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汽車變速(sù)器齒輪高精度磨齒機床研究
2020-6-5  來源(yuán): 信陽職業技術學院汽車與(yǔ)機電工程(chéng)學院   作者:餘阿東

      摘要: 麵向汽車變速器(qì)行業對高精度齒輪的需求,開(kāi)發一種蝸杆和成型砂輪複合磨削的雙工件主軸磨齒機床。該機床具備全自動更換(huàn)刀具和全(quán)自(zì)動裝卸被加工齒輪功能(néng),可使用通用修整器同時修整蝸杆砂輪和成形砂輪; 采用雙工件主軸結構(gòu),節省了上下料裝(zhuāng)載時間,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(lún)顆(kē)粒的作用下,蝸杆砂輪和成(chéng)形砂輪磨削的結合使磨削時間減少了 50%左右; 自帶齒輪檢測設備,能夠在線檢測齒輪磨削加工量是(shì)否達到加工工(gōng)藝要求,實現了齒輪磨削高效、高精度、節能環保加工。

     關(guān)鍵詞: 磨削加工; 磨齒機; 蝸杆砂輪; 成型砂輪(lún); 雙工件主軸

     麵向汽車變速器(qì)行業對高(gāo)精度齒輪的需求,2016年度“高檔數控(kòng)機床(chuáng)與基礎製造裝備”國家(jiā)科技重大專(zhuān)項提出乘(chéng)用(yòng)車自動變速器高效加工(gōng)與裝配關鍵設(shè)備及成套(tào)生產(chǎn)線研究,其中高精度齒輪滾磨(mó)製造工藝及其(qí)成組成套技術是重要研究內容(róng)。作者針對科技重大專項研究內容,通過自主創新的途徑,開展汽車變速器齒輪磨齒機床的研究。重點攻克了十四軸五聯動高速高精蝸(wō)杆砂輪和成型砂輪聯合磨削機床(chuáng)總體(tǐ)結構[1]、高速高精磨齒工(gōng)藝(yì)參數優化及數控自動化(huà)編程軟件、高速磨(mó)齒(chǐ)工(gōng)藝係統磨削熱(rè)傳遞(dì)及溫度場控(kòng)製、高速微晶陶瓷磨(mó)料蝸杆(gǎn)砂輪及成型砂輪、通用修整器等關鍵技術難題,開發了一種乘用車自動變速器(qì)齒輪加工用十(shí)四軸五(wǔ)聯動高精高速數(shù)控蝸杆砂輪和成型砂輪結合的(de)雙工件主軸(zhóu)機床,為齒(chǐ)輪磨削加工提供(gòng)了快速生產手段。蝸杆砂輪和成形砂輪磨削的(de)結合(hé)使磨削時間減少了 50%左右[2],采用雙工件主軸結構,節(jiē)省了上下料裝載時間,加工效率大幅提升,比單主軸效率高出 30%左右,實現了齒輪高效、高精度磨削加工。

     1、高速高精數控複合磨削自動換刀雙工件主軸磨齒機床主要結構及參數
   
     針對齒輪磨削加工的特點和企業對磨齒加工的生產效率以及工藝要求,開發了一種蝸杆砂輪和成型砂輪(lún)磨削結合(hé)的(de)雙工件主軸磨齒(chǐ)機床,機床具備全自動更換刀具和全自動裝卸被加工齒輪功(gōng)能,可使用通用(yòng)修整器同時修整(zhěng)蝸杆和成形磨削輪,無需進(jìn)行刀具的準備工作。采用雙工件主軸結構,節省(shěng)了上下料裝載時間,加工效率大幅提升,比單主軸(zhóu)效率高出 30%左右。在合適的粗磨和(hé)精磨砂輪顆粒的作用(yòng)下,蝸杆砂輪和成形砂輪磨削的結合(hé)使磨削時間減少了 50%左右。自帶齒輪檢測設備,能夠在線檢測齒輪磨削加工量(liàng)是否達到加工工藝要求。磨齒機結構(gòu)及各坐(zuò)標軸如圖 1 所示,磨齒機由底座、立柱、雙工件主軸、立柱滑台、砂輪切向移動滑台(tái)、砂(shā)輪刀架轉動台、蝸杆砂輪、修整器(qì)、齒輪檢測設備、換刀機械手、齒輪工件裝卸機械手等組成。磨(mó)齒機為十四軸(zhóu): X 軸、Y軸、Z 軸、A 軸、B 軸、C1軸(zhóu)、C2軸、U 軸、V 軸(zhóu)、W 軸、E 軸(zhóu)、F1軸、F2軸、F3軸等。各軸的作用與相互間的關係: X 軸是立柱移動軸,是刀(dāo)具的(de)徑向進給運動軸,刀具沿工件徑向移動以確保磨削出全齒深(shēn),還能夠實現齒輪(lún)的在線檢測。Y 軸帶(dài)動滑(huá)塊切向移動,是蝸杆砂輪切向移動軸; 另外,能夠配合砂輪(lún)修整器,實現蝸杆砂輪和成型砂輪的在線修正,還能夠配合齒(chǐ)輪檢測設備實現齒(chǐ)輪加工質量在線檢(jiǎn)測(cè)。Z軸是立柱滑台上下移動軸,實現砂輪刀(dāo)具的軸向移動,刀(dāo)具沿工件(jiàn)軸線移動以磨削(xuē)出齒輪的整個(gè)齒寬,以及完成(chéng)齒輪在線檢測功能(néng)。A 軸是(shì)砂輪刀架(jià)轉動軸,在磨齒加工齒輪時,需要根據齒輪的螺旋(xuán)角和蝸杆砂輪的螺旋升角轉動刀架,以(yǐ)確保磨削出(chū)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(jiǎo),另外還能夠實現自動(dòng)換刀功能。B 軸是砂輪轉動軸,是磨齒機的主運動,砂輪在轉(zhuǎn)動時磨削被(bèi)加工工件上的材料並形成(chéng)齒廓。

