一、概述

隨著海洋工程、艦船、機車、風電、軍工等行業快速發展，對大規格傳動齒輪精密、高效磨削加工關鍵設備的需求日益增大,傳統采用展成法磨削，效率和精度難以滿足要求。秦川機床工具集團股份公司研制的YK7380A磨齒機（如圖1所示），采用成形法磨(mo)削(xue)，精度達到國標(biao)GB／T10095.1-2008 3級以上，效率顯著提高(gao)(gao)。機(ji)(ji)床(chuang)(chuang)(chuang)突破的關(guan)鍵(jian)技(ji)(ji)術(shu)(shu)包括(kuo)：高(gao)(gao)剛性(xing)、高(gao)(gao)精度、高(gao)(gao)可靠(kao)性(xing)設計(ji)技(ji)(ji)術(shu)(shu)；機(ji)(ji)床(chuang)(chuang)(chuang)熱變(bian)形控制(zhi)技(ji)(ji)術(shu)(shu)；機(ji)(ji)床(chuang)(chuang)(chuang)磨(mo)削(xue)專(zhuan)家系(xi)統開(kai)發；機(ji)(ji)床(chuang)(chuang)(chuang)在機(ji)(ji)測量(liang)與綜合誤差補償技(ji)(ji)術(shu)(shu)開(kai)發；機(ji)(ji)床(chuang)(chuang)(chuang)無附(fu)加傳感器檢(jian)測預警(jing)和故障(zhang)診(zhen)斷(duan)技(ji)(ji)術(shu)(shu)等。YK7380A磨(mo)齒機(ji)(ji)所達到的較(jiao)高(gao)(gao)技(ji)(ji)術(shu)(shu)水平(ping)，對提升我(wo)國高(gao)(gao)端裝備制(zhi)造業水平(ping)，滿足國家戰(zhan)略和國防需求(qiu)具有重要意義。

圖1  YK7380A數控成形砂輪磨齒機 

YK7380A磨齒機最大加工直徑φ800mm，模數35mm。機床為全閉環控制，可對磨削工件齒形、齒向任意形狀修形，并通過集成內置砂輪動平衡系統中的AE功能對砂輪修整及工件磨削實時監測。機床操作界面為人機對話式，操作簡單，通過輸入磨削齒輪基本參數即可自動生成成形砂輪截形修整和機床循環動作執行程序，完成工件自動循環磨削。機床磨削循環自動化程度高，具有自動對刀、工件自動檢測、自動誤差校正、遠程故障診斷等功能。 

秦川機(ji)床(chuang)通過對比境(jing)內外Ф800mm規格磨齒機(ji)，吸(xi)取先進的(de)數控成形砂輪磨齒機(ji)發展趨勢(shi)和技術特點，并依(yi)據客(ke)戶提出的(de)性(xing)能要求，在(zai)機(ji)床(chuang)設計(ji)(ji)、加工、制(zhi)造、試驗、檢測等核(he)心技術層面展開攻關，使機(ji)床(chuang)的(de)設計(ji)(ji)制(zhi)造技術水平、工作(zuo)精(jing)度、效率、可靠性(xing)等與境(jing)外同類機(ji)床(chuang)相當，機(ji)床(chuang)磨削精(jing)度達到GB／T10095.1-2008  3級以上，能夠(gou)替代進口，機(ji)床(chuang)售價(jia)卻(que)遠低于境(jing)外同類產品(pin)，具有(you)較高的(de)性(xing)價(jia)比優勢(shi)和市(shi)場競爭力。

二、產品性能介紹 

YK7380A數控成形砂輪磨齒機采用最新成形砂輪磨齒機設計理念，是一款集機械、電氣、液壓、自動化技術、伺服控制技術、精密測量技術、計算機軟件技術等多種學科技術于一體的復雜高檔數控機床，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。 

1. 高效率

采用成形(xing)磨(mo)(mo)削，砂輪(lun)與齒輪(lun)為(wei)線接觸，磨(mo)(mo)除(chu)率高；機床(chuang)配(pei)置高壓大(da)流量冷卻裝置，適應大(da)功率、大(da)切深(shen)磨(mo)(mo)削加工，減少粗磨(mo)(mo)循(xun)環次數，提高機床(chuang)磨(mo)(mo)削效(xiao)率，是傳(chuan)統機床(chuang)效(xiao)率的3-5倍。

