汽車齒輪綠色智能加工關(guān)鍵技術(shù)與裝備
2018-12-3 來源：重慶機床（集團）有限責(zé)任公司 作者：李先廣 楊勇 張自凱
摘要：成功研制的智能化滾齒機、高速干切機床、自動生產(chǎn)線及數(shù)控萬能磨齒機等齒輪加工關(guān)鍵裝備實現(xiàn)了無切削液綠色環(huán)保、高速高效、自動及智能化齒輪加工，提高了齒輪加工質(zhì)量與精度，降低了生產(chǎn)車間環(huán)境污染，縮短了生產(chǎn)周期，為企業(yè)節(jié)約了生產(chǎn)成本。
隨著全球經(jīng)濟持續(xù)低迷，乘用車與商用車市場需求量也逐漸處于下滑趨勢，需要去庫存，提高可靠性、穩(wěn)定性及舒適性等問題，故車用發(fā)動機、變速器、主減速器及差
速器對齒輪質(zhì)量、精度及加工效率提出了更高要求。因此，為了滿足乘用車與商用車齒輪的要求，作為現(xiàn)代裝備制造業(yè)工作母機的齒輪加工數(shù)控機床，不僅需要具備大批量、高速、高效及高精度加工能力，還需開發(fā)出綠色化、自動化及智能化功能模塊與系統(tǒng)。本文主要針對乘用車與商用車齒輪綠色智能加工裝備特點、布局方式及解決方案進行介紹與分析。
一、汽車齒輪加工特點及方式
1.汽車齒輪加工特點
目前，汽車齒輪加工特點主要體現(xiàn)為：一是中、大批量加工，品種相對較少；二是要求加工效率高，單件加工成本低；三是機床穩(wěn)定性與可靠性要高，CP K值高；四是企業(yè)生產(chǎn)車間具有環(huán)境友好（綠色化）型；五是齒輪加工生產(chǎn)線更換品種快捷方便。基于上述特點，乘用車與商用車的發(fā)動機、變速器、主減速器及差速器等關(guān)鍵功能組件對圓柱軸齒輪與盤齒輪、錐齒輪的生產(chǎn)加工（車用齒輪材料與工藝參數(shù)見附表），不僅要求齒輪加工質(zhì)量精度高，加工工藝具有新穎性，而且還對加工機床裝備提出了綠色、智能化要求。
齒輪自動化加工單元
2.汽車齒輪加工方式及布局
乘用車與商用車的發(fā)動機、變速器、主減速器及差速器齒輪加工方式主要為：一是車削→滾齒（包括高速干切滾齒）→倒棱去毛刺→剃齒；二是車削→滾齒（包括高速干
切滾齒）→倒棱去毛刺→熱處理→磨齒。車用齒輪加工生產(chǎn)線布局方式主要有機群式、U形及線型等幾種方式，這類型布局方式均有利于提高批量齒輪加工效率。
二、汽車齒輪加工智能化解決方案
1.智能化滾齒機
為了實現(xiàn)車用齒輪加工的智能化解決方案，在滾齒智能化加工中需要突破與解決相關(guān)的制齒機床及制齒關(guān)鍵技術(shù)，建立相應(yīng)的智能化支持與服務(wù)系統(tǒng)，以提高滾齒機可靠性、自動化與智能化程度，提升齒輪加工效率、質(zhì)量及精度，降低齒輪加工廢品率，縮短生產(chǎn)周期，為用戶節(jié)約企業(yè)生產(chǎn)成本。
（1）制齒機床及制齒的10大關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)包括機床多功能網(wǎng)絡(luò)化智能終端技術(shù)，制齒工藝參數(shù)智能決策支持技術(shù)，機床數(shù)控程序智能編制及仿真技術(shù)，制齒機床誤差
智能補償技術(shù)，制齒機床加工過程在線能效監(jiān)測與節(jié)能運行技術(shù)，制齒機床運行過程故障監(jiān)測與遠(yuǎn)程維修維護技術(shù)，制齒機床加工過程質(zhì)量信息提取與監(jiān)控技術(shù)，制齒機床刀具、夾具及工件智能管理技術(shù)，制齒機床加工過程刀具狀態(tài)自動檢測與換刀優(yōu)化技術(shù)，制齒機床加工過程生產(chǎn)進度信息自動提取技術(shù)。
（2）制齒機床及智能化制齒支持與服務(wù)系統(tǒng)的建立。
1）生產(chǎn)任務(wù)管理系統(tǒng)。包括已分配任務(wù)查看、新增任務(wù)、當(dāng)前工序詳情和歷史任務(wù)記錄等。
