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大型齒圈主要加（jiā）工設備的研究與實踐（jiàn）

2018-12-12 來源：江蘇鵬飛（fēi）集團股份鹽城工學院機（jī）械學院作者：賁道春儲小（xiǎo）虎王複光楊增旺（wàng）陳（chén）黎東

摘要: 從大齒圈傳統加工設備的現狀和存在問（wèn）題（tí）入手（shǒu），對如何擴大設備加（jiā）工範圍（wéi）、提高大（dà）齒圈加工精度和效率進行了研究。介紹了（le）主要加工設備多銑頭銑齒機、數控（kòng）滾（gǔn）齒機和傳（chuán）統滾齒機擴徑改造的關鍵技術（shù）; 闡（chǎn）述了提（tí）高大齒圈加工能力和效率所需具備的設備條件（jiàn）。通過實際應用和數據對比得出結論: 用數控銑齒機（jī）進行粗加工，可使齒輪精加工餘（yú）量控（kòng）製在較小範圍（wéi）; 多銑頭數控銑（xǐ）齒機與滾齒機配（pèi）合加工，能夠使齒輪加工效率成倍提高; 大型數控滾齒機采用大直徑高精度蝸輪雙蝸杆邊緣傳動和零傳動技術，有利於提高機床（chuáng）運轉平穩（wěn）性和齒輪加（jiā）工精度; 傳統小直（zhí）徑重型滾（gǔn）齒機在傳動結構不變的情況（kuàng）下，可（kě）以通過擴徑改造加（jiā）工大直徑（jìng）齒圈，但加工精度有所降低。

關鍵詞: 大（dà）齒圈; 銑齒機; 數控滾齒機; 滾齒機（jī）擴徑

在建材、冶金、化工（gōng）和鋼鐵等行業廣泛（fàn）使用的回轉窯、邊緣傳動管磨機和回轉烘幹機，都是采用大（dà）小齒輪傳遞動（dòng）力。大齒圈雖然精度等（děng）級要（yào）求（qiú）低 ( 9 － 9 － 8級或（huò） 9 － 8 － 8 級) ，但（dàn）直徑大( 5 ～ 12 m) ，模（mó）數大( 22 ～ 45) ，隻有大型的加工設備才能滿（mǎn）足生產需（xū）要。滾齒機、銑齒機等圓柱齒輪製齒機床在（zài）生產（chǎn）效率、製造精度、複合化、大型化等方麵與國（guó）外先進水平有較大（dà）差距。從加工設備角度研究（jiū）如何擴大（dà）大齒圈加工範圍、提高加工精度（dù）和加工效率有著十分重要的意義。

1 、技術背景

1． 1 傳統加工設備及功能

為了提高大齒圈加工效率，一般都通過粗（cū）加工減小齒形精加工餘量。傳統加工（gōng）設備除作（zuò）為終加工的機械傳動滾齒機和成型銑齒機外，有圖 1 所示幾種粗加工設備。

( 1) 刨齒工裝由牛頭刨床配套承載能力較大的支承走刀裝置組成。先由手工劃線（xiàn），再在機床上（shàng）手工（gōng）進（jìn）給刨削開（kāi）齒，目（mù）測（cè）控製精加工餘量。刨床（chuáng）粗加工形成階梯（tī）式狀的齒槽，如圖

2a 所（suǒ）示

( 2) 鋸（jù）齒工裝借助轉台，與立式帶（dài）鋸床組（zǔ）合成齒輪粗加工工裝，加工出 V 型齒槽。鋸齒工裝粗加工形成 V 形的齒槽，如圖 2b 所示。

( 3) 銑齒機圓盤銑齒機（jī）通過轉盤自動分度銑齒。或者在滾齒機刀軸上安裝圓盤銑刀進行齒（chǐ）輪粗加工或終加工。銑齒粗加工( 圓盤銑刀或指狀銑刀加工) 形成近（jìn）似標準形狀的齒槽，如圖 2c 所示。

1． 2 傳統加（jiā）工設備（bèi）的優缺點

1． 2． 1 粗加工設備

無論使（shǐ）用刨齒工裝、鋸（jù）齒工裝還是單銑頭銑齒機（jī），其作用都是減（jiǎn）小精加工餘量，縮短加工（gōng）周期（qī），提高精加工設備的生產效率，降低精（jīng）加工設（shè）備的（de）負荷，延長精加工設備的使用壽命。從（cóng）圖 2 所示的刨齒、鋸齒和銑齒 3 種粗加工齒形可以看出，刨（páo）齒加工和鋸齒加工獲得的齒槽其精加工餘量（liàng）較大。