2. 高精度

采用數字伺服系(xi)統(tong)，選用高精(jing)(jing)度(du)(du)光柵尺，全閉(bi)環控制，運(yun)動(dong)平(ping)穩，無沖擊，實現了很高的運(yun)動(dong)精(jing)(jing)度(du)(du)；磨(mo)削專家系(xi)統(tong)具有誤差校正功能，可補償磨(mo)削加工誤差，提高機(ji)床(chuang)磨(mo)削精(jing)(jing)度(du)(du)。

3．高可靠性

采用高剛(gang)性設計保證機床(chuang)較高的幾何精度；機床(chuang)熱關鍵點布置冷卻噴(pen)淋、溫機控制等措施(shi)以保證機床(chuang)熱穩定(ding)狀(zhuang)態；機床(chuang)配置溫度、壓力(li)、流量(liang)、振動等多種傳感(gan)器，對機床(chuang)工作狀(zhuang)態實(shi)時(shi)進行監控，保證機床(chuang)高可靠性和穩定(ding)性。

三、新技術應用情況

1. 大規(gui)格數控成(cheng)形磨齒機設(she)計(ji)制造(zao)技術

（1）模塊化(hua)設(she)計技術(shu)

機床采用立式結構，模塊化設計，縮短開發周期，提高機床可靠性。機床主要包括床身、立柱、工作臺、工件立柱、滑板、修整器、磨具等部件(jian)，機床布局如圖2所示。

圖2  YK7380A磨齒機模塊布局圖 

（2）高剛性設計(ji)制造

成形(xing)磨削(xue)載(zai)荷大，對(dui)機(ji)床(chuang)剛(gang)性要(yao)求高(gao)。在設計中對(dui)機(ji)床(chuang)整機(ji)及(ji)關(guan)鍵(jian)零部(bu)(bu)件進(jin)行有限元分(fen)(fen)析、結(jie)構優化，保(bao)證機(ji)床(chuang)高(gao)剛(gang)度(du)；對(dui)關(guan)鍵(jian)零部(bu)(bu)件進(jin)行模態(tai)實驗分(fen)(fen)析，使(shi)機(ji)床(chuang)固有頻率遠高(gao)于磨削(xue)時的激振頻率；對(dui)關(guan)鍵(jian)結(jie)合(he)面進(jin)行精密刮削(xue)，保(bao)證接(jie)觸(chu)剛(gang)度(du)。

（3）大型磨(mo)齒(chi)機(ji)熱特性控制技(ji)術

大型磨齒機工作過(guo)程中(zhong)，在內外熱(re)源共同作用下(xia)產生(sheng)熱(re)變(bian)(bian)形，影響工件與砂輪間相對(dui)位置，造成齒輪加工精度(du)降低。研究表明，精密加工中(zhong)，由熱(re)變(bian)(bian)形引(yin)起的加工誤差所占比例達(da)40%-70％，因此(ci)，減小熱(re)變(bian)(bian)形及盡(jin)快使機床達(da)到熱(re)平衡對(dui)提高加工精度(du)和穩定性(xing)至(zhi)關重要。

為此采(cai)取的主(zhu)要方(fang)法有：

①機床(chuang)熱(re)(re)(re)對稱設計(ji)及冷卻(que)流(liu)道優(you)化(hua)(hua)。通過有限(xian)元(yuan)分析機床(chuang)熱(re)(re)(re)變形情(qing)況，優(you)化(hua)(hua)機床(chuang)布局，采用(yong)熱(re)(re)(re)對稱結構，優(you)化(hua)(hua)床(chuang)身流(liu)道設計(ji)，增(zeng)加床(chuang)身周圍冷卻(que)液流(liu)動，使溫度分布更加均勻，提高(gao)機床(chuang)熱(re)(re)(re)特性。

