黃亞超　樊利軍

（秦川機床工具集團股份公司）

一、概述

隨著海洋工程、艦船、機車、風電、軍工等行業(yè)快速發(fā)展，對大規(guī)格傳動齒輪精密、高效磨削加工關鍵設備的需求日益增大,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），采用成形法磨削，精度達到國標GB／T10095.1-2008 3級以上，效率顯著提高。機床突破的關鍵技術包括：高剛性、高精度、高可靠性設計技術；機床熱變形控制技術；機床磨削專家系統(tǒng)開發(fā)；機床在機測量與綜合誤差補償技術開發(fā)；機床無附加傳感器檢測預警和故障診斷技術等。YK7380A磨齒機所達到的較高技術水平，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

YK7380A磨齒機Z大加工直徑φ800mm，模數(shù)35mm。機床為全閉環(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時監(jiān)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(shù)即可自動生成成形砂輪截形修整和機床循環(huán)動作執(zhí)行程序，完成工件自動循環(huán)磨削。機床磨削循環(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、遠程故障診斷等功能。

秦川機床通過對比境內(nèi)外Ф800mm規(guī)格磨齒機，吸取先進的數(shù)控成形砂輪磨齒機發(fā)展趨勢和技術特點，并依據(jù)客戶提出的性能要求，在機床設計、加工、制造、試驗、檢測等核心技術層面展開攻關，使機床的設計制造技術水平、工作精度、效率、可靠性等與境外同類機床相當，機床磨削精度達到GB／T10095.1-2008  3級以上，能夠替代進口，機床售價卻遠低于境外同類產(chǎn)品，具有較高的性價比優(yōu)勢和市場競爭力。

二、產(chǎn)品性能介紹

YK7380A數(shù)控成形砂輪磨齒機采用Z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(shù)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

采用成形磨削，砂輪與齒輪為線接觸，磨除率高；機床配置高壓大流量冷卻裝置，適應大功率、大切深磨削加工，減少粗磨循環(huán)次數(shù)，提高機床磨削效率，是傳統(tǒng)機床效率的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，運動平穩(wěn)，無沖擊，實現(xiàn)了很高的運動精度；磨削專家系統(tǒng)具有誤差校正功能，可補償磨削加工誤差，提高機床磨削精度。

3.高可靠性

采用高剛性設計保證機床較高的幾何精度；機床熱關鍵點布置冷卻噴淋、溫機控制等措施以保證機床熱穩(wěn)定狀態(tài)；機床配置溫度、壓力、流量、振動等多種傳感器，對機床工作狀態(tài)實時進行監(jiān)控，保證機床高可靠性和穩(wěn)定性。

三、新技術應用情況

1. 大規(guī)格數(shù)控成形磨齒機設計制造技術

（1）模塊化設計技術

機床采用立式結構，模塊化設計，縮短開發(fā)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，機床布局如圖2所示。

圖2  YK7380A磨齒機模塊布局圖

（2）高剛性設計制造

成形磨削載荷大，對機床剛性要求高。在設計中對機床整機及關鍵零部件進行有限元分析、結構優(yōu)化，保證機床高剛度；對關鍵零部件進行模態(tài)實驗分析，使機床固有頻率遠高于磨削時的激振頻率；對關鍵結合面進行精密刮削，保證接觸剛度。

（3）大型磨齒機熱特性控制技術

大型磨齒機工作過程中，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40%-70％，因此，減小熱變形及盡快使機床達到熱平衡對提高加工精度和穩(wěn)定性至關重要。

為此采取的主要方法有：

①機床熱對稱設計及冷卻流道優(yōu)化。通過有限元分析機床熱變形情況，優(yōu)化機床布局，采用熱對稱結構，優(yōu)化床身流道設計，增加床身周圍冷卻液流動，使溫度分布更加均勻，提高機床熱特性。

圖3 磨齒機整機溫度場云圖

圖4  改進流道后整機變形云圖

②等溫磨削控制技術。實時檢測機床內(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，實現(xiàn)機床工作過程變形Z小，滿足高精度磨削要求。

（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(xiàn)爬行和滯后，直線軸重復定位精度達到0.002mm，回轉(zhuǎn)軸定位精度達到±3角秒，機床Z大承載2t，滿足產(chǎn)品設計要求。

