一、项目技术原理

　　随着科技进步和生产的发展，作为重要工业基础零件的齿轮向着高速，高性能，低噪音，高可靠性发展，几乎所有的高速齿轮都要求高精度，硬齿面，并且齿廓和齿向修形。磨齿技术可以加工硬齿面齿轮，并且可以全面纠正齿轮磨削前的各种误差，最终获得高的加工精度，因此近年来得以迅速发展。成形磨齿不仅机床结构简单，而且具有良好的适应性，磨削精度、效率高，稳定性好，尤其对大模数、少齿、修缘类齿轮的精加工具有十分明显的优势。

　　成形磨齿采用与齿轮齿槽相应形状的成形磨具，通过单齿分度、径向切入、轴向走刀实现全齿宽的齿形磨削。机床的主要运动有砂轮的旋转主运动和径向进给运动，工件的轴向进给和分度运动等，如图1所示。可见，成形磨齿直接将磨具截面的形状复映到工件上形成工件齿廓，工件齿廓的精度主要由磨具截面的精度所决定。

图1 成形磨齿原理

　　成形磨齿中采用的磨具主要有两类：

　　一类为不可修整电镀CBN砂轮，以精密磨制的淬火钢为基体材料，以镍为结合剂外镀粒度均匀一致的CBN晶体形成一层极薄的切削层，砂轮导热性好，结合强度高，在整个寿命期内型线精度保持性好，高速磨削效率极高，且具有很长的精度寿命，适合于大批量生产。但其砂轮价格昂贵，且加工机动灵活性不够理想。

　　另一类为可修整砂轮，如微晶氧化铝SG诺顿砂轮和普通优质氧化铝砂轮等，这类砂轮在磨削过程中自身磨耗大，不但磨削能力下降，而且型线精度也无法保持稳定，因此机床必须配套砂轮修整装置，以便及时进行砂轮在线修整以保证磨齿精度，适合于各种批量的生产。

　　考虑到具体国情，尽可能的满足各种不同用户的需求，本项目采用可修整砂轮方案。

　　采用可修整砂轮为磨具，可以通过机床配套的砂轮修整装置对砂轮进行在线修整，方便灵活的满足生产要求，成为成形磨齿的主流，而砂轮的修整精度也就成为其核心问题。砂轮修整可以通过控制金刚石笔或金刚石滚轮对砂轮的修整运行轨迹，将砂轮修整成齿轮齿槽相应的形状。从原理上讲，砂轮截面的修整只是一个平面运动而已，采用数控技术只需一个两轴插补装置就可以实现任意线型的修整。

　　采用两轴数控插补装置，通过数控系统的控制即可实现任意曲线插补运行，并且在两轴数控插补装置对砂轮截面形状进行修整时，为了消除工具头部园角半径的影响，避免欠切的发生，可以引用数控车削加工中的刀尖半径补偿技术，使得工具头部园角中心在偏离编程轮廓(设计修整轮廓)一个工具头部园角半径的等距线轨迹上运行，这样实际修整轮廓是由工具头部园弧在不同位置包络而成。如果工具头部是理想规则的园弧，则没有理论修整误差，实际修整轮廓与设计修整轮廓将完全吻合。

(a)            (b)

图2 两轴插补砂轮截面修整

　　上述两轴数控插补装置可以满足一般砂轮修整的要求，从图2(a)可以看出，在对曲线修整过程中，工具在不同位置的有效作用点，即刀切点(图中A、B、C)处于修整曲线的法向位置，其在工具上的位置是变化的。而实际工具头部形状不可能是绝对理想的园弧，由于工具制作本身以及使用中的不均匀磨损消耗等原因，工具头部园弧实际上将是不规则的，如图2(b)所示。当这样不规则的工具通过半径补偿技术进行工作时，由于工具上实际刀切点(图中A、B、C)位置的改变，导致工具实际修整有效作用半径的改变，结果使得实际修整轮廓偏离设计修整轮廓，造成修整轮廓误差，而且这一轮廓误差同样是不规则的，无法通过调整工具补偿数据加以消除。

　　可见，采用半径补偿技术只能消除工具头部园弧半径对修整精度的影响，而并不能消除工具头部园弧本身的形状误差对修整精度的影响。在这种情况下进行砂轮修整，不仅要求工具头部有高的制作精度，而且还要求保持这种精度，工具在使用过程中的磨损将直接影响修整精度，工具的使用寿命将由修整精度决定而受到限制。

