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CIMT2023部分圆柱齿轮加工机床展品评述





 

【编者按】CIMT2023(第十八届中国国际机床展览会)已于415日圆满落幕。展会期间,主办方中国机床工具工业协会有关分会组织人员针对本专业领域展品进行评述,现编发部分文章,供业界参考。文章观点仅代表作者本人。

 

 

一、境内外企业典型产品技术水平对比分析

 

据笔者统计,在CIMT2023展会,有超过20家齿轮机床制造企业参展,展出齿轮加工机床50余台,其中磨齿机20余台。

 

境外参展的齿轮机床制造企业有克林贝格(KLINGELNBERG)、莱斯豪尔(REISHAUER)、利勃海尔(LIEBHERR)、卡帕(KAPP)、DVS、埃马格(SU)、三菱(尼得科NIDEC)、卡希富基(KASHIFUJI)、韩国ISNT、格里森(GLEASON)等共10家。莱斯豪尔展出了RZ260 4.0蜗杆砂轮磨齿机,利勃海尔展出了LGG280蜗杆砂轮磨齿机,三菱(尼得科)展出了ZFA260蜗杆砂轮磨齿机。

 

境内参展的有重庆机床、秦川机床、南京二机、中大创远、天津一机、长机科技、宁江机床、南京康尼、上海星合、无锡泰诺、MATRIX(陆联)、福清永裕来、南京工大等齿轮加工机床制造企业。

 

1.机床主轴转速高速化,实现齿轮高效、高精度加工

 

提高机床主轴转速是减少齿轮加工时间、提高生产效率的有效途径。为提升机床刀具主轴和工作台主轴的转速、回转精度、刚度、工作平稳性及动态特性,电主轴和力矩电机被广泛应用于齿轮加工机床。此次展会上展出的三菱(NIDECZFA260双工位蜗杆砂轮磨齿机主轴转速达到8000r/min、工作台最高转速为2000r/min,利勃海尔LGG280磨齿机的砂轮主轴最高转速为12000r/min、工作台最高转速为3000r/min,秦川机床YKS7226蜗杆砂轮磨齿机砂轮主轴最高转速为7000r/min、工作台最高转速为3000r/min,重庆机床YS7232A蜗杆砂轮磨齿机砂轮主轴最高转速为10000r/min、工作台最高转速为1500r/min,秦川机床YKZ7250A蜗杆砂轮磨齿机砂轮主轴最高转速为7500r/min、工作台最高转速为800r/min

 

此次展会上展出的三菱重工GE15FR高精度滚齿机和日本卡希富基KN80高精度滚齿机采用全闭环控制,批量高速滚齿精度达到GB 3级;三菱重工GE15FR Plus高精度滚齿机加工模数0.4mm、齿数200、外径Φ80mm、齿宽18mm的直齿轮,在滚刀(硬质合金材料)转速8000r/min、轴向进给速度0.2mm/rev的切削参数下,加工时间为5.7min,齿轮精度达到GB 3级,其中单一齿距误差、累积差距误差、齿圈径向跳动三项检测指标达到GB 1级;重庆机床YK3115GDYH3120CNC干切滚齿机批量滚齿达到 GB 6级精度。

 

通过床身基础件采用热对称设计,并有大流道便于磨削油尽快排出,且流过床身的流量始终为恒流量方式,或者采用大理石床身基座,并在工作台尾部设有温度传感器,通过热误差模型进行补偿等技术。莱斯豪尔RZ260磨齿机和利勃海尔LGG280磨齿机用蜗杆砂轮磨削齿轮达到DIN 2级精度,高的工艺稳定性实现Rz<1.0µmRa<0.2µm。卡帕公司的KNG12P master 成形磨齿机磨齿精度达到 DIN 1级。重庆机床YW7232A数控多功能磨齿机精密磨齿精度达到GB 3级。

 

2. 机床加工功能增强,应用领域不断延伸

 

在同一机床上通过更换不同用途的刀具实现不同的加工方式,通过更换刀具主轴系统实现外齿、内齿的加工切换。莱斯豪尔RZ160磨齿机除具有蜗杆砂轮磨削功能外,还具有抛光磨削、成形磨削、锥齿轮磨削、非渐开线齿轮磨削、在机测量齿轮精度等功能。利勃海尔LGG280磨齿机除具有蜗杆砂轮磨削和成型磨削功能外,为满足能磨削外齿轮和内齿轮,此机床标配一个外磨头且可扩展一个内磨头,用成形法磨削内齿轮;在使用新型高切削率磨削材料砂轮时,还可提供大驱动功率和转速的外磨头和内磨头;新型的刀具夹紧装置,可实现简单快速地更换磨削刀具;匹配的内磨头可快速方便地安装在外磨头上并通过主驱动轴驱动。

 

