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从GENESIS 130H谈第四代数控滚齿机的发展

从GENESIS 130H谈第四代数控滚齿机的发展 2011年12月03日 来源： 早在公元前400年，中国已开始使用手工修锉成形的齿轮。1540年，意大利的J.托里亚诺在制造钟表时制成一台使用旋转锉刀的切齿装置。1835年，英国的J.B.惠特沃思获得蜗轮滚齿机的专利。1858年，C.席勒取得圆柱齿轮滚齿机的专利。以后几经改进，直至1897年德国人H.Pfauter制成带差动机构的滚齿机，才圆满解决了加工斜齿轮的问题。20世纪初，由于齿轮需求量迅速发展，特别是为了满足汽车工业的生产需要，又先后出现了插齿机、刨齿机、铣齿机、磨齿机、剃齿机和珩齿机。经过半个世纪的发展，形成了滚、插、剃、珩、磨的齿轮加工基础。在当前的齿轮制造业中，各家公司的齿轮加工工艺大致相同。汽车齿轮大多数采用滚齿－剃齿－热处理－珩齿工艺，少数企业和部分轿车企业采用滚齿－热处理－磨齿工艺，而重载齿轮传动业则普遍采用滚齿－热处理－磨齿工艺。滚齿在汽车齿轮加工方面占据了70% 以上的份额，可见滚齿在齿轮加工领域的作用不可替代。随着时代发展，各公司对滚齿机的效率和质量要求越来越高，有些用户要求CPK≥1.67以及fα、fβ、Fp达DIN 6级标准。另外，高可靠性和高数字化程度也是各公司的重点考虑范围。目前，滚齿机一般有粗、精加工两种，粗加工精度低于8级，一般精加工为7～6级，高精度精加工则高于6级。滚齿机技术的发展滚齿机制造技术的发展可划分为机械式滚齿机和数控滚齿机两个阶段。传统的机械传动式滚齿机，其特征为各主轴采用机械式的传动形式，包括差动、分齿、工件轴、滚刀轴和进给等。由于传动链固有的理论误差和安装间隙，造成速度很慢，精度很低。工作时，滚刀装在滚刀主轴上，由主电动机通过齿轮副和蜗轮副驱动作旋转运动；刀架可沿立柱导轧垂直移动，还可绕水平轴线调整一个角度。工件装在工件轴上，由分度蜗轮副带动旋转，与滚刀的运动一起构成展成运动。滚切斜齿时，差动机构使工件作相应的附加转动。工作台(或立柱)可沿床身导轨移动，以适应不同工件直径和作径向进给。

在CIMT 2007上展出的GENESIStm 130H数控滚齿机

随着数控技术的发展，出现了1～3个轴数控化的滚齿机，其中的一部分轴采用伺服电机数字化控制。直到20世纪80年代，世界上才出现真正意义上的六轴数控滚齿机。在过去的20年中，数控滚齿机的发展可以划分为4代。第一代数控滚齿机的工件轴和滚刀轴等采用传统的蜗杆蜗轮副传动，速度依然较低，但精度有所提高。随着刀具技术的发展，切削线速度有了很大的提高，原来的滚齿机已不能满足刀具的高速切削要求，于是更快的第二代数控滚齿机诞生。其工件轴和滚刀轴采用齿轮副传动，速度有很大的提高。格里森凤凰牌125GH是第二代数控滚齿机的代表。