其中刨齒加工齒槽的精加工餘量較大，而且位置和形狀極不準（zhǔn）確; 鋸齒加工的齒槽（cáo）雖然形狀規則（zé），但精加工餘（yú）量也較（jiào）大; 唯有帶（dài）自動分度（dù）轉台的銑齒機加（jiā）工的齒槽精加工餘量較小（xiǎo），而且形狀（zhuàng）和位置度都比較準確。由於銑刀刃形逼近漸開線齒形，所以餘量均勻，極大地減小（xiǎo）了精加工（gōng）刀具的切削負荷，提高加（jiā）工效率，有效節約後序加工成本。

利用滾齒機或高速銑齒機采用硬質合金可轉位銑（xǐ）刀加工，一次完成齒形粗或半精加工，是采用指（zhǐ）形銑刀加工效率的 20 倍以上。數控高效成形銑齒機，銑齒效率是滾齒的 3 倍，是插齒的 6 倍。在滾齒機刀軸上裝配銑刀盤進行銑齒粗加（jiā）工後再滾齒，雖然加工效率比直接滾齒有所提高，但由（yóu）於滾（gǔn）齒機刀軸轉速的限製，使高速銑齒的優勢很難發揮。而且滾齒機（jī）用作大齒圈粗加工設備使用更沒（méi）有經濟性。因此使用專用銑齒機進（jìn）行粗加工是比較理想的選擇。銑齒機在提供（gòng）加工精度、減輕勞動強度和經濟性等方麵均優（yōu）於上述的其他粗（cū）加工（gōng）設備。

1． 2． 2 精加工設備

無論是滾（gǔn）齒機還是成型銑齒機作為終加工（gōng）設備首（shǒu）要要保證加工精度。其傳（chuán）動鏈的傳動精度直接影響加工（gōng）精度。傳統滾齒（chǐ）機的傳動鏈如圖 3a 所示，其傳（chuán）動鏈比較複雜，主電動機同時驅動切削刀架和轉台的運轉，並依靠（kào）掛輪改變傳動（dòng）比和差動比。各傳動鏈中的（de）各傳（chuán）動零件本身的加工和裝配（pèi）精度都直（zhí）接影響滾齒機加工精（jīng）度。

滾齒機和銑齒機要求具（jù）有高精度的轉台（tái）。常規的轉台和（hé）蝸輪實物照片見圖 4a。傳統（tǒng）滾齒機和銑齒機由於結構設計的（de）原因，蝸輪直徑遠遠小於轉（zhuǎn）台直徑，傳（chuán）動力矩和傳動比都很（hěn）小。蝸輪的傳動力矩和傳動比直接（jiē）決定蝸輪的傳動精度和轉台運轉平穩性。

2 、主要加工設備的研究

2． 1 粗加工設備（bèi）

2． 1． 1 銑齒機采用多軸、多刀同時加工（gōng）方式

單個銑頭完成大齒圈所有齒槽（cáo）的切削，其加工效率（lǜ）必然較低。將生（shēng）產線上常（cháng）用的多刀具和多工位應（yīng）用於單台機床上，使多刀具或（huò）多工位同時聯動工作，能使加工效率更高（gāo）。組合機床采用多（duō）軸、多（duō）刀或多工位同時加工方式，生（shēng）產效率比通用機床高幾倍甚至幾十倍。加工大齒圈（quān）的（de）銑齒機常規都具有 1 個龐大的轉台和（hé） 1 個銑（xǐ）頭。利（lì）用轉台周圍較大的空間設置多個銑頭，多（duō）個（gè）銑刀從不同方向同時對齒輪進行（háng）銑削加工，可大幅度提高加工（gōng）效率。

先進的銑（xǐ）齒機（jī）其轉台分（fèn）度、立柱水（shuǐ）平進給、刀架垂直進給都是通過數控係統完成。多（duō）個銑（xǐ）頭從不同（tóng）角度同時進給和退刀（dāo），生產效率必然很高。國產首台 11 m 大型四銑頭銑齒機實物照片見圖 5a。

2． 1． 2 其他（tā）粗加工設備改（gǎi）造升級的可能性

雖然目（mù）前多鋸（jù）床同時加工 1 個工件還沒有實例（lì），但完全可以參照（zhào）多銑頭銑齒機多（duō）軸、多（duō）刀（dāo）或多（duō）工位同時加工方式和原理進行改造。但刨齒（chǐ）工裝難以實現多軸、多刀同時加工方式，同時刨齒工裝的加工精度很差，因此刨（páo）齒工裝改造升級的意義不大。