2）制齒機床工藝參數(shù)智能決策支持系統(tǒng)。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理：對滾齒工藝參數(shù)優(yōu)化決策所需基本數(shù)據(jù)進行集中有效管理，包括滾切次數(shù)、滾切速度、滾切深度、齒輪材
料、滾刀材料及機床基礎(chǔ)等數(shù)據(jù)。工藝參數(shù)優(yōu)化：包括工藝參數(shù)推理決策和工藝參數(shù)經(jīng)驗決策兩部分。還包括滾刀管理、齒輪管理、歷史數(shù)據(jù)管理、滾齒規(guī)則管理等其他功能。
3）制齒機床數(shù)控程序智能編制系統(tǒng)。滾齒程序編制：具有加工齒輪選型、加工刀具自動匹配、竄刀參數(shù)設(shè)定、補償參數(shù)設(shè)定、切削量參數(shù)設(shè)定、輔助控制條件設(shè)定、N C
代碼預(yù)覽、加工路徑檢查與仿真、數(shù)控程序員操作信息記錄等功能，數(shù)控程序員只需完成簡單少量的加工參數(shù)設(shè)置即可生成工件的N C代碼。程序下發(fā)：通過智能終端將已生成數(shù)控程序下發(fā)到滾齒機床，用于齒輪加工。
4）機床刀具、夾具及工件智能管理系統(tǒng)。主要由編碼定義和生成、刀夾具數(shù)據(jù)管理、刀夾具選配和庫存管理幾個方面構(gòu)成。
5）制齒機床加工過程生產(chǎn)進度信息自動提取系統(tǒng)。主要包括基礎(chǔ)設(shè)置、進度監(jiān)控（通過加工啟停信號（從PLC獲取）、能量信息以及質(zhì)量信息多信息融合的方式進行進度采集，并根據(jù)指定質(zhì)檢頻次進行質(zhì)檢提醒）和歷史查詢。
6）機床加工過程質(zhì)量信息提取與監(jiān)控系統(tǒng)。具有質(zhì)量信息采集、質(zhì)量信息動態(tài)顯示和歷史質(zhì)量信息查詢功能。
7）機床加工過程能效監(jiān)測與節(jié)能運行系統(tǒng)。包括功率曲線、能量信息、開機后能效信息的獲取，以及報警配置。
8）運行過程故障監(jiān)測與遠(yuǎn)程維修維護系統(tǒng)。包括故障信息采集、故障申報和遠(yuǎn)程維修維護。
（3）制齒機床智能化的實現(xiàn)。在制齒機床智能化關(guān)鍵技術(shù)研究，以及相關(guān)制齒支持與服務(wù)系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)上，成功實現(xiàn)了滾齒機床的加工智能化，以國內(nèi)重慶機床為代表的自主研發(fā)智能化滾齒機總體上已達到國際先進水平，其智能化主要體現(xiàn)在以下幾方面：
1）機床加工準(zhǔn)備的智能化。機床加工前，能實現(xiàn)不確定變化環(huán)境中自主規(guī)劃工藝參數(shù)、自動編制加工代碼、自動物流、自動匹配工
李先廣（右）重慶機床（集團）有限責(zé)任公司總經(jīng)理、教授級高級工程師重慶大學(xué)客座教授研究方向為數(shù)控齒輪加工機床動力學(xué)、綠色化、智能化裝夾具、預(yù)測制定確定性控制邏輯以實現(xiàn)最佳行為策略能力等準(zhǔn)備功能的軟硬件設(shè)計、制造、測試工作。
2）機床加工執(zhí)行的智能化。機床加工時，能實現(xiàn)自主在機檢測、自適應(yīng)加工代碼生成、自我優(yōu)化加工控制策略、自主在線診斷、遠(yuǎn)程監(jiān)控等執(zhí)行功能的軟硬件設(shè)計、制造、測試工作。
3）機床維修維護的智能化。機床具有自主故障檢測、自主故障修復(fù)、人計機（人、計算機、機器）協(xié)同智能維修維護、遠(yuǎn)程智能維護，以及使其具有自學(xué)習(xí)和共享學(xué)習(xí)各種知識庫能力的軟硬件設(shè)計、制造、測試工作。
2.智能化自動生產(chǎn)線