    C1軸(zhóu)、C2軸是工作台主軸回轉運動 ( 也稱(chēng)工件軸) ,是磨齒(chǐ)機(jī)的分(fèn)齒運動,它(tā)和砂輪保持嚴格的速(sù)比關係,以保證磨削出的齒輪齒數正確,並且保證其分齒(chǐ)精度(dù); 另外還能夠配合機械(xiè)手實現工件的自動裝(zhuāng)卸,雙工件(jiàn)主軸節省了上下料裝載(zǎi)時間,加工效率大幅提升。U 軸是裝卸機械手左(zuǒ)右移動(dòng)軸,實現對工(gōng)件的自動裝卸,並可(kě)根據不同工(gōng)件(jiàn)大小與切削參數調整移動(dòng)節拍。V 軸是換刀運動(dòng)軸,實現不同的砂輪(lún)更換。W 軸(zhóu)是修整器移動軸,實現對(duì)砂輪的修整。E 軸是修整器旋轉(zhuǎn)運動軸,實現對砂(shā)輪(lún)的(de)修整。F1軸是齒輪檢測設備旋轉打開運動軸,實現檢測設備由關閉保護狀態到打開檢測齒輪加(jiā)工質量功能。F2軸是修(xiū)整器可旋轉調節軸。F3軸是雙工件主軸可轉位軸。其中 5 個聯動軸為: B 軸、C 軸、X 軸、Z 軸、U 軸。
 
  
  
圖 1 磨齒機床結構及坐標軸(zhóu)簡圖

     在磨齒機床設計階段十分重視運動部件動態性能優化,重視高剛度輕(qīng)量化設計和機械運動部件的動力匹(pǐ)配。進行機床每一個運動坐標的驅動參數的優化,使機床的動態性能滿(mǎn)足用戶的需求。機床床(chuáng)身為人造理石材料,熱變型誤差較小; 具有更好的吸收振動的能力,降低振(zhèn)動對機床傳動部件的影響,機床剛性更好、精度穩定。

    2 、基於齒輪(lún)高速高精複合磨削工藝參數優化的開放式數控係統
   
    由於直驅技術具有動態響應能力好、無反向間隙、無傳動機械磨損(sǔn)等顯著優勢,磨齒機床采用直接驅(qū)動技術,即刀具軸和工件軸分別由電主軸和力矩電機直接驅動[3],工件軸和砂輪之間之間不存在任何機械傳(chuán)動元件,稱(chēng)之為 “零傳動”; 砂輪作為主動軸(zhóu),工(gōng)件軸作為跟隨(suí)軸[4],當工件(jiàn)軸的響應速度足夠時,在電子齒輪箱程序的控製之(zhī)下,可以得到理想的分度精度(dù)和很(hěn)好的表(biǎo)麵磨(mó)削(xuē)質量,對於蝸(wō)杆砂輪磨削和(hé)成型砂輪磨削采用不(bú)同的控(kòng)製程序。這樣的設計(jì)使得機械結構大大簡化,同時極大地提高了加工效率和加工(gōng)精度,但是也對數控係統提出更高(gāo)的要求。機床(chuáng)采用基於總線型運動控製卡的全閉環控製開放式數控係統,係統硬件(jiàn)平台(tái)采用工控機和運動控製卡,軟(ruǎn)件平台基於 Windows 係統,采用 VC + +開發工具和(hé) Win-dows 係統(tǒng)下的(de)動態鏈接庫(kù),通過對齒輪高精磨削工藝參數優化(huà),編製出專門的(de)齒輪(lún)蝸(wō)杆磨削、成型磨削加工程序(xù)、在線砂輪修整(zhěng)程序、在線齒輪加工質量檢(jiǎn)測程序,對機床進行(háng)十四軸控(kòng)製,同時實現五軸聯動。數(shù)控係統控製原理如圖 2 所示。
 