　　为了进一步提高修整精度，延长工具使用寿命，必须采取相应措施，消除工具头部园弧形状误差对修整轮廓精度的影响。

　　在高精度齿形磨削成形砂轮修整中，由于修整对象为曲线，在修整过程中，修整工具与修整轮廓间不仅有相对位置的变化，还有相对方向的改变，修整工具与修整轮廓的法线(或切线)间的相对方向是变化的。正是由于这一相对方向变化，引起了实际刀切点(图中A、B、C)位置的改变，从而导致工具头部园弧形状误差对轮廓修整精度的直接影响。

图3 三轴法向砂轮截面修整

　　从原理上讲，如果在上述两轴插补半径补偿修整过程中，修整工具头部园角中心在沿偏离设计修整轮廓一个工具头部园角半径的等距线轨迹上运行的同时，工具本身再绕其头部园角中心旋转，使得其在不同位置时与相应的轮廓法线(或切线)间的相对角度保持不变，如图3所示的工具轴线或轴对称面始终处于轮廓的法线方向，即法向修整。这样实际刀切点(图中A、B、C)在工具上的位置也保持不变，工具的修整有效作用尺寸保持不变，工具头部园弧形状误差对轮廓修整精度的影响也就不复存在。

　　二、关键技术与创新情况

　　1 砂轮修整技术

　　采用独立三轴联动砂轮法向修整装置实现砂轮的就近在线同步修整，有效节省修整时间。如图4所示，独立三轴联动砂轮法向修整装置包括两个直线运动轴和一个附加回转运动轴，通过对两个直线运动轴的插补控制实现任意曲线的修整，通过对附加回转运动轴的控制，可以随修整点位置的变化自动调整修整工具方位，始终保持工具处于砂轮修整点的法向位置，消除修整工具刃口形状对修整精度的影响，有效提高修整精度。

图4 独立三轴联动砂轮法向修整装置

　　2 参数化人机界面技术

　　采用参数化人机界面技术，如图5所示，只需输入有限的几个齿轮设计主参数，便可通过计算机自动计算出对应的砂轮型线，实现砂轮的自动修整和磨齿加工的自动循环过程。通过计算机辅助编程，在有效提高编程工作效率的同时减少编程出错率，降低对编程操作人员的专业技术要求。

图5 参数化人机界面

　　3 高精度分度与螺旋插补技术

　　零件安装工作台和砂轮倾斜螺旋角设定分别采用力矩电矩零传动和伺服电机+低背隙减速器传动，并配套同轴安装回转角直接检测反馈组件组成闭环系统，有效提高分齿精度与齿向精度。

　　4 在线测量与补偿技术

　　采用在线测量系统对磨削齿轮直接进行磨后测量，根据测量获得的实际齿形误差情况结合齿形修正软件功能模块对砂轮进行补偿修正后再磨，直至达到要求，在有效提高磨齿精度的同时，大大提高生产效率。同时利用在线测量系统可以很方便的进行磨齿前的齿槽自动对中，在实现整个磨齿过程自动循环的同时实现磨齿余量的均分。

　　三、 国内外同类产品性能对比

　　四、项目优越性

　　本项目相对展成法磨齿和一般成形磨齿机床相比具有一系列的优点：

　　1 从机床运动的角度看，免去了磨齿展成运动，机床基本结构相对简单，基本运动控制也得到简化，机床操作调整更为方便。

　　2 磨削效率高 本项目采用成形法加工齿轮，其砂轮截形与磨削齿轮成线接触，实现同时在全齿高范围磨削，相对于展成磨齿的锥面砂轮磨齿机等而言，其磨削接触面积大大增加，单位时间磨削量大大增加，从而提高加工效率。如果同时采用深切缓进给磨削和强力冷却技术，在齿面磨削烧伤的可能性大大降低的同时，减少粗磨次数，即分度次数和时间，从而进一步提高加工效率。

