螺旋锥齿轮加工机床发展综述.pdf

2 0 1 2年 4月 第 4 0卷 第 8 期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAULI CS Ap r ．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 8 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 8 ． 0 5 7 螺旋锥齿轮加工机床发展综述 李强 ，宿宝龙 ，闰洪波 ，王瑞清 1 ．内蒙古科技 大学机械工程 学院，内蒙古包头 0 1 4 0 1 0 ； 2 ．包头轻工职业技术学院机 电工程 系，内蒙古包头 0 1 4 0 3 5 摘要总结了螺旋锥齿轮加工机床由机械摇台式到全数控式的演变历史，重点关注新技术、薪理论在机床变革中的应 用，同时介绍了锥齿轮加工机床的现状，并展望了该类机床的发展方向。 关键词螺旋锥齿轮；传统摇台型铣齿机床；数控铣齿机床 中图分类号T H1 3 2 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 81 6 43 Th e Hi s t o r y，Pr e s e nt S t a t us a nd Pr o s pe c t o f Sp i r a l Be v e l a n d Hy po i d Ge a r Cu t t i ng M a c h i n e s L I Q i a n g 。 ，S u B a o l o n g ， Y A N H o n g b o ，WA N G R u i q i n g 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，I n n e r Mo n g o l i a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Ba o t o u I n n e r Mo n g o l i a 01 4 01 0，Chi n a； 2 ． B a o t o u L i g h t I n d u s t r y V o c a t i o n a l T e c h n i c a l C o l l e g e ，B a o t o u I n n e r Mo n g o l i a 0 1 4 0 3 5 ，C h i n a Ab s t r a c t F o c u s i n g o n t h e n e w t e c h n o l o g i e s a n d t h e o r y a p p l i e d t o t h e r e f o r m o f ma c h i n e s ，the u p d a t i n g h i s t o r y a n d p r e s e n t s t a t u s o f s p i r a l b e v e l a n d h y p o i d g e a r c u t t i n g ma c h i n e s w e r e p r e s e n t e d ． T h e f u t u r e r e s e a r c h fi e l d a n d d i r e c t i o n we r e p o i n t e d o u t ． Ke y wo r d s S p i r a l b e v e l a n d h y p o i d g e ar c u t t i n g ma c h i n e ；T r a d i t i o n a l c r a d l e mi l l i n g ma c h i n e；N u me r i c a l c o n t r o l mi l l i n g ma c h i n e 伴随着锥齿轮加工制造技术的发展与成熟，螺旋 锥齿轮加工机床已有近百年的历史。最近二十年来 ， 数控与信息化技术的应用使螺旋锥齿轮加工机床在结 构上和性能发生了根本性的改变 ，研究和实践的重点 也从传统摇台式机床逐渐转向全功能的数控机床，并 产生 了一些新 的理论 和技术 。 1 螺旋锥齿轮加工机床的历史 1 ． 1 传统 机械 式加 工机床 螺旋锥齿轮的概念早在 1 8 2 0年就被提出，但 由 于缺乏可行的加工理论和机床，螺旋锥齿轮只停留在 理 论 模 型 的 阶 段。 直 到 1 9 1 0 年 ，德 国 人 P a u l B O T Y C H E R首次提出采用铣 刀盘加 工螺旋 锥齿轮 的技 术 ，并加工出了一对完全共轭的等高齿螺旋锥齿轮。 