YKA2260全數(shù)控螺旋錐齒輪銑齒機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用
2021-1-15 來源：- 作者：-
一、概述
驅(qū)動(dòng)橋是輕型車、微型車、重型卡車、大型客車及工程機(jī)械的關(guān)鍵部件，直接為車輛提供驅(qū)動(dòng)力。螺旋錐齒輪是驅(qū)動(dòng)橋的核心零件，影響驅(qū)動(dòng)橋的工作性能，進(jìn)而影響整車動(dòng)力性能。隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)高效、高精度螺旋錐齒輪的加工生產(chǎn)裝備及成套技術(shù)的需求越來越大，對(duì)低成本、無污染等加工要求也越來越高。能否高效率、高精度地加工螺旋錐齒輪，決定了汽車產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與市場(chǎng)地位。
目前，國際汽車驅(qū)動(dòng)橋螺旋齒輪制造行業(yè)普遍采用高檔數(shù)控機(jī)床干切加工，具有高效率、高精度、低成本、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。而國內(nèi)絕大部分的螺旋齒輪加工依然是用機(jī)械式機(jī)床濕切加工，具有成本高、污染高、精度低等缺點(diǎn)。
我國亟需的車用螺旋錐齒輪干切生產(chǎn)線大多從Klingelnberg或Gleason引進(jìn)，耗費(fèi)巨額外匯，而且造成我國汽車工業(yè)的發(fā)展受制于發(fā)達(dá)國家的技術(shù)壟斷。但2012年全數(shù)控螺旋錐齒輪銑齒機(jī)YKA2260在湖南中大創(chuàng)遠(yuǎn)成功下線，標(biāo)志著錐齒輪干切設(shè)備實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。
到目前為止，YKA2260機(jī)型已經(jīng)發(fā)展到第三代產(chǎn)品，客戶遍布大江南北，湖南中大創(chuàng)遠(yuǎn)數(shù)控裝備有限公司也成為了國內(nèi)螺旋錐齒輪設(shè)備制造的佼佼者。美國Gleason、德國Klingelnberg和中大創(chuàng)遠(yuǎn)產(chǎn)品的主要加工范圍如表1所示。
中大創(chuàng)遠(yuǎn)從成立之初就特別注重技術(shù)的研發(fā)，自主研發(fā)的螺旋錐齒輪銑齒機(jī)、磨齒機(jī)、磨刀機(jī)、裝刀機(jī)、研齒機(jī)、檢查機(jī)、齒輪檢測(cè)中心等已在眾多國內(nèi)汽車領(lǐng)域企業(yè)應(yīng)用。YKA2260全數(shù)控螺旋錐齒輪銑齒機(jī)（見圖1）擁有多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，是公司自主研發(fā)制造的成果，應(yīng)用了多項(xiàng)發(fā)明專利和軟件著作權(quán)，主要技術(shù)指標(biāo)保持國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平。該機(jī)床的研制成功，不僅提升了我國此類數(shù)控高端裝備的水平，也打破了國外的壟斷和封鎖，為企業(yè)開拓了新的產(chǎn)品市場(chǎng)，同時(shí)取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
圖1 YKA2260全數(shù)控螺旋錐齒輪銑齒機(jī)
二、產(chǎn)品性能介紹
YKA2260是六軸六聯(lián)動(dòng)干、濕切兩用全功能型機(jī)床，可高剛度、高精度、高效率加工延伸外擺線等高齒和圓弧收縮齒等各種螺旋錐齒輪和準(zhǔn)雙曲面齒輪，其軸系布局如圖2所示。
在機(jī)床正常加工條件下，銑齒精度達(dá)到GB11365-89錐齒輪和準(zhǔn)雙曲面齒輪精度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5級(jí)精度，齒面粗糙度達(dá)到Ra1.6μm。
圖2 YKA2260軸系布局圖
X:水平左右直線軸 Y:水平前后直線軸Z:垂直上下直線軸
A:工件主軸 B:回轉(zhuǎn)臺(tái)主軸 C:刀具主軸
技術(shù)特點(diǎn)如下：