 
 
圖 2 數控係統控製(zhì)原理簡圖
  
    高速高精度(dù)柔(róu)性電子齒輪箱程(chéng)序屬(shǔ)於齒輪磨削加工數控係統的一個核心部分,通過參數設置,可以適用於齒輪蝸杆磨削和(hé)成型磨削對多軸聯動嚴格速比關係的(de)要求(qiú)。各軸伺服電(diàn)機和主軸電機通過電機接口與(yǔ)係統相連,主運動(dòng)信號通過電機編碼器或激光幹涉反(fǎn)饋,由數控係統處理並通過柔性電子齒輪箱程序判別和計算,控製隨動數控軸完成主從式(shì)的電子齒輪比運動(dòng)。采用激(jī)光(guāng)幹涉反饋全閉環技術(shù)直接檢測(cè)砂輪軸、工件軸和其他軸的位置,構成了真正意義的全閉環(huán)。該技術將長度反饋係(xì)統提升至激光波長基準,自帶環境 ( 溫度、氣壓) 補償,可以控製(zhì)滾刀主軸和工件工作(zuò)台定位精度達到激光幹(gàn)涉儀(yí)精度水準(zhǔn)。基於開放式數控係統具有以(yǐ)下幾種主要功能: 數控電子齒輪(lún)箱( EGB) 功能、多軸精確同步控製插補功能,可以方便地實現分齒運動和差動補償(cháng)運動; 齒(chǐ)輪加工質量在線(xiàn)檢測功能; 砂輪在線修整功能; 自動(dòng)更換刀具和裝卸工件。
  
     3 、高速磨削工藝係統磨削熱傳遞及溫度場控製
  
    高(gāo)精密(mì)的汽(qì)車變速器齒輪對齒輪加工機床的精度和可靠性提出了越來越(yuè)高的要求,大量研究表(biǎo)明: 磨齒(chǐ)機在高速磨(mó)削齒(chǐ)輪時(shí)磨削熱易導致齒麵燒傷和機床部件發生熱變形[5]。因此磨齒機床采用以下 3 種方(fāng)法減少磨削熱對磨齒機床的影響: 改進機(jī)床床身材料;控製機床(chuáng)重要部件的溫升,如進行有效的冷卻和散熱[6]; 建立(lì)溫度變量與熱變形之間的數學模型,用軟件預報誤差,用 NC 行補償,以減少或消除(chú)由熱變形引起的(de)機床磨削誤差。磨齒機(jī)床采用(yòng)人造理石為床身主要材(cái)料。人(rén)造理石材料熱膨脹係(xì)數僅為鑄鐵的 1/20,具(jù)有更好的環境適應性、更小的熱變型誤(wù)差,很大程度上降低了機床的熱變形; 人造(zào)理石的阻尼是(shì)鑄鐵的 6 倍,具有(yǒu)更好的吸(xī)收振動的能力,降低了機床的切削振動對機床傳動部件的影響; 人造理石床身(shēn)製造工藝采用常溫固化,沒有鑄鐵冷卻不均導致的內應力,是國際上精密機床優選的床身材料。整台機床采用潤滑點自動潤滑,保證機床砂(shā)輪、夾具等具有良好的磨削能力和精度穩定性,齒(chǐ)輪磨(mó)削加工區(qū)采用高壓流動氣體冷(lěng)卻,機床(chuáng)工作區與床身完全隔離,最大程度地減小由於熱磨屑(xiè)與床身接觸而產生的熱膨脹的影響。磨齒機熱變形誤差補償技(jì)術采(cǎi)用事後補償[7],通過激(jī)光檢測手(shǒu)段對數(shù)控加工時產生的誤差進行直接或間接的測(cè)量,然後根據已經(jīng)建立的誤差補償模型進行誤差補償計算,將計算結果(guǒ)反(fǎn)饋給開放式數控係統,使係統控製器發(fā)出相應的控製誤差(chà)補償指令以補(bǔ)償相應的熱誤差[8]。