GENESIStm 130H的人造大理石床身

第三代数控滚齿机于90年代末期出现，它与世界上两大齿轮装备巨头的合并不无干系。差动机构滚齿机发明人H.Pfaute创办了PFAUTER公司，100多年来，PFAUTER公司不断探索，使滚齿机制造技术始终处于世界领先地位。1997年，世界著名锥齿轮制造商——美国格里森公司成功收购德国PFAUTER公司。通过技术的强强联手，第三代数控滚齿机GP系列诞生。其以全直驱技术的利用为特征，工件轴和滚刀轴的直接驱动实现了真正意义的全闭环控制。直驱技术的使用，保证了高速度；电子齿轮箱和机械间隙的数控补偿，保证了高精度。这时，数控滚齿机似乎进入顶峰。作为齿轮技术和装备的领导者，近10年间，基于多年的齿轮机床制造经验以及不断的创新意识，格里森公司又开发出第四代滚齿机GENESIStm 130H，这也是当今世界上唯一的第四代数控滚齿机。GENESIStm 130H采用“三合一”的人造大理石床身，只有在高精度磨床上才使用的床身被应用于粗加工机床，可见粗加工对于后续工序的进行影响很大。同时，GENESIStm 130H还应用了快速上下料机构、干切技术、快换夹具、人性化的人机界面、安全集成模块等最新技术。数控滚齿机朝着超高速、超精度、超可靠性、超数字化方向发展。第四代数控滚齿机——GENESIStm 130H格里森 GENESIStm 130H 立式滚齿机具备突破性的新设计，可以优化干切程序，显著减少占地面积，大大改善节拍时间。床身采用先进的人造大理石的整体性框形结构，将传统的床身和机床立柱、尾架立柱铸造为一体，两立柱上部用横杆共同组成整体框架。采用人造大理石的优点在于，它不会因为时间的推移、温度的变化而降低精度。另外，它比常规铸铁床身的制成速度更快、更精确，具有更高的刚度。这既保证了优越的减振效果和热稳定性，也保证了更小、更紧凑的机床占地面积，只有7m2，使用户只需叉车就可以安装和搬迁机床。机床具备湿切和干切功能。工作区域与机床结构完全隔绝，使由于与热铁屑接触而产生的热扩散减到最低。它的不锈钢内罩有个陡坡，便于铁屑快速转移。该机装备了创新性的、由机械凸轮驱动的、与机床一体化的双抓爪装载器，降低了非生产时间，零件装/卸载时间仅需2～3s。GENESIStm 130H运用新的、即将获得专利的滚刀驱动系统来取代复杂的机械和液压夹紧系统，使主轴能传送更多扭矩，同时较小的跳动改善了工具寿命。机床备有伺服电机直接驱动工件轴和滚刀轴，运转可靠；速度与扭矩调整范围更大，滚刀轴转速可达4000r/min，工件轴可达1000r/min；为高速的硬质合金滚刀等高速滚刀使用提供了广阔的空间，减少了节拍时间，增加了整体生产力。整体的气动、润滑和液压模块，可选择的倒角和去毛刺功能，最新的WINDOWS XP环境里运行的GLEASON软件，无不包含着先进的技术气息。夹具快换装置的设计和使用，可以在10～15min内完成产品的更换。除此之外，机床还使用了西门子840D系统最新集成安全模块，在可靠性上又有大幅的提高。数控装置的MTBF值远超过6000h，伺服系统的MTBF值远超过30000h，表现出非常高的可靠性。2007年4月，中国本土生产的第一台带有人造大理石床身、高速主轴直驱的滚齿机正式问世。这台滚齿机经过严格测试，各项精度指标和性能完全满足格里森美国和德国标准，标志着中国齿轮机床的制造技术从此跨入了一个崭新的高度。格里森公司首先在中国投产的就是当今世界最先进的数控滚齿机GENESIStm 130H。机床采用西门子840D数控系统，具有7个数控轴（X轴是径向轴，Y轴是切向轴，Z轴是轴向轴，A是刀架旋转轴，B是滚刀主轴，C是工件轴，Z2是尾架轴），其中，4个为联动轴（X、Z、B和C）；采用干切技术，高速钢滚刀切削；转速达955r/min，线速度达180m/min，完成单件全部（包括上下料）过程仅需19s；精度高于DIN Class 7；用于精密加工时可达到DIN Class 5甚至更高，真正达到高精度、高速度。如表1所示，GENESIStm 130H的加工效率是普通数控滚齿机的3.5倍多，大大节约了加工时间，提高了切削效率。

滚齿技术的未来发展方向效率是效益的最根本因素，质量是产品的生命之源，更快、更精是滚齿机永恒的发展方向。在科学技术的进步和市场需求的引导下，未来，机床还会朝以下几个方向继续发展。首先，新型刀具材料的出现，如陶瓷、金属陶瓷、氮化硅陶瓷、PCBN、PCD等刀具材料，为高速切削提供了广阔的空间，为提高切削效率也提供了基础，朝着更高的速度发展。其次，用于高精密机床的材料和技术在滚齿机上的应用，滚齿技术将朝着更精密的方向发展。再次，数控进一步智能化，内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如：加工过程的自适应控制、工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如：前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载、自动选定模型等；简化编程、简化操作方面的智能化，如：智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有，智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。滚齿机正朝着复合功能的方向迈进，随着数控技术、软件技术、信息技术、可靠性技术的发展，实现构件简约化、结构紧凑化、配置模块化。复合功能滚齿机既会根据用户的加工要求向多样化发展，也会为适合于多品种、单件和小批量生产条件向全功能性发展。而在其他方面，随着全球对环境和安全要求的不断提高，安全无污染的设备也是市场的未来目标。

GENESIStm 130H具有7个数控轴

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