2． 1． 3 粗加工設備的加工（gōng）精度

粗加工需要為滾齒（chǐ）工序預留加工（gōng）餘量，因此對於粗開齒而言，精度（dù）要求不高。隻要齒槽分（fèn）布基（jī）本（běn）一致，餘量基本均勻（yún）即可。即使中途停機、換刀、換（huàn）工件，對粗加工質量影響不。除最原始的刨齒工裝外，通過多銑（xǐ）頭( 或多鋸（jù）床) 人工預對刀（dāo）和數控高精（jīng）度分度，其粗（cū）加工（gōng）精度綽綽有餘。即使將銑齒機用於特大模數大齒圈的（de）齒形終加工，粗加工後采用成（chéng）型刀具進行銑削精加（jiā）工，也能達（dá）到較高（gāo）的加工精度。

2． 2 大型數控滾齒機

2． 2． 1 傳動結構形式的改進

滾齒機作為大齒（chǐ）圈終加工（gōng）設備需要有較高的精度。機械傳（chuán）動（dòng）滾（gǔn）齒機是建立在純機械（xiè）傳動基礎上的設備。其傳動比和差動比完全依靠實體齒輪傳動或（huò）蝸輪（lún）傳（chuán）動來實（shí）現。機（jī）械傳動滾齒機由於傳動環節多，傳動精度難以保證。由於傳動精度問題導致公法線長度、齒（chǐ）厚變動公差達不到標準規定要（yào）求，造成使用中齒輪振動。隨著數控技術的應用，零傳（chuán）動的電（diàn）子齒輪箱（xiāng）逐步取代機床（chuáng）複雜的機械傳（chuán）動。零傳動不但極（jí）大地簡（jiǎn）化（huà）了機床（chuáng）的傳動（dòng）與結構，更重要的是最（zuì）顯著地（dì）提高了機床的動態靈敏度、加工精度和工作可靠性，可以從根本（běn）上提高齒輪（lún）加（jiā）工機床的性能。

近年來，這種技術廣泛（fàn）應用到齒（chǐ）輪加工設備（bèi），以電子齒輪（lún）箱代替了複雜的機械齒輪（lún）箱、分度掛輪、差動掛輪和長傳動鏈。為數不多的大型滾齒機也不例外。數控滾齒機傳動鏈如圖3b 所示。另外，傳統滾齒機（jī）對工件的齒數也有（yǒu）限製，大齒圈齒數設計往往遷就於不同（tóng）的（de）滾齒機的有限掛輪品種。數（shù）控軟件式的電子（zǐ）齒（chǐ）輪箱代（dài）替（tì）傳統機械式傳（chuán）動鏈，成本更低、操作使用更加方便，還可以實現任意傳動比例變換，不受掛輪組齒數（shù）和傳動比限製。國（guó）產13 m 大型數控滾齒機實物照片見圖 5b。

2． 2． 2 主傳動蝸輪蝸杆

大重型（xíng）數控靜壓回轉工作台（tái）是大型數控銑齒機、滾齒機等高檔數（shù）控機床的重要功能部件。采用了大直徑、高精（jīng）度雙蝸杆（gǎn）蝸輪副及工作台靜壓支承結構，實現了工作台精密（mì）無間隙傳動，顯著提高了滾齒機床加工精度。蝸輪的大小直接影響（xiǎng）滾（gǔn）齒（chǐ）機的傳動精度和運轉平穩性（xìng），大蝸輪本身決定了具有較大（dà）的傳動力矩和較多（duō）的齒數（shù）。大力矩傳動（dòng）有利於提高（gāo）轉（zhuǎn）台運轉的平穩性;多齒數有利於提（tí）高滾齒機的分齒精度; 同時大力矩和多齒數能夠延長蝸輪蝸杆的使用壽命。

新型邊緣傳動數控滾（gǔn）齒機轉台與蝸輪參數（shù）見表 1，與表 2 中的傳統中心傳動滾（gǔn）齒機轉台與蝸輪參數相比，新型數控滾齒（chǐ）機蝸輪直徑（jìng）是傳統滾齒機的 2 倍左右。這說明新型數控滾齒機傳動力矩和分齒精度比傳統滾齒機高出很多。另外，采用蝸杆軸向液壓預加載的雙蝸（wō）杆雙蝸輪消隙（xì）驅動（dòng）機構，更有利於提高（gāo）運轉平（píng）穩（wěn）性和加工精度。新型數控滾齒機蝸輪裝配（pèi）結構實物照（zhào）片見圖 4b。