圖3 磨齒機整機溫度場云圖

圖4  改進流道后整機變(bian)形云圖

②等溫磨(mo)削控制技(ji)術。實時(shi)檢測機床內部(bu)及外圍環(huan)境溫度，自動調(diao)節磨(mo)削冷卻(que)液(ye)溫度，使機床內部(bu)溫度與環(huan)境溫度差保持在穩定范圍內，減小熱變形(xing)引起的誤差，實現機床工作過程變形(xing)最小，滿足高精度磨(mo)削要求。

（4）靜壓導軌和靜壓軸承設計制造技術。采用閉式靜壓導軌，解決直線導軌大負載情況下出現爬行和滯后，直線軸重復定位精度達到0.002mm，回轉軸定位精度達到±3角秒，機床最大承載2t，滿足產品設計要求。 

（5）復合材料應用。機床裝配過程中，幾何精度調整需要多次修刮導軌結合面，大型機床結合面修刮時大件的起吊、翻身、刮研工作量非常大，采用新型復合材料，實現機床導軌精度一次定型，就能滿足精度要求，減少裝配工作量，提高機床裝配精度。 

2. 磨削專家系統開發

磨(mo)(mo)削專家系統是成(cheng)形砂輪(lun)磨(mo)(mo)齒機(ji)最為核心的(de)軟(ruan)件系統，解決了機(ji)床操作(zuo)人(ren)員(yuan)機(ji)下繁瑣計算(suan)程(cheng)序編制，可(ke)根據用戶(hu)磨(mo)(mo)削工件要求推薦磨(mo)(mo)削工藝，供(gong)用戶(hu)選擇多種形式的(de)磨(mo)(mo)削方法(fa)、砂輪(lun)修整方法(fa)，自動(dong)生成(cheng)機(ji)床加工程(cheng)序，指(zhi)導用戶(hu)進行精密、高效(xiao)磨(mo)(mo)削，提高了機(ji)床加工效(xiao)率(lv)。

主要功(gong)能模塊包含以(yi)下幾項：              

（1）基于工(gong)作狀態下嚙合誤差優化的(de)齒(chi)廓(kuo)修形(xing)

齒(chi)(chi)輪(lun)箱齒(chi)(chi)輪(lun)由(you)于加(jia)工、裝配誤差、受載變形(xing)等產(chan)(chan)生(sheng)邊(bian)緣接(jie)觸，形(xing)成(cheng)(cheng)應(ying)(ying)力集(ji)中，對(dui)傳動平(ping)穩性和(he)壽命產(chan)(chan)生(sheng)很大影響，因此需對(dui)齒(chi)(chi)廓進行精確修形(xing)，減少(shao)邊(bian)緣接(jie)觸和(he)應(ying)(ying)力集(ji)中。機床采用成(cheng)(cheng)形(xing)磨削(xue)，可通(tong)過全閉環伺服軸(zhou)精確插(cha)補對(dui)齒(chi)(chi)輪(lun)廓形(xing)修形(xing)，實現齒(chi)(chi)廓精確三維修形(xing)。

圖5  齒廓修形三維圖形 

（2）齒(chi)面扭曲控制(zhi)技(ji)術

磨(mo)削斜齒(chi)(chi)(chi)輪(lun)時，砂(sha)輪(lun)與齒(chi)(chi)(chi)面的接(jie)觸(chu)線(xian)為一條空(kong)間曲線(xian)，需(xu)調(diao)整砂(sha)輪(lun)和工(gong)件(jian)的軸交角(jiao)，改(gai)變接(jie)觸(chu)線(xian)相對位(wei)置，避免砂(sha)輪(lun)與齒(chi)(chi)(chi)面兩側接(jie)觸(chu)線(xian)不(bu)是同(tong)時脫離齒(chi)(chi)(chi)面，受力(li)不(bu)均，出現讓刀(dao)，造(zao)成齒(chi)(chi)(chi)面扭(niu)曲。機床開(kai)發的齒(chi)(chi)(chi)面扭(niu)曲控(kong)制(zhi)技術，根(gen)據工(gong)件(jian)參數，自動優化(hua)調(diao)整砂(sha)輪(lun)軸交角(jiao)，改(gai)變接(jie)觸(chu)線(xian)相對位(wei)置，改(gai)善齒(chi)(chi)(chi)面扭(niu)曲。