（1）立式結(jié)構(gòu)；（2）刀具主軸、工件主軸采用大扭矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)；（3）采用自主設(shè)計(jì)開發(fā)的干切刀盤；（4）機(jī)床具備銑削延伸外擺線等高齒和圓弧收縮齒齒制的螺旋錐齒輪加工功能；（5）高速干切功能；（6）6軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，采用西門子840D SL數(shù)控系統(tǒng)；（7）配備集成在840D SL數(shù)控系統(tǒng)中的螺旋錐齒輪HCS加工控制軟件；（8）機(jī)床采用全閉環(huán)控制模式，所有直線軸配備高精密直線光柵，所有旋轉(zhuǎn)軸配備高精密角度編碼器；（9）機(jī)床配備自動(dòng)開關(guān)門功能；（10）占地面積小；（11）尤其適用于乘用車和商用車螺旋錐齒輪的量產(chǎn)加工；（12）刀盤裝卸便捷；（13）銑削速度可無極調(diào)整；（14）機(jī)床采用碟簧夾緊液壓放松的夾具系統(tǒng)，并配備有夾緊檢測(cè)功能；（15）機(jī)床具備自動(dòng)對(duì)刀及銑削余量分配功能；（16）幫助系統(tǒng)的故障提示；（17）機(jī)床配備全面安全保護(hù)（含緊急回退、斷電回退、功率保護(hù)、溫度保護(hù)等）；（18）配備自動(dòng)上下料系統(tǒng)，可在無人值守下實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)加工。
主要技術(shù)參數(shù)見表2。
三、新技術(shù)應(yīng)用情況
1. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于高速干切的切削量大、刀具線速度快，且不再使用切削液冷卻，故要求機(jī)床具有高的靜剛度、動(dòng)剛度和熱剛度。機(jī)床不積鐵屑，且排屑速度快，能迅速將高溫鐵屑排出機(jī)床。YKA2260加工精度高，齒面質(zhì)量好，是因?yàn)槠渚哂懈叩膭?dòng)態(tài)精度、主軸配備有熱補(bǔ)償功能。此外機(jī)床還具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）小龍門結(jié)構(gòu)，具有高剛度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)床總精度不易受干擾等優(yōu)點(diǎn)；（2）兩個(gè)主軸懸空，在加工空間下方?jīng)]有任何元件，切屑直接掉入排屑器快速排出，減少機(jī)床立柱的熱變形；（3）為了控制齒面誤差，機(jī)床必須具有高動(dòng)態(tài)性能，YKA2260工件主軸與刀具主軸都采用大扭矩電機(jī)直驅(qū)結(jié)構(gòu)，且每根軸都配有海德漢高精密光柵反饋實(shí)時(shí)位置，西門子840DSL數(shù)控系統(tǒng)閉環(huán)控制；（4）零距離上下料，更換刀具方便；（5）加工點(diǎn)易觀察。
2. 機(jī)床熱平衡設(shè)計(jì)技術(shù)的研究與應(yīng)用
在機(jī)床設(shè)計(jì)階段，減少熱源的發(fā)熱，加強(qiáng)系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)，基于機(jī)床熱特性優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行理論評(píng)價(jià)，達(dá)到減小機(jī)床熱誤差的設(shè)計(jì)目標(biāo)；在機(jī)床制造與使用階段，對(duì)系統(tǒng)的熱誤差進(jìn)行補(bǔ)償。
機(jī)床熱平衡設(shè)計(jì)技術(shù)路線的可行性與具體實(shí)施方案：
（1）減少主軸系統(tǒng)發(fā)熱技術(shù)研究：主要措施有盡量減少中間的傳動(dòng)環(huán)節(jié)，把傳動(dòng)鏈的長度盡量縮短，直接采用內(nèi)置電機(jī)的電主軸，把傳動(dòng)鏈的長度縮短到零，為了降低電機(jī)的發(fā)熱量，采用永磁式主軸電機(jī)，與感應(yīng)式電機(jī)比較，永磁式電機(jī)的轉(zhuǎn)子不發(fā)熱，從而使主軸的溫升大大降低，同時(shí)，對(duì)永磁電機(jī)采用恒溫水冷方式，以確保電機(jī)的溫度不會(huì)因?yàn)樨?fù)載的變化而變化。
（2）合理的潤滑方式研究：試驗(yàn)表明，使用油汽潤滑的軸承溫升可比使用脂潤滑時(shí)降低5-8℃，比油霧潤滑降低9-16℃。同時(shí)保證電機(jī)冷卻水流量，保持電機(jī)溫度恒定，適當(dāng)加大主軸軸部氣密封壓縮空氣流量，實(shí)現(xiàn)主軸的溫度穩(wěn)定。