　　3 磨削精度高，稳定性好 本项目成形磨齿机床工作时本身动作相对简单，也没有锥面砂轮磨齿机的高速冲程运动，因此运动平稳无冲击。再通过采用数字伺服控制系统简化机械传动链，并配备位置检测元件和进行反馈控制，从而可实现很高的机床运动精度。而齿轮加工精度中较难控制的齿形精度等项目，主要取决于砂轮修整精度，本项目采用数控技术，并通过砂轮修整器结构等方面的技术突破，采用数控三轴法向修整技术，砂轮修整精度已远远高出工件加工精度，从而有效地保证成形砂轮磨齿机的齿形加工精度。

　　4 通用性强，适应范围广 由于数控技术在砂轮修整中的应用，使得砂轮修整变得简单、方便、灵活，除了可以方便地磨削各种修缘齿外，通过配备相应的专用软件，可以磨削各种特殊齿形，如各种花健齿、圆弧齿、摆线齿等，甚至磨削各种类型的蜗杆和端面齿。此外，展成法加工的少齿根切问题在此也不再存在，自然地解决了少齿数，特别是少于10齿的齿轮磨齿问题。独立三轴砂轮修整装置可以实现砂轮的在线修整，既适合于单件小批量生产，也适合于大批量生产。

　　可见，本项目采用数控成形法磨齿具有很强的适应性。除了可以满足现代生产的高精、高效、柔性等要求外，还可以满足一些行业的特殊要求。如航空、船机、内燃机车、坦克、重卡、油泵以及高档轿车齿轮等，这些齿轮或为少齿(少于10齿)，并从强度安全考虑对齿根过度圆角有较严格的要求，或从环境和舒适性考虑对噪声要求很严，需要对齿顶修缘，以减轻啮合冲击，还有的为非渐开线齿形。采用成形磨齿，通过灵活的砂轮在线修整很容易满足要求，尤其在产品试制期，可以很方便的改变对齿顶和齿根的修缘参数进行试验优化，实现最佳修缘效果。

　　五、项目技术路线及成果

　　在研制工作中，课题组紧紧跟踪国内外技术发展趋势，充分考虑我国国情和社会发展的实际需求，走市场调查——分析消化——目标定位——方案设计——关键技术攻关——技术设计——加工配套——安装调试——样机的总体工作路线。

　　结合社会企业目前高精齿轮生产对磨齿机装备需求，充分利用前期相关产品用户对大规格高端数控成形砂轮磨齿机装备的应用经验，解析大规格高端数控成形砂轮磨齿机的内在功能要求，并对国内外同类规格磨齿机进行综合对比分析，在充分吸收其优点的基础上，结合国内市场实际需求情况和功能部件配套情况明确项目目标定位，从而形成符合我国国情的项目总体方案，通过对总体方案进行技术分解，列出项目关键技术，明确技术主攻方向，并以此组成技术攻关小组进行专题攻关。整个研究开发过程有分工有协作，从方案设计——技术设计——加工配套——装配调试——维修维护并行考虑，确保项目高效运行和高成功率。

　　在针对项目主要关键技术进行攻关研究取得突破的基础上，结合市场实际需求，目前样机试制已基本完成，首批3台样机已经全部被订购，其中一台已经交付使用，磨齿工作精度稳定达到4级，部分关键核心指标最高达到2级，用户满意。

　　六、市场预测及推广应用前景

　　本项目在前期充分调查研究的基础上，紧紧跟踪国内外磨齿机行业技术现状与发展趋势，并对我国国情和技术配套能力水平有了较为全面深入了解前提下，通过对机械主机独立自主的研发工作，并充分考虑国产化配套的可能，采用适用的数控系统，进行软件自主二次开发。通过软硬件的优化设计配套，保证磨齿精度稳定达到4级(GB/T10095.1-2001)，部分关键精度指标甚至达到2级，整体水平国内领先，部分技术处于国际先进水平，而价格则远远低于进口同类同挡产品，具有很高的性能价格比。

　　随着研究工作的进一步深入，成果技术的不断完善提升与后续产业化进程的加速实施，本项目目标产品的性能价格比将进一步提高，从而使得国内成形磨齿工艺的普及成为可能，界时将全面装备我国风电、船泊、矿机、汽车、军工等行业齿轮加工企业，推动制造业的技术进步。就我国风电、船泊、矿机、汽车、军工等行业而言，就有相当大的市场容量，因此市场前景十分乐观，后续经济效益和社会效益将十分显著。