不断满足NVH的要求。莱斯豪尔、利勃海尔都已经推出了低噪音磨削,具有自由拓扑修形功能,能够实现齿轮仿真设计软件要求的任意形貌,可以磨削双压力角齿轮和紧凑型台阶齿,这两种齿轮都是为了提高传动功率密度或是传动装置小型化。

 

3.多任务加工复合机床,实现齿类零件全序加工

 

在一台多任务机床或加工中心中通过一次装夹便能完成整个零件的加工,从而缩短生产时间、提高质量并降低装卸和物流成本。德国DVS集团PITTLER公司展出的PV315 SkiveLine齿轮刮削机床工艺柔性可以保证一个工件在最多两次装夹状态下完成车削、铣削、钻孔、刮齿、去毛刺、测量功能的全序高精度加工。利勃海尔推出的LK280车齿机通过一次装夹可进行车齿、去毛刺、钻孔(打标)、检测等多种加工。马扎克展出的INTEGREX i-630V/6机床一次装夹完成车削、强力刮外齿、强力刮内齿、刻印(二维码、Logo、英文、数字)、在机测量等任务。南京二机此次展出的YD3132CNC干式滚齿机具有滚齿、倒棱去毛刺功能。

 

加工齿轮时采用刀库的一个明显优势是可以降低刀具的损耗。如在刮齿加工时先使用镶有可转位标准刀片的粗刮刀,去除掉高达80%的切削余量,然后通过刀库更换高精度的粉末冶金高速钢刀具或者硬质合金刀具进行精加工。精刮刀可以刃磨,粗刮刀的使用有效保护了精刮刀的耗损。

 

4.绿色低碳制造,实现清洁加工及减少碳排放

 

可持续发展模式是当今各国普遍追求的发展模式,本质上要求最有效地利用能源和资源,且最低限度地产生废弃物。

 

采用高速干式切削技术,不使用冷却液,避免了高效切削产生的油烟油雾对环境的污染和对作业人员健康的威胁,改善工作环境,实现清洁生产。同时切削速度大幅提升,提高加工效率并降低生产成本。CIMT2023展出的最大加工直径300mm以下的滚齿机和车齿机大部分具有干式切削功能。莱斯豪尔展出的RZ260磨齿机精细化的密封设计及油雾抽吸,均经过流体力学仿真设计并验证,还带工件自动甩油功能,避免磨削液流出污染外部环境。

 

此次利勃海尔展出的LGG280磨齿机采用了一系列绿色低碳技术和装置,如:制动能量反馈的驱动技术,使用高效的电器柜冷却装置,LED照明装置,通过转速可控型泵机供应及制备冷却液,非气动型自动化装置(带挡块、分隔器的传送带),带检漏功能的耗气量监控系统,减少磨削油的现场污染,工件甩油离心装置,水-空气热交换器带可控风扇(能量和噪声),分阶段关闭闲置的辅助驱动器。

 

5.机床自动化、智能化,提升齿轮加工效率和质量

 

为满足提高生产效率、提高产品质量、降低成本的需求,实现智能制造齿轮是有效途径,这就要求齿轮加工机床具有自动化、数字化、智能化功能。同时,还要满足数字化车间、智能工厂的要求。

 

本届展会展出的大多数滚齿机具有零编程人机界面,用户只需要输入齿轮参数和加工参数即可自动生成NC代码,降低对机床操作人员的要求,减小人机交互的频次并减小加工辅助时间,从而提高生产效率,同时也解决手工计算和编程出错的可能。秦川机床展出YK3126智能滚齿机,据介绍具有智能工艺参数优化、远程故障诊断、主轴振动主动避让等功能。

 

莱斯豪尔磨齿机通过选配增加机床的智能监测系统,可对机床工作状态的各类振动电流等进行监控,并通过对监控数据的处理判断机床的工作状态是否异常,对加工产品的影响,可减少产品检测频次,降低生产费用。

 

利勃海尔磨齿机在软件/控制技术方面,推出全新的友好的操作界面,使齿轮加工机床的操作简便易行,提供给操作者以下优点:个性化的配置、直观的操作、加工进程和换产的操作指南、数学分析、触摸屏操作、支持图形输入、调附加文档(例如夹具组成)、可集成网络摄像头等,为降低刀具和夹具或主轴和工作台意外发生碰撞时造成的损失,可提供防撞控制软件包。

 

此次秦川机床、重庆机床、南京二机展出的蜗杆砂轮磨齿机具有通过软件实现齿向任意修形、齿面扭曲补偿、点修整(任意齿形修整)、齿面网纹磨削、双压力角非对称齿轮磨削、小锥度齿轮磨削等各种复杂修形功能。

 

6.针对不同领域的齿轮加工需求,推出专业化定制机床

 