（3）系統(tǒng)的熱誤差補(bǔ)償技術(shù)研究：通過溫度和位移傳感器對(duì)機(jī)床兩主軸進(jìn)行實(shí)時(shí)采集溫度和熱位移相關(guān)數(shù)據(jù)，建立機(jī)床的熱誤差模型。按熱誤差模型對(duì)誤差進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后將預(yù)測(cè)的補(bǔ)償值輸入數(shù)控系統(tǒng)，執(zhí)行相應(yīng)的補(bǔ)償。主軸端的溫度傳感器全時(shí)檢測(cè)主軸端的溫度變化，通過機(jī)床的CNC系統(tǒng)給工件或刀具一個(gè)相應(yīng)方向的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，以抵消主軸熱位移所造成的加工誤差。熱誤差補(bǔ)償圖如圖3所示。
圖 3
（4）切削熱隔離：高速干式切削加工會(huì)在加工瞬間產(chǎn)生大量熱量，這些熱量主要集中在切屑中，過熱的高溫鐵屑的聚集會(huì)破壞機(jī)床的熱穩(wěn)定性，如不及時(shí)將帶有熱量的鐵屑從機(jī)床的主體結(jié)構(gòu)中排出，會(huì)使機(jī)床產(chǎn)生熱變形，影響加工精度，降低工件表面質(zhì)量。在設(shè)計(jì)中，采用單獨(dú)的排屑系統(tǒng)，與機(jī)床主體部件完全隔離，阻止切削熱的傳導(dǎo)，并保證切屑在飛濺的過程中盡快落入排屑機(jī)中，迅速排出。
3. 力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸的高剛性及抗干擾研究
該機(jī)床刀具主軸、工件主軸均采用大扭矩力矩電機(jī)直驅(qū)結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上避免了因傳動(dòng)鏈帶來的運(yùn)動(dòng)誤差及精度損失；基于該直驅(qū)結(jié)構(gòu)的控制需求，對(duì)力矩電機(jī)輸出的速度平穩(wěn)性、定位精度、抗干擾能力、熱負(fù)載特性等指標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)苛刻的約束。
（1）力矩電機(jī)調(diào)速與定位精度研究：采用高精度測(cè)量反饋系統(tǒng)與主軸直連，從而把測(cè)量反饋系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、力矩電機(jī)、機(jī)床主軸、整個(gè)主軸系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)全閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，這樣做的主要目的是：實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制的穩(wěn)定輸出，實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制的精準(zhǔn)輸出。
（2）力矩電機(jī)應(yīng)用過程中的熱保護(hù)技術(shù)：力矩電機(jī)主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于切削負(fù)載的影響，電機(jī)繞組會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。為保證電機(jī)的熱負(fù)載特性輸出，在電機(jī)定子外圈設(shè)計(jì)水冷回路，保證了電機(jī)繞組在穩(wěn)定的溫度下工作。同時(shí)，力矩電機(jī)定子繞組中嵌入有多種溫度傳感器，PTC傳感器主要用來保護(hù)電機(jī)瞬間升溫，而KTY傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)當(dāng)前溫度。
（3）力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)床主軸的應(yīng)用方案研究與試驗(yàn)驗(yàn)證：在整機(jī)伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)中，每一個(gè)環(huán)節(jié)的性能都決定著整個(gè)系統(tǒng)的精度；針對(duì)干切削運(yùn)動(dòng)合成的復(fù)雜性，運(yùn)動(dòng)的高精度與響應(yīng)的高速性需求，選用高性能、開放性能友好的西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)。反饋回路采用高精度光柵與主軸直連，有效減少反饋回路誤差。機(jī)床實(shí)際加工能力證明，這套力矩電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)具有極高的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和較高的定位精度。