2． 3 傳統滾（gǔn）齒機的擴徑改造

2． 3． 1 擴徑改造的可能性

從（cóng）本世紀初開始，基（jī）礎工業迅猛發展，工業（yè）規模越來（lái）越大，特大型齒圈（quān）需求量增大，原有的小（xiǎo）規格滾（gǔn）齒機不能滿足生產要求。大齒圈製造廠往往在原有滾齒機傳動基礎上（shàng）通過增大轉台直徑和加長床身長度來滿足生產需要。但簡單的胎具直徑加大隻能使轉（zhuǎn）台運轉平穩性降低。對於單蝸杆傳動的（de）輕型滾齒機擴徑改造，傳動部件蝸輪蝸杆沒有變化，其使用效果較差。國內不少製造廠擁有小直徑高精度重型雙蝸輪或雙蝸杆機械傳動滾齒機，在（zài）主電動機功率有富餘的前提下可以進行擴徑改造（zào）。擴徑改造後雖然（rán）加工精度有所降低（dī），但是能滿（mǎn）足（zú）精度要求較低的大齒圈加工。

2． 3． 2 擴徑改造實施方法

理想（xiǎng）的擴徑改造辦法是增加帶有靜壓支承的（de）大直徑轉（zhuǎn）台，利用原有的中心（xīn）定心結構，以提高轉台的承載能力（lì）。擴徑改造一般可（kě）以通過以下途徑實現: ( 1) 主電動機功率加大（dà）; ( 2) 增加帶有靜壓支承的大直徑轉台;( 3) 床身加（jiā）長; ( 4) 傳動軸隨床身加長而加長。擴徑改造的滾齒（chǐ）機原轉台用於固定新工作台。原轉台不再起（qǐ）靜壓支（zhī）承作（zuò）用，新轉台的（de）靜壓（yā）支承經過重新設計，具有較大的靜壓（yā）支承麵積，其承載（zǎi）能力（lì）和自身穩定（dìng）性相當於標準規格的大型滾（gǔn）齒機。傳統滾齒機擴徑改造如圖6 所示。表 2 所示的 3． 15 m 和（hé） 5 m 滾齒機改造後的轉（zhuǎn）台直徑 D 比原轉台直徑 d 增大近 1 倍。擴徑（jìng）的滾齒機拆除新增大轉台的實物照片( 拆除新增大（dà）轉台後) 如圖 5c 所示。

2． 3． 3 擴徑改造加工範圍和精度的變化

滾齒機擴徑改（gǎi）造（zào）的目的是（shì）滿足大直徑齒圈的加工，由於轉台直徑的增大，改造後允許最小加工直徑將變大。轉台直徑（jìng）增大近 1 倍，而主傳動蝸輪直徑不變，因此滾齒機精（jīng）度有所降低。隻有對蝸輪和齒（chǐ）輪側隙等傳動鏈進行認真調整和修複，才能減小精度降低幅度。滾齒機擴徑改造前後的加工範圍和精度見表（biǎo） 3。

2． 4 粗加（jiā）工（gōng）設備的靈活（huó）應用（yòng）

粗加工的主要目（mù）的是盡可能去（qù）除加工餘量。為了減小粗加工刀具用量，並達到（dào）較（jiào）小的精加工餘量，可以采用混（hún）合粗加工。即先刨齒或鋸齒後再銑齒。刨齒和鋸齒階段可去除大部分加工餘量，銑齒階段（duàn）形成較小的精加（jiā）工（gōng）餘量。或者說，一些製造廠擁有多台多種粗加（jiā）工設備，為了縮短批量大齒圈的加工周期，發揮所（suǒ）有粗加工設備的作用，完全可以進行（háng）混合粗加工。

刨齒工裝、鋸齒工裝和銑（xǐ）齒機屬於（yú）齒輪（lún）粗加工（gōng）設備，其精度、效率、運行成本和設備投資都不同。其中銑（xǐ）齒機效率和加工精度較（jiào）高，加工餘量較小，但比刨（páo）齒和鋸齒消（xiāo）耗刀具成本高。應根據各企業的實際（jì）情況合理選擇使用粗加工設備。粗加工的幾種方式可歸納為單刨齒、單鋸齒、單（dān）銑齒、刨齒 + 銑齒、鋸齒 + 銑齒。其中（zhōng）後兩種混合粗加工方法的刀具成（chéng）本較低。