    4、 蝸杆砂輪和成型砂輪研究
  
    隨著市場競爭的日愈激烈,質量、效率和(hé)成本成為生產企業關注的重點。如何取得(dé)這三點的(de)平衡是所有生產企(qǐ)業能否成功的關鍵。磨(mó)齒床采用蝸杆砂輪和成型砂輪來(lái)平(píng)衡三點(diǎn)之間的關係。使用優化的不同規格的成形(xíng)砂輪進(jìn)行(háng)粗加工和(hé)精加工,以盡可(kě)能縮短加工時間,且取得質量極佳(jiā)的表麵(miàn)粗糙度。蝸杆砂輪可以采用最快的加工速度(dù)而不必擔心工件最後的齒(chǐ)形質量。利用成型(xíng)砂輪進行精密磨削,修正齒形誤差。這種加工方法適用於大批量生產相(xiàng)同或相似規格的(de)齒輪,可以加工出無齒形誤差的正齒輪和斜齒輪。蝸杆砂(shā)輪、成型砂輪采用高速微晶陶(táo)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(gāo)齒輪的製造精度、齒輪運轉平穩(wěn)性和壽命,確保齒輪的精確接觸和精密齧合。
   
    5、 高精密齒輪加工質量在線測量裝(zhuāng)置和砂輪在線修整器
  
    在(zài)汽車齒輪要求 100%全部檢測的態勢下,磨齒機直(zhí)接將齒輪測量裝置(zhì)集成(chéng)於齒輪加(jiā)工機床(chuáng),齒輪加工後(hòu)不用拆卸(xiè),立即在機床上(shàng)進(jìn)行在機測量,根(gēn)據測量結果對機床(chuáng)參數及時調整修正。齒輪加工質量在線(xiàn)檢測裝置,采用齒輪(lún)整體誤差測量程序(xù),把齒輪作為一個用於實(shí)現傳動功能的幾何實體,或采用坐(zuò)標式幾何解析法對其(qí)單項幾何精度進行測量,並(bìng)按齒輪齧合傳動順序和位(wèi)置,集成為一條 “靜(jìng)態”齒輪整體誤差曲線; 或按單麵齧合綜合測量方式,使用特殊測量齒輪(lún),采用滾動點掃描測量法對其進行測量,得到齒輪 “運動” 整體誤差曲(qǔ)線。上述兩種齒輪整體誤差曲線(xiàn),經過(guò)數控係統程序運算(suàn)和數據處理,都可以得到齒輪綜合運(yùn)動偏差、各單項幾何偏差、三維齒麵形貌偏差以及接觸區狀態,從而能更全麵、準確地評定齒輪(lún)質量(liàng)和齒輪(lún)加工工藝的分析和診斷。將齒輪測量技(jì)術和齒輪設計、加工製造進行集成,實現齒輪製造信息的融合及 CAD/CAM /CAT 的集(jí)成,從而構建一個先進的齒(chǐ)輪數字(zì)化閉環製造係統。

    僅使用一個通用修整器就能同時修整蝸杆和成形磨削輪,無需進行刀具的準備工作。修整(zhěng)器安裝在立柱滑台上,位於機床砂輪(lún)刀架(jià)的上方,該修整器由驅動電機、傳動機(jī)構、高精度主軸、精密滾珠絲杠進給機構、修整(zhěng)器可旋轉調節機構(gòu)、金剛石滾輪等組成(chéng)。修整進給速度、進給量、光(guāng)修時間是數控係統控製的,具有數字顯(xiǎn)示、前(qián)台控製、便與操作(zuò)等特點,可(kě)提高工件磨削的精度和(hé)質量。
  
    6 、結論
  
    乘(chéng)用車自動變速器齒輪磨削(xuē)加工用十四軸五(wǔ)聯(lián)動高精度(dù)高速數控蝸杆砂輪和成型砂輪複合磨削雙工件主軸機床,采(cǎi)用基於總線(xiàn)型運動控製卡的全閉環控製開放式數控係統,采(cǎi)用蝸杆砂輪和成型砂輪磨齒加工刀具,具備全自動換刀功能,能夠使用優化的不同規格的成形砂(shā)輪進行粗加(jiā)工和精加工,以盡可能縮短(duǎn)加工時(shí)間,且取得質量極佳的表麵粗糙度。能夠(gòu)使用高效率的(de)蝸杆砂輪磨削過(guò)程進行粗加工,聯合精(jīng)密成形磨削工藝進行精加工。加工策略能使(shǐ)用戶在生產率和靈活性方麵達到前(qián)所未有的程(chéng)度。使用刀具更換裝置可允許使用為超精加工而設計的特殊成形砂(shā)輪磨削更加出眾的表(biǎo)麵質量。采取智能化的能源管理係統和最新的驅動和電機技術,可減(jiǎn)少多達 40%的能源消耗(hào)。機(jī)床(chuáng)加工精度可達國標的(de) 5 級,齒麵(miàn)粗糙度(dù)為 Ra0. 8μm 左右。該機型(xíng)替代進口,降低製造成本,提高磨齒加工(gōng)產品的質量、生產率、工(gōng)藝(yì)可靠性。

  
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