為了提高車用大批量齒輪加工效率，研究與開發(fā)了多類型汽車齒輪生產(chǎn)裝備集成控制技術(shù)，建立了自動物流方案；并進行了網(wǎng)絡(luò)化現(xiàn)場生產(chǎn)管理與監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)，開展了齒輪加工工藝研究等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。對于不同類型車用齒輪其自動生產(chǎn)線系統(tǒng)的集成與連接方式不同，使得自動生產(chǎn)線中桁架、料倉、機械手集成及關(guān)節(jié)機器人等新技術(shù)與自動加工單元功能件（齒輪自動加工單元是由關(guān)節(jié)機器人、抽檢工位、清潔工位（甩水甩油）、在線檢測工位及堆棧式料倉等組成）的應(yīng)用較為廣泛，且自動加工單元與齒輪加工設(shè)備進行無縫集成組成了高效、自動化、綠色化及智能化的齒輪加工自動生產(chǎn)線。
（1）車用齒輪加工自動生產(chǎn)線工藝流程。
1）汽車變速器齒輪加工自動生產(chǎn)線工藝流程如下圖所示。
汽車變速器齒輪加工自動生產(chǎn)線工藝流程
2）摩托車高速齒輪、汽車發(fā)動機齒輪加工自動生產(chǎn)線工藝流程：滾齒（插齒）→熱處理→磨齒。
3）重載貨車齒輪加工自動生產(chǎn)線工藝流程：滾齒（插齒）→剃齒→熱處理。
4）大型客車齒輪加工自動生產(chǎn)線工藝流程：滾齒（插齒）→熱處理→磨齒。
（2）車用齒輪加工自動生產(chǎn)線組成模塊。車用齒輪加工智能化自動生產(chǎn)線中開發(fā)了智能化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)線高效、柔性運行；生產(chǎn)線由各種模塊與系統(tǒng)組成，主要分為
U形智能化自動加工島與線型智能化自動生產(chǎn)線，能有效提高齒輪加工過程管控能力，實現(xiàn)生產(chǎn)效率、設(shè)備利用率和產(chǎn)品質(zhì)量水平綜合提升。
智能化自動生產(chǎn)線模塊與系統(tǒng)具備以下功能：生產(chǎn)任務(wù)管理與動態(tài)生產(chǎn)調(diào)度；生產(chǎn)進度信息提取與進度監(jiān)控；數(shù)控編程與工藝參數(shù)優(yōu)化支持；質(zhì)量信息采集與分析監(jiān)控；生產(chǎn)線裝備運行狀態(tài)監(jiān)控；齒輪加工自動生產(chǎn)線與企業(yè)信息化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化集成運行。
實際研發(fā)與生產(chǎn)過程中，可根據(jù)用戶工藝路線，選取上述模塊，優(yōu)化工藝流程，形成貼合用戶要求的智能化齒輪加工自動生產(chǎn)線。智能化生產(chǎn)線可實現(xiàn)高速干切滾齒和干切倒棱，杜絕齒輪加工中冷卻油污染，綠色環(huán)保；還實現(xiàn)了工件自動裝夾、工件全自動上下料、工序間自動轉(zhuǎn)換等高效自動化加工，降低了勞動強度，提高了生產(chǎn)效率和可靠性。成功開發(fā)的智能化生產(chǎn)線得到產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用，且整體技術(shù)水平達到國際先進水平，填補了國內(nèi)空白。
通過用戶實際使用，與傳統(tǒng)生產(chǎn)模式相比，智能化自動線生產(chǎn)模式可有效減少人數(shù)，降低成本，提高生產(chǎn)和管理效率，便于實施精益生產(chǎn)。同時，可減少人為因素影響，保證了齒輪加工精度與質(zhì)量的穩(wěn)定性。
3.數(shù)控精密高效磨齒機
重慶機床集團與英國PTG公司強強聯(lián)合，嚴(yán)格按照國內(nèi)機床標(biāo)準(zhǔn)和歐洲精密機床標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)出多功能數(shù)控精密高效磨齒機，在結(jié)構(gòu)布局上采用經(jīng)典立式結(jié)構(gòu)，工作臺固定，大立柱移動實現(xiàn)徑向進給，各軸獨立驅(qū)動。并且機床配置自動化上下料裝置，4臺機床只需一個操作工，大大節(jié)約人力成本。并且數(shù)控磨齒機床實現(xiàn)了全過程質(zhì)量控制及機床測試、驗證，保證了高品質(zhì)的機床質(zhì)量。數(shù)控精密高效磨齒機主要特點如下：