3 、關鍵設備（bèi）的應用情況

( 1) 多銑頭銑齒機國家建材機械特色生（shēng）產基地江蘇鵬飛集（jí）團股份有限公司，每年加（jiā）工大齒圈 250 套左右，原采用 7 台牛頭刨床刨齒工裝進（jìn）行開齒粗加工，開齒周期長，一般需要( 15 ～ 20) 天完（wán）成一個（gè）齒（chǐ）輪粗加工（gōng），滾齒餘量大，滾齒機加工效率低，整（zhěng）個齒輪加工周期（qī）長，大部分大齒圈隻能依靠外協加工，外協費和運輸費大得驚人。後自製一台的（de）國內大規格 11 m 數控四銑頭數控銑齒機，配合粗加工，粗加工速度大幅度提高，平均 2 天左右（yòu）完成一套大齒圈粗加工，而且餘量小可控製在( 1 ～ 2) mm。使滾齒機負荷降低，效率大幅度提（tí）高，進而大部分外協加工轉為內部加（jiā）工，每年節省了（le）成本 1 000 萬元以上。實物照片如圖 5a 所示。四銑頭銑齒機開發應用獲得2012 年全國建材行業技術（shù）革新二等獎和全國建材機械（xiè）行業技術革新一等獎。

( 2) 大型數控滾齒機該公司采用大直徑蝸輪（lún）雙蝸杆傳動和數控技術，於 2013 自（zì）製一台國內大規（guī）格 13 m 數控滾齒機，加工精度達到 7 級。實（shí）物照片如圖 5b 所示。設備運轉的平穩性和加工精度（dù）均優於傳（chuán）統大直徑滾（gǔn）齒機和擴徑滾齒機。使大齒圈的加工（gōng）水平躍（yuè）上（shàng）了（le）一個新台階。生產的（de）大齒圈（quān）得到（dào）配套商中材集團( SINOMA) 、丹麥史密斯(FLSMIDTH) 、德國洪堡( KHD) 、德國伯利休斯( POLYSIUS) 、芬蘭美卓( METSO) 等著（zhe）名公（gōng）司的認（rèn）可。數控滾齒機開發應用（yòng）項目獲得 2015 年全國建材機械行業技術革新三等獎。

( 3) 傳統滾齒機擴徑改造該公司原有兩台 3． 15 m 和兩台（tái） 5 m 重型滾齒機，不能滿（mǎn）足批量較（jiào）大的大型回（huí）轉窯和大型管磨（mó）機大（dà）齒圈的加工需要。經過擴徑改造後滾齒機加（jiā）工能（néng）力提高，原 3． 15 m 滾齒（chǐ）機（jī）擴徑（jìng）改（gǎi）造後能夠加工（gōng） 6． 4 m齒輪（lún），原 5 m 滾齒機擴（kuò）徑改造後能夠（gòu）加工 10 m 齒輪（lún）。加（jiā）工（gōng）精度均能達到 8 級。擴徑（jìng）改造後滿足了大齒圈的批量生（shēng）產要求。實物照片如圖 5c 所示。滾齒機擴徑改造項目獲得 2010 年全國建材（cái）機械行業（yè）技術革新一等獎和 2013 年全國建材機械行業技術革新三等獎。

4 、結語

( 1) 銑齒機（jī）粗加工可使精加工餘量控製在（zài）較小狀態; 多銑頭數控銑齒機配合滾齒機（jī）進行齒輪加工能夠使（shǐ）加工效率提高幾（jǐ）倍; 銑（xǐ）齒機和鋸齒工（gōng）裝可以實現多（duō）軸、多刀同時加工; 四銑頭同時粗加工，加工效率為單銑頭銑齒機的 3 倍以上，為（wéi）刨齒工裝的 8 倍以上，是直接滾齒的 20 倍左右（yòu）。

( 2) 大直徑蝸輪雙蝸杆邊緣傳動數控滾齒機有利於提高了機床運轉平穩性和大（dà）齒圈的加工精度。

( 3) 傳統重型機械傳動滾齒機可以通過新增大直徑靜壓支承轉台擴徑改造加工大直徑齒輪，加（jiā）工直徑（jìng）增加 1 倍左（zuǒ）右，但加工精度可能有所降低。對（duì）傳動鏈的（de）傳動精度調整和修複可（kě）以減小精度降低幅（fú）度。

( 4) 可根據精度、效率、運行（háng）成本和設備投資等情況合理製（zhì）定（dìng）加工工藝和選擇使用粗加（jiā）工設（shè）備。

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