（3）工件表面(mian)質量磨削(xue)控制技術(shu)

對大型齒輪磨削工藝進行研究，采集、分析高效磨齒工藝數據，建立工藝參數數據庫，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供用戶選擇。工藝參數主要包括砂輪的磨料、粒度、修整(zheng)進(jin)刀量、磨削進(jin)刀速度、冷卻液(ye)流(liu)量和壓力等，指導用戶實現精密(mi)、高效磨削，消(xiao)除磨削燒傷(shang)和裂(lie)紋，提高磨削效率。

（4）磨(mo)削狀態智能(neng)監控

經過二次開發，砂(sha)(sha)輪(lun)主軸集(ji)成的(de)AE（聲發射(she)）裝置，可實(shi)現(xian)磨(mo)(mo)削工件(jian)自(zi)(zi)動對刀、余量自(zi)(zi)動分(fen)配、磨(mo)(mo)削過程及砂(sha)(sha)輪(lun)磨(mo)(mo)損狀況實(shi)時(shi)監(jian)測，控(kong)制砂(sha)(sha)輪(lun)自(zi)(zi)動修整(zheng)，保(bao)持砂(sha)(sha)輪(lun)鋒利，保(bao)證磨(mo)(mo)削質(zhi)量。AE的(de)防碰撞保(bao)護(hu)功能(neng)(neng)，可以在發生啃刀或偏磨(mo)(mo)時(shi)，機床(chuang)執行緊急回退(tui)功能(neng)(neng)，保(bao)護(hu)工件(jian)和(he)設備(bei)安全(quan)。

3. 在機檢測與綜合誤差補償技術 

（1）在機測量技術

大型齒輪(lun)(lun)質量(liang)較大，齒輪(lun)(lun)拆卸、送檢不方便，機(ji)(ji)(ji)(ji)下測(ce)量(liang)費(fei)時費(fei)力，在(zai)機(ji)(ji)(ji)(ji)床(chuang)上配置(zhi)在(zai)機(ji)(ji)(ji)(ji)測(ce)量(liang)功能十分必要。機(ji)(ji)(ji)(ji)床(chuang)在(zai)機(ji)(ji)(ji)(ji)測(ce)量(liang)功能利(li)用機(ji)(ji)(ji)(ji)床(chuang)數(shu)控(kong)軸，對齒輪(lun)(lun)進行測(ce)量(liang)，測(ce)量(liang)數(shu)據再回傳(chuan)磨削(xue)專家系統，和設(she)定的目(mu)標(biao)對比，自(zi)動調整機(ji)(ji)(ji)(ji)床(chuang)加工參(can)數(shu)，實現閉(bi)環控(kong)制下的精密磨削(xue)。

機床(chuang)在機測(ce)量系(xi)統主要對齒(chi)(chi)輪齒(chi)(chi)形、齒(chi)(chi)向、齒(chi)(chi)距及齒(chi)(chi)距累積總偏(pian)差進行測(ce)量。

圖6  機床在機測量報告 

（2）機床綜合誤(wu)差測試補償技術

利用(yong)激光跟蹤(zong)儀(yi)對機床伺服(fu)軸(zhou)各項誤(wu)差進行(xing)測(ce)量，建立(li)機床空(kong)間誤(wu)差模型，應用(yong)數(shu)控系統的動(dong)態操作功能，對軸(zhou)間誤(wu)差進行(xing)補償(chang)。利用(yong)自行(xing)開發的傳動(dong)鏈誤(wu)差測(ce)試(shi)儀(yi)對機床單軸(zhou)運(yun)動(dong)誤(wu)差、多軸(zhou)聯動(dong)誤(wu)差、插補誤(wu)差進行(xing)測(ce)量分析，調(diao)整機床參(can)數(shu)，達(da)到最佳補償(chang)效果(guo)。