（5）復合材料應用。機床裝配過程中，幾何精度調(diào)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(xiàn)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(tǒng)開發(fā)

磨削專家系統(tǒng)是成形砂輪磨齒機Z為核心的軟件系統(tǒng)，解決了機床操作人員機下繁瑣計算程序編制，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，自動生成機床加工程序，指導用戶進行精密、高效磨削，提高了機床加工效率。

主要功能模塊包含以下幾項：

（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，因此需對齒廓進行精確修形，減少邊緣接觸和應力集中。機床采用成形磨削，可通過全閉環(huán)伺服軸精確插補對齒輪廓形修形，實現(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

磨削斜齒輪時，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接觸線不是同時脫離齒面，受力不均，出現(xiàn)讓刀，造成齒面扭曲。機床開發(fā)的齒面扭曲控制技術，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

對大型齒輪磨削工藝進行研究，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、修整進刀量、磨削進刀速度、冷卻液流量和壓力等，指導用戶實現(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時監(jiān)測，控制砂輪自動修整，保持砂輪鋒利，保證磨削質(zhì)量。AE的防碰撞保護功能，可以在發(fā)生啃刀或偏磨時，機床執(zhí)行緊急回退功能，保護工件和設備安全。

3. 在機檢測與綜合誤差補償技術

（1）在機測量技術

大型齒輪質(zhì)量較大，齒輪拆卸、送檢不方便，機下測量費時費力，在機床上配置在機測量功能十分必要。機床在機測量功能利用機床數(shù)控軸，對齒輪進行測量，測量數(shù)據(jù)再回傳磨削專家系統(tǒng)，和設定的目標對比，自動調(diào)整機床加工參數(shù)，實現(xiàn)閉環(huán)控制下的精密磨削。

機床在機測量系統(tǒng)主要對齒輪齒形、齒向、齒距及齒距累積總偏差進行測量。

圖6  機床在機測量報告

（2）機床綜合誤差測試補償技術

利用激光跟蹤儀對機床伺服軸各項誤差進行測量，建立機床空間誤差模型，應用數(shù)控系統(tǒng)的動態(tài)操作功能，對軸間誤差進行補償。利用自行開發(fā)的傳動鏈誤差測試儀對機床單軸運動誤差、多軸聯(lián)動誤差、插補誤差進行測量分析，調(diào)整機床參數(shù)，達到Z佳補償效果。

圖7  機床綜合誤差補償現(xiàn)場測試

4.機床工作狀態(tài)監(jiān)測、預警及故障診斷技術應用

（1）機床無附加傳感器監(jiān)測與預警

通過機床數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置的位置、速度、扭矩、電流、電壓等接口，獲取機床動態(tài)響應信號，提取機床進給系統(tǒng)早期微弱故障特征，對動態(tài)誤差和各種振動量進行實時監(jiān)測。當誤差趨勢開始變大，故障征兆開始出現(xiàn)時，及時對機床故障進行預警處理，提高機?的穩(wěn)定性和可靠性。

圖8  YK7380A磨齒機故障診斷軟件界面

（2）遠程故障診斷技術應用

機床遠程診斷功能實現(xiàn)了外部計算機與機床工控機之間的遠程控制，以便對機床進行故障診斷、參數(shù)更改等在線操作。當客戶機床出現(xiàn)故障時，維修人員不用到現(xiàn)場就可以處理機床故障，縮短了機床維修時間，提高了機床工作效率，機床用戶服務更加方便快捷。

四、成果應用及市場前景

對于YK7380A數(shù)控成形砂輪磨齒機的研發(fā)成功,用戶給予了很高的評價，認為該機床加工精度高、性能穩(wěn)定、故障率低，磨削精度和磨削效率達到了國外同類磨齒機水平。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)品應用領域，使該產(chǎn)品獲得較高的市場份額，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。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)量和技術水平等各方面都提出了更高要求，大型磨齒機的市場需求將隨之擴大，YK7380A磨齒機將迎來廣闊的市場前景，同時將對我國磨齒機向更大規(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。

來源：《世界制造技術與裝備市場（WMEM）》雜志2020年第5期