導(dǎo)用戶進(jìn)行精密、高效磨削，提高了機(jī)床加工效率。
主要功能模塊包含以下幾項(xiàng)：
（1）基于工作狀態(tài)下嚙合誤差優(yōu)化的齒廓修形
齒輪箱齒輪由于加工、裝配誤差、受載變形等產(chǎn)生邊緣接觸，形成應(yīng)力集中，對傳動平穩(wěn)性和壽命產(chǎn)生很大影響，因此需對齒廓進(jìn)行精確修形，減少邊緣接觸和應(yīng)力集中。機(jī)床采用成形磨削，可通過全閉環(huán)伺服軸精確插補(bǔ)對齒輪廓形修形，實(shí)現(xiàn)齒廓精確三維修形。
圖5 齒廓修形三維圖形
（2）齒面扭曲控制技術(shù)
磨削斜齒輪時(shí)，砂輪與齒面的接觸線為一條空間曲線，需調(diào)整砂輪和工件的軸交角，改變接觸線相對位置，避免砂輪與齒面兩側(cè)接觸線不是同時(shí)脫離齒面，受力不均，出現(xiàn)讓刀，造成齒面扭曲。機(jī)床開發(fā)的齒面扭曲控制技術(shù)，根據(jù)工件參數(shù)，自動優(yōu)化調(diào)整砂輪軸交角，改變接觸線相對位置，改善齒面扭曲。
（3）工件表面質(zhì)量磨削控制技術(shù)
對大型齒輪磨削工藝進(jìn)行研究，采集、分析高效磨齒工藝數(shù)據(jù)，建立工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫，對不同材料、不同熱處理要求齒輪都能找到適用的磨削工藝參數(shù)供用戶選擇。工藝參數(shù)主要包括砂輪的磨料、粒度、修整進(jìn)刀量、磨削進(jìn)刀速度、冷卻液流量和壓力等，指導(dǎo)用戶實(shí)現(xiàn)精密、高效磨削，消除磨削燒傷和裂紋，提高磨削效率。
（4）磨削狀態(tài)智能監(jiān)控
經(jīng)過二次開發(fā)，砂輪主軸集成的AE（聲發(fā)射）裝置，可實(shí)現(xiàn)磨削工件自動對刀、余量自動分配、磨削過程及砂輪磨損狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測，控制砂輪自動修整，保持砂輪鋒利，保證磨削質(zhì)量。AE的防碰撞保護(hù)功能，可以在發(fā)生啃刀或偏磨時(shí)，機(jī)床執(zhí)行緊急回退功能，保護(hù)工件和設(shè)備安全。
3. 在機(jī)檢測與綜合誤差補(bǔ)償技術(shù)
（1）在機(jī)測量技術(shù)
大型齒輪質(zhì)量較大，齒輪拆卸、送檢不方便，機(jī)下測量費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在機(jī)床上配置在機(jī)測量功能十分必要。機(jī)床在機(jī)測量功能利用機(jī)床數(shù)控軸，對齒輪進(jìn)行測量，測量數(shù)據(jù)再回傳磨削專家系統(tǒng)，和設(shè)定的目標(biāo)對比，自動調(diào)整機(jī)床加工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制下的精密磨削。
機(jī)床在機(jī)測量系統(tǒng)主要對齒輪齒形、齒向、齒距及齒距累積總偏差進(jìn)行測量。
圖6 機(jī)床在機(jī)測量報(bào)告
（2）機(jī)床綜合誤差測試補(bǔ)償技術(shù)
利用激光跟蹤儀對機(jī)床伺服軸各項(xiàng)誤差進(jìn)行測量，建立機(jī)床空間誤差模型，應(yīng)用數(shù)控系統(tǒng)的動態(tài)操作功能，對軸間誤差進(jìn)行補(bǔ)償。利用自行開發(fā)的傳動鏈誤差測試儀對機(jī)床單軸運(yùn)動誤差、多軸聯(lián)動誤差、插補(bǔ)誤差進(jìn)行測量分析，調(diào)整機(jī)床參數(shù)，達(dá)到最佳補(bǔ)償效果。
圖7 機(jī)床綜合誤差補(bǔ)償現(xiàn)場測試
4．機(jī)床工作狀態(tài)監(jiān)測、預(yù)警及故障診斷技術(shù)應(yīng)用
（1）機(jī)床無附加傳感器監(jiān)測與預(yù)警
通過機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置的位置、速度、扭矩、電流、電壓等接口，獲取機(jī)床動態(tài)響應(yīng)信號，提取機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)早期微弱故障特征，對動態(tài)誤差和各種振動量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。當(dāng)誤差趨勢開始變大，故障征兆開始出現(xiàn)時(shí)，及時(shí)對機(jī)床故障進(jìn)行預(yù)警處理，提高機(jī)床的穩(wěn)定性和可靠性。
圖8 YK7380A磨齒機(jī)故障診斷軟件界面
（2）遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)應(yīng)用
機(jī)床遠(yuǎn)程診斷功能實(shí)現(xiàn)了外部計(jì)算機(jī)與機(jī)床工控機(jī)之間的遠(yuǎn)程控制，以便對機(jī)床進(jìn)行故障診斷、參數(shù)更改等在線操作。當(dāng)客戶機(jī)床出現(xiàn)故障時(shí)，維修人員不用到現(xiàn)場就可以處理機(jī)床故障，縮短了機(jī)床維修時(shí)間，提高了機(jī)床工作效率，機(jī)床用戶服務(wù)更加方便快捷。
四、成果應(yīng)用及市場前景
對于YK7380A數(shù)控成形砂輪磨齒機(jī)的研發(fā)成功,用戶給予了很高的評價(jià)，認(rèn)為該機(jī)床加工精度高、性能穩(wěn)定、故障率低，磨削精度和磨削效率達(dá)到了國外同類磨齒機(jī)水平。公司根據(jù)不同行業(yè)、不同用戶的需求定制方案，積極拓展產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域，使該產(chǎn)品獲得較高的市場份額，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。隨著國內(nèi)市場對中大規(guī)格高效、高精度數(shù)控磨齒機(jī)裝備的需求不斷提升，對該類產(chǎn)品的數(shù)量、質(zhì)量和技術(shù)水平等各方面都提出了更高要求，大型磨齒機(jī)的市場需求將隨之?dāng)U大，YK7380A磨齒機(jī)將迎來廣闊的市場前景，同時(shí)將對我國磨齒機(jī)向更大規(guī)格、更高精度、更高效率方向發(fā)展提供有力支撐，提升我國此類高端數(shù)控裝備的制造水平。
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