为满足风电偏航机构中大模数少齿数齿轮的高效加工,重庆机床推出Y3136CNC大模数高效滚齿机,在最大加工直径Φ360mm的机床上可高效加工最大模数为16mm的齿轮,以前该类齿轮需要在大规格滚齿机上才能加工。用在该机床上一刀滚削模数为12mm的齿轮,可达到GB 7级以上精度。

 

为满足RV谐波减速器小模数齿轮的高精度、高效加工要求,三菱重工推出的GE15FR Plus高精度滚齿机,将直驱电机搭载于滚刀架及工作台上,全闭环控制实现高精度和高效加工。

 

对于具有轮廓干涉的工件和特殊的齿轮修形,莱斯豪尔、利勃海尔、卡帕、重庆机床等公司推出了使用小直径砂轮的蜗杆砂轮磨齿机。

 

为满足机器人RV减速器、自动变速箱的内外齿轮磨齿需要,利勃海尔推出LGG280新一代多功能高效高性能磨齿机,床身材料使用高热稳定材料,机床辅助时间轴齿6s,盘齿4s,机床可配置多种内外磨头,内齿磨头利用外齿磨头装砂轮的接口安装,由外齿磨头主轴驱动。

 

7.完善齿轮制造产业链,提供齿轮加工一体化解决方案

 

国外几家著名齿轮加工机床制造企业,通过并购齿轮分析仿真设计软件公司、齿轮测量仪厂家等,不断完善齿轮制造产业链,拥有高性能齿轮制造成套技术,提供齿轮加工一体化整体解决方案。

 

利勃海尔公司收购德国VENZEL公司齿轮测量中心业务后,此次展会展出了新的齿轮测量中心。为此,利勃海尔成为继格里森、克林贝格、卡帕后第四家能提供精密齿轮加工机床、齿轮刀具、齿轮夹具、齿轮测量中心、齿轮设计计算软件的世界著名齿轮制造一体化整体解决方案的公司。


 

二、技术分析

 

齿轮在汽车、工程机械、机器人、风力发电、船舶、航空航天等领域广泛应用。近年来,随着新能源汽车、机器人、航空航天等行业对减速器结构紧凑化、齿轮模数小型化、内齿轮占比增加,齿轮精度等性能要求越来越高。主要体现在齿轮高转速、传动平稳、噪声低、寿命长,从而要求实现高性能齿轮制造,越来越多的齿轮要求硬齿面磨削或珩齿。

目前,滚齿、车(刮)齿、磨齿、珩齿成为圆柱齿轮最主要的加工方式,铣齿、磨齿是螺旋伞齿轮最主要的加工方式。在此次展会上展出最多的也是滚齿机、车齿机、磨齿机,体现了齿轮加工机床制造企业在适应市场需求。

 

CIMT2023境内主要齿轮加工机床制造企业展出的机床显示,市场需求的主要齿轮加工机床如滚齿机、车齿机、磨齿机、珩齿机、插齿机、铣齿机品种齐全。在批量高效加工条件下,滚齿精度达到6级、车齿精度达到6级、磨齿精度达到4级,都比以前提高了1级精度。滚齿机主轴转速达到2500r/min、工作台转速达到300r/min,磨齿机主轴转速达到10000r/min、工作台转速达到2000r/min,主轴转速不断提高。在热误差控制方面,有的磨齿机床身基础件采用热对称设计,并有大流道便于磨削油尽快排出,且流过床身的流量始终为恒流量,并设有在线测头,可以对工件的正侧向进行测量,以补偿尺寸变化。在智能化方面,普遍具有人机界面功能,有的磨齿机具有基本的工艺数据库管理,有的滚齿机具有热误差补偿、智能工艺参数优化、远程故障诊断、主轴振动主动避让功能。在节能环保技术方面,中小规格滚齿机、车齿机大部分具有高速干式切削并配置粉尘收集器,磨齿机采用封闭式的防护,高效油雾分离系统及磨削油回收循环系统。

尽管国产齿轮加工机床在多方面有长足进步,但是和国外先进技术水平相比还有很大差距。主要体现在以下方面:


1.机床品种

 

在齿轮加工机床品种方面,国产高效精密珩齿机还处于研发试验阶段,还没推向生产。欧美国家的珩齿机技术成熟,还在不断提升。日本珩齿机已实现产业化,进步明显。

 

2.加工精度

 

磨齿方面,莱斯豪尔和利勃海尔生产的蜗杆砂轮磨齿机批量加工齿轮精度达到 4级精度,精加工精度达到2级;卡帕生产的成形磨齿机精加工精度达到 1级;国产蜗杆砂轮磨齿机批量加工齿轮精度为5级,精加工精度为3级,比国外低1-2级精度。

 

3.主轴转速

 