（4）力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸的高剛性及抗干擾能力研究：在切削過程中，干切機(jī)床主軸受切削沖擊最大；保證兩個(gè)主軸的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)是核心，一方面，力矩電機(jī)的扭矩足夠克服切削力矩干擾；另一方面，伺服控制系統(tǒng)需要有極高的控制剛性、極快的響應(yīng)時(shí)間。該機(jī)型伺服控制系統(tǒng)，電流控制環(huán)、速度控制環(huán)、位置控制環(huán)分別約束力矩電機(jī)主軸，使整機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)具備極高的伺服增益系數(shù)，極低的系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間。這樣在切削過程中產(chǎn)生的力矩干擾能被系統(tǒng)很快抑制，保證切削過程的穩(wěn)定，確保加工產(chǎn)品的表面質(zhì)量。
4. 干切計(jì)算軟件及其應(yīng)用
通過對(duì)擺線等高齒切齒計(jì)算原理的深入研究，完成了等高齒計(jì)算設(shè)計(jì)分析軟件。該軟件主要涵蓋了以下幾個(gè)主要模塊：齒坯計(jì)算及強(qiáng)度分析、調(diào)整卡計(jì)算、刀具設(shè)計(jì)與分析、基于Ease-Off的接觸區(qū)調(diào)整、輪齒數(shù)據(jù)計(jì)算和分析、齒面誤差反調(diào)、含輸入輸出接口的專家系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。具體包含：不同標(biāo)準(zhǔn)的齒坯設(shè)計(jì)、基于多檔位的強(qiáng)度譜計(jì)算分析、適用于不同機(jī)床的多種類型的加工參數(shù)轉(zhuǎn)換、刀具形狀及副刃和凸臺(tái)干涉分析、共刀設(shè)計(jì)及分析、給定齒面點(diǎn)與給定安裝誤差的TCA分析、含齒深和齒厚補(bǔ)償功能的基于Ease-Off或目標(biāo)Ease-Off的不同安裝誤差下的大輪或小輪參數(shù)的接觸區(qū)調(diào)整、齒頂厚度、齒廓形狀、運(yùn)動(dòng)側(cè)隙和頂隙分布、根切分析以及基于理論或標(biāo)準(zhǔn)齒面的齒面誤差反調(diào)等。
通過在公司齒輪實(shí)驗(yàn)室以及客戶地的各種類型的開發(fā)加工應(yīng)用表明，計(jì)算軟件已經(jīng)完全可以滿足螺旋錐齒輪擺線齒的設(shè)計(jì)計(jì)算和加工應(yīng)用，是一款成熟實(shí)用的針對(duì)螺旋錐齒輪加工的含設(shè)計(jì)、計(jì)算和分析等功能的專用軟件。
下面以457-1037中橋產(chǎn)品為例，用計(jì)算軟件進(jìn)行齒輪設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出需要的接觸區(qū)形狀和位置，圖4和圖5為理論的接觸區(qū)和EaseOff，表3為齒輪基本參數(shù)。
圖4 設(shè)計(jì)接觸區(qū)
圖5 設(shè)計(jì)EaseOff
齒輪設(shè)計(jì)完成后，將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，銑齒機(jī)YKA2260讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行銑齒加工，并在測(cè)量中心Z5上檢測(cè)反調(diào)，并將反調(diào)參數(shù)傳輸?shù)姐婟X機(jī)上再次銑齒，直到齒面誤差達(dá)到要求。產(chǎn)品切齒合格后的齒面實(shí)際接觸區(qū)如圖6所示。
圖6 切齒接觸區(qū)
四、成果應(yīng)用及推廣情況
YKA226全數(shù)控螺旋錐齒輪銑齒機(jī)在眾多企事業(yè)單位得到廣泛應(yīng)用（見圖7），加工產(chǎn)品精度、加工效率均媲美等同類進(jìn)口機(jī)床，可替代進(jìn)口。
圖7
YKA2260全數(shù)控螺旋錐齒輪銑齒機(jī)的研制成功，擺脫了傳統(tǒng)的“黑、濕、油”狀況，改善了我國制造業(yè)加工環(huán)境，對(duì)于提高錐齒輪相關(guān)行業(yè)的關(guān)鍵零部件國產(chǎn)化，提高國內(nèi)自主配套能力等均有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，對(duì)加強(qiáng)我國高精密等技術(shù)產(chǎn)品有十分重要的戰(zhàn)略意義。
來源： 湖南中大創(chuàng)遠(yuǎn)數(shù)控裝備有限公司 責(zé)編：梅峰）
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