1 9 1 3年 ，美 国格 里森 公 司 G l e a s o n Wo r k s 的 J a m e s G L E A S O N设 计 出了 首 台螺旋 锥 齿轮 端 面切 削 机床。1 9 1 9年，该公司获得了 P a u l B O T F C H E R的专 利技术，对锥齿轮的结构及加工机床进行了史无前例 的研究和创新，E r n e s t WI L D H A B E R为格里森锥齿轮 引入了渐缩 齿 的 概 念 图 1 a 、 b 。格 里 森 N o ． 1 6型机床是这个时期加工螺旋锥齿轮的代表性机 床 。 a 渐缩 齿 b 等高 齿 图 1 渐缩齿与等高齿锥齿轮示意图 2 0世纪 2 0年代 ，格里森公 司创造性 地提 出了轴 线偏置的准双曲面齿轮并进行了理论研究。轴线偏置 可以提高小轮强度，齿轮副的重合度也明显增加，这 些优点使得该种齿轮成为锥齿轮中的重要类型。1 9 2 5 年 ，格里森公司生产出可以加工准双曲面锥齿轮的 N o ． 1 6 H型机床 。1 9 2 6年 ，美 国福特汽 车公司成 为世 界上第一家在其汽车上使用准双曲面齿轮的汽车公 司 。 螺旋锥齿轮加工技术的另一项具有划 时代意 义的 进步是格里 森公 司首先提 出并实 现 的刀倾 法加 工 原 理。采用该原理加工锥齿轮时 ，带刀倾机构 的加工机 床增加了机床的可调整参数，从而达到了进行齿形修 正的 目的。此后 ，点接触齿 面开始 出现 ，它极大地提 高了锥齿轮副的齿面接触性能。 1 9 5 4年 ，格里森公司推 出的 N o ． 1 1 6型铣 齿机床 收稿 日期 2 0 1 1 0 2 2 8 作者简介李强 1 9 6 1 ～ ，男，博士，教授，主要从事现代机械设计方法的研究。通信作者 宿宝龙，Em a i l s u b a o l o ng 1 9 7 9 1 63 ．c o rn 。 第 8期 李强 等螺旋锥齿轮加工机床发展综述 1 6 5 成为机械摇台式螺旋锥齿轮加工机床 中的经典机床。 这种机床带有刀倾机构，也可以安装变性机构采用变 性法加工锥齿轮 。它是第一台能够把齿轮高级啮合理 论在螺旋锥齿轮副上变成现实的机床。直到现在，这 种机床还在一定范围内被广泛地使用。其设计概念模 型如 图 2 。 l 一 刀 头立 柱 2 一 摇 台 卜 偏 心 装置 4 _刀 转 角装 置 卜 刀 倾 角装 置 6 _ _ 机 座 卜 工 件 箱 8 _ _ 轴 偏 移滑 块 9 _ _ 回转 台 l O 一工 件轴 图 2 N o ． 1 1 6机床模 型 1 ． 2数控 加 工机床 随着控制技术的发展，电气控制在螺旋锥齿轮加 工机床中逐渐应用开来。1 9 7 3年 ，奥利康公 司首先 将 P L C控制技术应用于 S 1 7型机床 中，这标志着螺 旋锥齿轮加工技术进入了简单数控阶段。 2 0世纪 8 O年代初期，以美国格里森、瑞士奥利 康 O e r l i k o n B u h r l e 和德 国克林根 贝格 K l i n g e l n b e r g S o n s 为代表的三大公司都在考虑螺旋锥齿轮机 床 的数控化 ，作为数控化 的第一步 当然是用数控技术 简化原有 的机械传动装置 。 美国格里森公司 1 9 8 6年 推 出 了 过 渡 型 机 床G MA X X 2 0 1 0 ，随 后 又 研 制 出 了 这 一 阶 段 的 代 表 N o ． 1 1 6 C N C 机 床 图 3 。 N o ． 1 1 6 C N C 机 床 去 掉了 N o ． 1 1 6复杂传 动系统 中的大 部分传动链，直接利用 电子 图 3 格里森 N o ． 1 1 6 C N C机床 齿轮箱来控制刀盘轴和工件轴之间的相对运动，从而 使机床结构大大简化。奥利康公司和克林根贝格公司 在 1 9 8 9年也推出了相应 的机床 。 N o ． 1 1 6 C N C不是 一个 新 机型 ，它 只是 对 旧设 备 进行的一次改造 ，并没有取消原来机床的复杂调整环 节 ，这也为新型机床的出现提供了实际的需求。 2 螺旋锥齿轮加工机床的现状 2 ． 1 凤 凰 系列 C N C机 床 螺旋锥齿轮机床数控化改造第二阶段的主要特点 是取消机床摇台及其他复杂的机械调整环节，采用六 轴五联动的高档数控系统实现真正的完全数控，其代 表是格里森公 司 1 9 8 9年后 陆续 推 出的凤凰 I型系列 数控机床。这种机床的基本结构模型如图4所示 ，它 完全突破了传统锥齿轮切齿机床的设计理念，取消了 摇台、刀倾 、变性等复杂机构 ，建立了六坐标的运动 模型 ，假定工件不动 ，刀盘相对于工件 的位置可 以用 刀盘 中心 3 个 坐标 和刀盘轴 线 2个 坐标 5个 参数完全 确定 。与 N o ． 