利勃海尔磨齿机砂轮主轴转速达到12000r/min,工作台转速达到3000r/min;采用国外进口力矩电机和电主轴的国产磨齿机砂轮主轴最高转速为10000r/min,工作台最高转速为2000r/min

 

4.机床功能

 

莱斯豪尔磨齿机具有蜗杆砂轮磨削、抛光磨削、成形磨削、锥齿轮磨削、非渐开线齿轮磨削、在机测量齿轮精度等功能。利勃海尔磨齿机除具有蜗杆砂轮和成形磨削功能外,还具有抛光磨削、锥齿轮磨削、非渐开线齿轮磨削功能,通过配置三种刀架可以加工外齿轮、内齿轮及双联台阶齿;同时还配有业界最先进的自由拓扑修形软件。

 

国产磨齿机可实现齿向任意修形、齿面扭曲补偿、点修整(任意齿形修整)、齿面网纹磨削、双压力角非对称齿轮磨削、小锥度齿轮磨削等复杂修形功能,在机床使用功能方面和国外比较还有较大差距。

 

5.热稳定性

 

国外磨齿机等高精度机床大多经过热力学仿真设计,采用大理石床身基座,有大流道便于磨削油尽快排出,且流过床身的流量始终为恒流量,并在工作台尾部设有温度传感器,通过热误差模型进行补偿。

 

国产磨齿机床身基础件采用热对称设计,有大流道便于磨削油尽快排出,且流过床身的流量始终为恒流量,并设有在线测头,可以对工件的正侧向进行测量,以补偿尺寸变化。但是,国产磨齿机在热稳定性设计与补偿方面还有差距。

 

6.智能化程度 

 

国外齿轮加工机床具有人机界面功能,机床内部设有机床性能监控,比如各个电机轴、丝杆的运行状态监控;基于大数据的工艺数据库,可以根据用户输入推荐适合的加工工艺参数;机床运行自动化监控,工艺过程监控;软件算法及控制技术方面具有个性化配置、直观操作、加工进程和换产的操作指南、数学分析、图形输入、调用附加文档、可集成网络摄像头等功能;有自由拓扑修形功能,能够实现齿轮仿真设计软件要求的任意形貌。

 

国内机床普遍具有人机界面功能,有的磨齿机具有基本的工艺数据库管理,有的滚齿机具有热误差补偿、智能工艺参数优化、远程故障诊断、主轴振动主动避让功能。

 

三、技术和产品新发现

 

磨齿机方面,高效磨齿机数控系统除了西门子,两家选用发那科系统。机床磨削效率进一步提升,主要是机床辅助时间缩短,尼得科(日本三菱)双工位磨齿机辅助时间3S。利勃海尔和卡帕都展示蜗杆砂轮磨齿机CBN磨削技术,分粗精磨削,适用于大批量、更加高效齿轮磨削。莱斯豪尔 RZ260 KWS 4.0通过智能的实时数据处理和测试过的算法对修整和磨削过程进行测量和监控。对于每个工件,修整和磨削过程中产生的所有数据都被记录并存储在数据库中,保证100%的可追溯性。利用存储的工艺和刀具数据,包括通过DMC识别工件,提供了综合分析的手段。由于过程信息交互,并使用预置的限制,超过或低于这些限制的工件将被自动移除。应用工业4.0数字化产品和服务,解决涵盖系统集成、深入过程分析、预测性维护诸多方面问题,最大限度发挥机床潜力。

 

但在新能源汽车齿轮转速(30000r/min)提升要求磨削齿轮形状误差ffa0.001mm、齿形齿向角度一致性偏差fHafHB0.002㎜,参展磨齿机制造商都还没有明确的能满足要求。在齿面粗糙度方面通过磨齿+镜面磨削,或通过珩齿使齿面粗糙度达到0.2以上,卡希富基展示通过磨齿+齿面抛光使齿面粗糙度达到0.08以上,满足更高转速齿轮要求。

 

成形磨方面有多家公司展出成品,台湾陆联(迈萃斯)展示400规格成形砂轮磨齿机,售价200多万,比秦川、星合、康尼、永裕来、华当数控高出近一倍。南工大展示一台1250规格成形砂轮磨齿机,售价400多万,磨削精度国标5级。进口成形砂轮磨齿机方面,除了复合磨齿机(成形、蜗杆复合),其他都没有展示。成形砂轮磨齿机小规格市场销售热点在新能源汽车齿轮箱打样和高精度小批量生产以及航空航天领域,境内外产品市场售价相差5-8倍以上。大规格成形砂轮磨齿机主要市场在风电、船用、轨道交通,市场销售形势良好,国内外产品售价相差约2倍以上,磨削精度5-4级,对机床精度、效率和可靠性要求更高。

 

 

来源:协会齿轮机床分会(马倩倩) 责编:兰海侠


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