圖7  機床綜合誤差補償現場測試 

4．機床(chuang)工作狀(zhuang)態監測、預警及(ji)故障診斷技術應用

（1）機(ji)床(chuang)無附加傳感器監測與預警

通(tong)過機床(chuang)數控系統(tong)內置的位置、速度、扭(niu)矩(ju)、電(dian)流、電(dian)壓等接口，獲取機床(chuang)動(dong)(dong)態響應信號，提(ti)取機床(chuang)進給系統(tong)早期微(wei)弱故障(zhang)特征(zheng)，對動(dong)(dong)態誤差和(he)各種振(zhen)動(dong)(dong)量(liang)進行(xing)實(shi)時(shi)監測。當誤差趨勢(shi)開(kai)始變大，故障(zhang)征(zheng)兆開(kai)始出現時(shi)，及時(shi)對機床(chuang)故障(zhang)進行(xing)預警處(chu)理(li)，提(ti)高機床(chuang)的穩(wen)定性(xing)和(he)可靠性(xing)。

圖8  YK7380A磨齒機(ji)故障診斷軟件界面

（2）遠程故障(zhang)診斷技(ji)術(shu)應用(yong)

機(ji)(ji)床(chuang)(chuang)遠程診斷功(gong)能實現了(le)外部計算機(ji)(ji)與機(ji)(ji)床(chuang)(chuang)工控機(ji)(ji)之(zhi)間的(de)遠程控制(zhi)，以便(bian)對機(ji)(ji)床(chuang)(chuang)進(jin)行故(gu)(gu)障(zhang)診斷、參數更改等在(zai)線操作。當(dang)客(ke)戶機(ji)(ji)床(chuang)(chuang)出現故(gu)(gu)障(zhang)時(shi)，維修人(ren)員不(bu)用到現場就可以處理機(ji)(ji)床(chuang)(chuang)故(gu)(gu)障(zhang)，縮短(duan)了(le)機(ji)(ji)床(chuang)(chuang)維修時(shi)間，提高了(le)機(ji)(ji)床(chuang)(chuang)工作效率(lv)，機(ji)(ji)床(chuang)(chuang)用戶服(fu)務更加方便(bian)快捷。

四、成果應用及市場前景

對于YK7380A數(shu)控(kong)(kong)成形砂輪磨齒(chi)機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)研發成功,用戶給(gei)予了(le)很高(gao)的(de)(de)(de)(de)評價，認為該機(ji)(ji)(ji)(ji)床加(jia)工精(jing)度高(gao)、性能(neng)穩定、故障率(lv)低，磨削精(jing)度和磨削效(xiao)率(lv)達到了(le)國外(wai)同(tong)類磨齒(chi)機(ji)(ji)(ji)(ji)水(shui)平(ping)。公司(si)根據不(bu)同(tong)行(xing)業、不(bu)同(tong)用戶的(de)(de)(de)(de)需求定制方案，積極拓展產(chan)(chan)品(pin)應用領域，使該產(chan)(chan)品(pin)獲得較高(gao)的(de)(de)(de)(de)市(shi)場(chang)份額，取得了(le)良(liang)好的(de)(de)(de)(de)經(jing)濟和社會(hui)效(xiao)益。隨著國內市(shi)場(chang)對中大規格高(gao)效(xiao)、高(gao)精(jing)度數(shu)控(kong)(kong)磨齒(chi)機(ji)(ji)(ji)(ji)裝備的(de)(de)(de)(de)需求不(bu)斷提升(sheng)，對該類產(chan)(chan)品(pin)的(de)(de)(de)(de)數(shu)量、質(zhi)量和技術(shu)水(shui)平(ping)等各方面(mian)都提出了(le)更(geng)高(gao)要求，大型磨齒(chi)機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)市(shi)場(chang)需求將(jiang)(jiang)隨之(zhi)擴(kuo)大，YK7380A磨齒(chi)機(ji)(ji)(ji)(ji)將(jiang)(jiang)迎來廣闊的(de)(de)(de)(de)市(shi)場(chang)前景(jing)，同(tong)時將(jiang)(jiang)對我國磨齒(chi)機(ji)(ji)(ji)(ji)向(xiang)更(geng)大規格、更(geng)高(gao)精(jing)度、更(geng)高(gao)效(xiao)率(lv)方向(xiang)發展提供有力支撐，提升(sheng)我國此類高(gao)端數(shu)控(kong)(kong)裝備的(de)(de)(de)(de)制造水(shui)平(ping)。