1 1 6 C N C相 比，凤 凰 I型数 控 机床具有以下优点 1 结构简单 ，刚性好 ； 2 无展成链 ，精度高； 3 程序控制，柔性好； 4 调整方便 ，效率高。 1 z 轴 2 _ dI由 3 _l ，轴 4 一工 件 立柱 s 一机 座 6 一刀 盘 c轴 7 一 回转 台 曰 轴 8 一工件主轴 轴 图4 凤凰 I 型机床结构模型 凤凰 I 是一种万能型齿轮加工机床，不但能加工 格里森齿制的齿轮，也能加工奥利康齿制或克林根贝 格齿制的齿轮。从理论上讲，这种机床可以实现齿面 加工的任何运动，所以也称为 F r e e f o r m型机床 ，或 万能运动 U MC 机床。1 9 8 9年，德 国克林根贝格 公司也推出了 自己的万能型齿轮加工机床 K N C 4 0 ， 其设计思想与图4类似。 近年 来格 里森 推 出 了 凤 凰 Ⅱ型 机 床 ， 其结构在凤凰 I的基 础 上又 有 了新 的突破 ， 把 3个直线轴和3个转 动轴安装 在一个立柱 的两个侧面上，B轴用 铰链 结构来 代 替，机 床各 轴 都 是 用 电机 直 图5 凤凰 Ⅱ 型机床结构模型 接驱动 图5 。凤凰 Ⅱ型数控机床的组成零件更少， 占地面积更小 ，并且能够进行干切削 ，更加符 合环保 节约的原则。 2 ． 2格里森圆锥齿轮制造专家系统 G E MS 与凤凰机相配套 ，G l e a s o n公司推 出了先进的数 字化圆锥齿轮制造系统格里森圆锥齿轮制造专家 系统 G E M S G l e a s o n E x p e r t Ma n u f a c t u r i n g S y s t e m 。 G E MS 是基于计算机网络的一体化制造系统 ，它将格 里森公司现有软件模 块集成 ，实现工 程工作 站和 G 1 一 e a s o n数控机床之间的信息互换和共享。 最近 ，德 国的克林根贝格公 司也研制 出了万 能型 的 C N C弧齿锥齿轮切齿机床及其制造系统。 3 国内情况 1 9 7 2年 以前 ，我 国的弧 齿锥 齿 轮加 工机 床 主要 靠从前 苏联进 口，此 外还有 少量来 自日本 和前东德 ， 同时引进了部分加工延伸外摆线齿制齿轮的奥利康机 1 6 6 机床与液压 第 4 0卷 床 ，并在此基础上进行仿制 。 1 9 7 2年 以后 ，随着 大量 G l e a s o n机 床进 入 中国 ， 我 国学者 开 始 重 点攻 坚 G l e a s o n齿 轮 的成 套 加工 技 术。至2 0世纪 8 0年代，已基本搞清楚 了 G l e a s o n锥 齿轮技术的理论实质及加工原理 ，并设计制造出了国 产机械式螺旋锥齿轮加工机床。天津第一机床厂生产 的 Y 2 2 5 0 、Y 2 2 8 0 机 械式螺旋锥齿 轮铣齿机 成为 国内 当时加工弧齿锥齿轮的主要设备。自2 0世纪 9 0年代 以后 ，我国开始对螺旋锥齿轮加工机床进行数控化研 究与改造，同样经过了第一与第二阶段的数控化，设 计制造出了国产六轴五联动的数控铣齿机床。如秦川 机床集团与西安交通大学联合研制的 Y H 2 2 4 0 、中南 大学齿轮研究所研制的 Y K 2 2 1 2和 Y K 2 2 4 5数控铣齿 机 、天 津 第 一 机 床 总 厂 研 制 生 产 的 Y K D 2 2 1 2 、 Y K D 2 2 8 0等数控螺旋锥齿轮铣齿机。 2 0 0 5年 ，天津精诚机床制造有限公司研制成功 的 Y H 6 0 1 2数 控 弧 齿锥 齿 轮 铣齿 机 ，加 工 直径 可达 1 2 5 0 m m；重庆机床厂的 Y K S 3 1 1 2和 Y K S 3 1 4 0铣齿 机既 可湿式 滚 齿 ，又 可干 式滚 齿 ；2 0 0 5年底 ，我 国 自主建设 的第一条螺旋锥齿轮数字化加工闭环生产线 在湖南中大创远集团建成 ，并投入规模化生产，改变 了高档全数控螺旋锥齿轮机床全部依赖进 口的局面， 标志着我国在螺旋锥齿轮及其加工机床技术方面的制 造技 术迈入 了一个新 的时代 。 虽然全数控的螺旋锥齿轮铣齿机床与传统的机械 摇台式机床相比有诸多优点，但高昂的价格造成产品 的高成本使其短期内在国内很难普及。 4 螺旋锥齿轮加工技术展望 对螺旋锥齿轮加工技术及机床今后 的发展方 向及 趋势 提出了以下展 望 1 基于 F r e e f o r m型机床的设计制造技术的突 破 。虽然凤凰 系列机 床在结构 和控 制上有 重大 突破 ， 但其并没有改变基于机械摇台式机床的设计理念和机 床参数 调整 ，这就 需要 在摇 台型 与 F r e e fo r m 型机 床 之 间进行 等 效 转换 。H e r m a n n J S T A D T F E L D 、F L L I TVI N [ 2 3 、毛世民等 、王小椿等 对该转换进行 了研究 ，并 且 已经取 得 了较 理想 的转换 精 度。