（1）高品質(zhì)的機床質(zhì)量。嚴(yán)格按照國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和歐洲精密機床標(biāo)準(zhǔn)進行全過程質(zhì)量控制及機床測試、驗證，保證了高品質(zhì)機床質(zhì)量。
（2）直驅(qū)技術(shù)應(yīng)用。砂輪主軸采用電主軸直驅(qū)，使砂輪主軸轉(zhuǎn)速可達10 000r/min，工件主軸采用內(nèi)裝主軸電動機定子、轉(zhuǎn)子直驅(qū)。
（3）功能強大的磨削軟件。實現(xiàn)人機對話、齒輪計算、齒輪數(shù)據(jù)庫管理及維護、齒輪磨削及砂輪修整程序自動生成、各種磨削方式選擇、齒形齒向修形等。
（4）全自動控制。機床通過控制系統(tǒng)多通道控制平臺，實現(xiàn)工件自動裝夾、砂輪修整、高速自動對刀、AE自動磨削工藝監(jiān)控、自動分配磨削余量、自動磨削等整個加
工過程全自動控制。
（5）高生產(chǎn)效率。磨削速度可達80m/s高速及全自動磨削，使生產(chǎn)效率與世界頂級磨齒機相當(dāng)。
（6）頂級加工質(zhì)量。通過剛性極強設(shè)計、精度極高制造、嚴(yán)格質(zhì)量控制，保證了頂級質(zhì)量磨削。數(shù)控萬能磨齒機的全自動智能化控制，操作者只需輸入相關(guān)參數(shù)，機床自動計算并執(zhí)行。機床各項誤差，控制系統(tǒng)可根據(jù)傳感器的監(jiān)測信號實時補償。通過以上描述可知，該系列數(shù)控萬能磨齒機整機技術(shù)性能達到國際先進水平。
結(jié)語
通過以上對乘用與商用車齒輪綠色智能加工裝備特點、布局方式及解決方案的介紹與分析，得出以下結(jié)論：
（1）乘用車與商用車齒輪實現(xiàn)了無切削液綠色環(huán)保、高效、高速干切滾齒加工，提高了齒輪加工效率，消除了油霧污染，減少了生產(chǎn)環(huán)境對操作者身心健康的影響。
（2）汽車齒輪加工裝備開發(fā)出功能各異智能化模塊與系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了加工準(zhǔn)備、執(zhí)行及維修維護等方面智能化功能，減輕了機床操作者勞動強度，縮短了加工準(zhǔn)備時間，提高了機床加工精度、質(zhì)量及可靠性，減小了機床維修維護響應(yīng)時間。
（3）汽車齒輪加工自動生產(chǎn)線集成了控制、物流、生產(chǎn)現(xiàn)場管理、各種工藝流程及監(jiān)控等系統(tǒng)與模塊，實現(xiàn)了齒輪工件自動裝夾、工件全自動上下料、工序間自動轉(zhuǎn)換等高效自動化加工，優(yōu)化了加工工藝，降低了勞動強度，提高了生產(chǎn)效率和可靠性，減少了加工廢品率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。
（4）汽車齒輪自動生產(chǎn)線實現(xiàn)了高速干切滾齒和干切倒棱綠色環(huán)保加工，消除了齒輪加工中冷卻油污染，解決了車用齒輪大批量、高效加工等問題。
（5）數(shù)控萬能磨齒機采用直驅(qū)技術(shù)，提高了砂輪主軸轉(zhuǎn)速與生產(chǎn)效率，而且開發(fā)的磨削軟件實現(xiàn)了人機對話、齒輪計算、齒輪數(shù)據(jù)庫管理及維護、齒輪磨削及砂輪修整程序自動生成、各種磨削方式選擇、齒形齒向修形等智能化功能。
（6）開發(fā)具有全自動控制功能模塊與平臺的數(shù)控萬能磨齒機，實現(xiàn)了工件自動裝夾、砂輪修整、高速自動對刀、AE自動磨削工藝監(jiān)控、自動分配磨削余量、自動磨削及實時補償?shù)燃庸み^程智能化功能。
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