实 际 上， 从 F r e e - fo r m机床 的结构及运动特点方面考虑， 以上 的转换过程是没有必要 的。吴训成等 、苏智剑 等 先后提出基于数控铣齿机床的齿面主动设计思 想，周凯红等 提出按预定齿面结构要求加工点啮合 齿面 的新方法 。这一方面课题 的研究和应用将成为螺 旋锥齿轮制 造技 术在 今 后一 段 时 间 内突 破 的主要 方 向 2 具有 新型齿 面接 触线 锥齿 轮 的研 发。机床 和齿轮的加 工技 术 总是 互相 促 进 的。F r e e ． fo r m 型锥 齿轮加工机床确定了空间的6 个 自由度 ，从理论上讲 是一种万能加工机床 ，可以加工出任意形状的空间曲 面。这为新型齿面接触线齿面的锥齿轮的制造提供了 条件，例如对数螺旋锥齿轮 。 3 干切 削技术 的应 用。干切 削加 工是 金 属切 削领域近年发展起来的一项技术。将干切削技术应用 在螺旋锥齿轮加 工机床 中 ，提 高加工效 率与经 济性 ， 是螺旋锥齿轮加工机床的发展趋势之一。 4 通用型五轴数控机床 的应用。专用机床 自 动化程度和加工精度都较高，但其设备的售价也相当 高。利用 通用五轴数控机床结合相应 的软件来加工螺 旋锥齿轮 ，对于在有 限条件下加工一定精度 的螺旋锥 齿轮具有重要的现实意义 。 参考文献 【 1 】S T A D T F E L D H e r m a n n J ． G l e a s o n B e v e l G e a r T e c h n o l o g y [ M] ．R o c h e s t e r ， N e w Y o r k ， U S A T h e G l e a s o n w o r k s ， 1 99 4． 【 2 】L I T V I N F L ． G e a r G e o m e t a n d A p p l i e d T h e o r y [ M] ． S a n Di e g o PTR Pr e nt i c e Ha l l ， 1 9 9 4 67 4691 ． 【 3 】毛世民， 吴序堂． 新型万能曲线齿锥齿轮a l to机床的运 动学[ J ] ． 制造技术与机床， 1 9 9 7 6 2 22 4 ． 【 4 】王小椿， 吴联银， 李彬 ， 等． 基于空间运动学的传统机床 与 F r e e f o r m型机床运动转换方法的研究[ J ] ． 机械工程 学报， 2 0 0 1 4 9 3 9 8 ． 【 5 】吴训成， 毛世民， 吴序堂． 点啮合齿 面主动设计研究 [ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 0 ， 3 6 4 7 07 3 ． 【 6 】苏智剑， 吴序堂． 基于计算机数字控制弧齿锥齿轮加工 机床的准双曲面齿轮的制造[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 7 5 5 7 6 3 ． 【 7 】周凯红， 李淑． 螺旋锥齿轮技术 的历史， 现状和展 望 [ J ] ． 桂林航天工业高等专科学校学报， 2 0 0 8 3 4 8 ． 【 8 】L i Q i a n g ， Wa n g G u o p i n g ， We n g Ha i s h a n ． S t u d y 0 n G e a r i n g T h e o ry o f L o g a r i t h m i c S p i r a l B e v e l G e a r [ C] ／ ／ 3 r d WS E A S I n t e r na t i o na l Co n f e r e nc e o n Ap p l i e d a n d Th e o r e t i c a l Me c h a n i c s， S pa i n， 2 00 7．1 2 222 8． 【 9 】樊奇， 让 德福． 格里森专家制造系统 G E MS开创弧齿 锥齿轮及双 曲面齿轮数字化制 造新纪元 [ J ] ． 世界制 造 技术与设备市场， 2 0 0 5 4 8 7 9 3 ． 【 1 0 】曾韬． 汽车后桥螺旋锥齿轮制造的发展方向与对策 [ J ] ． 世界制造技术与装备市场， 2 0 0 6 1 2 7 98 3 ． 【 1 1 】 李兆文 ， 王勇 ， 陈正洪． 螺旋锥齿轮技术的研究现状 [ J ] ． 工具技术， 2 0 0 7 ， 4 1 1 0 3 6 ． 【 l 2 】 S T A D T F E L D H e r m a n n J ， 孙季初． 锥齿轮齿形加工的第二 次革命[ J ] ． 世界制造技术与装备市场， 2 o 0 4 5 7 1 7 5 ．