齒輪的承載能力、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性以及使用壽命主要取決于實(shí)際工況下相嚙合齒面的接觸狀況，齒面的微觀幾何形貌對(duì)齒輪振動(dòng)噪音、使用壽命影響巨大。采用硬齒面精密加工齒輪，可以有效提高傳動(dòng)裝置承載能力、降低噪音、減小振動(dòng)、延長(zhǎng)使用壽命。關(guān)鍵動(dòng)力傳動(dòng)裝置已普遍采用硬齒面精加工齒輪。對(duì)硬齒面齒輪精密加工方法有磨齒、刮齒、研齒、高速干切、珩齒等工藝。磨齒工藝應(yīng)用最為廣泛成熟，精度高效率高，但成本較大，并且磨齒齒面的微觀幾何形貌也不利于降低齒輪的傳動(dòng)噪聲; 刮齒適用于大型硬齒面齒輪加工，但精度效率都不及大型數(shù)控成形磨齒，隨著大型磨齒裝備的發(fā)展成熟，刮齒工藝應(yīng)用逐漸減少; 研齒主要應(yīng)用于錐齒輪副精密加工;高速干切技術(shù)在小模數(shù)齒輪精密加工中得到廣泛應(yīng)用。珩齒因可以獲得理想的齒面微觀幾何形貌，尤其是獨(dú)特的齒面紋路，對(duì)傳動(dòng)裝置的振動(dòng)噪音有非常明顯的抑制作用，因此珩齒工藝一直得到應(yīng)用發(fā)展，尤其是在汽車(chē)齒輪的精密加工中。
本文綜述了珩齒技術(shù)的發(fā)展歷程及世界主要齒輪機(jī)床制造商在強(qiáng)力珩齒技術(shù)方面的最新進(jìn)展，介紹了新技術(shù)、新工藝在強(qiáng)力珩齒機(jī)中的應(yīng)用，并對(duì)強(qiáng)力珩齒機(jī)進(jìn)一步技術(shù)發(fā)展動(dòng)向進(jìn)行了展望。
1 珩齒加工工藝的技術(shù)進(jìn)步
1.1 軟珩齒
如圖1 所示，傳統(tǒng)珩齒加工應(yīng)用齒輪形或蝸桿形珩磨輪與被珩齒輪作自由嚙合運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于一對(duì)交錯(cuò)軸斜齒輪傳動(dòng)，利用嚙合齒面間的相對(duì)滑動(dòng)和壓力來(lái)進(jìn)行珩削，主要用于淬硬齒輪的齒面光整加工。珩磨輪采用具有一定彈性的合成樹(shù)脂或人造橡膠制成，具有一定彈性，在自由嚙合狀態(tài)下，珩磨輪主要起到光整作用，去除余量有限，對(duì)齒輪精度的修正能力有限，誤差復(fù)映現(xiàn)象難以克制，齒輪的精度主要取決于前道切齒及熱處理精度。
圖1 珩齒加工示意圖
1.2 CBN 砂輪硬珩齒
20 世紀(jì)80 年代，國(guó)外開(kāi)發(fā)了如圖2 所示硬珩輪珩齒技術(shù)，是用中碳鋼做成齒輪狀的珩輪基體，用電鍍沉積法將超硬磨料涂鍍?cè)阡摶w的齒面上。依靠珩磨輪齒面上的超硬磨料來(lái)珩磨工件，材料去除能力加強(qiáng)。珩磨輪剛性提高，除了能光整，還能糾正齒輪齒形、基節(jié)、齒向誤差，并能將齒輪精度顯著提高。
圖2 CBN砂輪硬珩齒
1.3 強(qiáng)力珩齒技術(shù)
齒輪精度要求不斷提高，同時(shí)更加注重表面質(zhì)量，齒輪制造強(qiáng)國(guó)將電子齒輪箱、自動(dòng)上下料、在機(jī)檢測(cè)、誤差修正、直接驅(qū)動(dòng)、CAM 等先進(jìn)技術(shù)積極引入珩齒機(jī)制造，開(kāi)發(fā)了各具特色的強(qiáng)力珩齒機(jī)系列產(chǎn)品，如圖3 所示珩磨輪和工件強(qiáng)制嚙合，對(duì)齒輪精度具有很強(qiáng)的糾正能力，可以顯著提高齒輪精度，強(qiáng)力珩齒精度達(dá)到可達(dá)到DIN5 級(jí)，表面粗糙度Ｒa ＜0.2 μm。
圖3 強(qiáng)力珩齒加工
珩齒技術(shù)不再僅僅是一項(xiàng)光整的輔助工序，可以作為一種獨(dú)立精加工方式，和磨齒工藝形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。珩齒技術(shù)的發(fā)展如圖4 所示。
圖4 珩齒工藝發(fā)展趨勢(shì)
2 強(qiáng)力珩齒的優(yōu)勢(shì)
珩齒作為一種齒輪精密加工工藝解決方案，一直得到應(yīng)用發(fā)展，強(qiáng)力珩齒打破了傳統(tǒng)珩齒只能對(duì)齒輪進(jìn)行光整的局限性，引入電子齒輪箱控制，珩磨輪和工件嚙合狀態(tài)穩(wěn)定、可控，提高了精度的穩(wěn)定性與一致性，更加適合大批量精密齒輪生產(chǎn)需求，尤其是在汽車(chē)變速箱生產(chǎn)中得到廣泛使用。
強(qiáng)力珩齒的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
( 1) 珩齒的齒面紋路有利于降低齒輪的振動(dòng)噪聲
振動(dòng)噪音一直是精密齒輪傳動(dòng)裝置一項(xiàng)關(guān)鍵的考核指標(biāo)，大量實(shí)驗(yàn)研究證明，齒面紋路對(duì)齒輪振動(dòng)噪音影響巨大，尤其是高速傳動(dòng)裝置，不合理的齒面紋路將造成高頻諧振。珩齒時(shí)，珩磨輪和齒輪呈交錯(cuò)軸嚙合狀態(tài)，沿齒形方向的相對(duì)滑動(dòng)和沿齒寬方向的相對(duì)滑動(dòng)復(fù)合形成特有的珩齒弧紋( 如圖5b) ，這種紋路可大大降低齒輪傳動(dòng)噪音。國(guó)外在磨齒中研究推廣的低噪音磨削技術(shù)，就是利用數(shù)控技術(shù)，希望在磨削過(guò)程中打亂規(guī)則的磨齒紋路( 如圖5a) ，形成類(lèi)似珩齒弧紋的齒面紋路。
圖5 磨齒和珩齒的齒面紋理對(duì)比
( 2) 珩齒可以獲得較高的表面壓應(yīng)力
齒輪表面應(yīng)力狀態(tài)對(duì)齒輪壽命影響巨大，尤其是隨著齒輪鋼材清潔度的不斷提高，齒輪的失效形式由宏觀點(diǎn)蝕轉(zhuǎn)化為表面微觀點(diǎn)蝕，表面應(yīng)力狀態(tài)成為決定齒輪強(qiáng)度和壽命的主要矛盾。珩齒可以在齒面獲得較高的殘余壓應(yīng)力，有效提高齒輪強(qiáng)度、耐磨性及抗點(diǎn)蝕性能。
( 3) 珩齒可以避免齒面燒傷
珩齒依靠齒面相對(duì)滑動(dòng)去除材料，切削速度低，不會(huì)在齒面產(chǎn)生熱效應(yīng)，避免了齒面燒傷。而磨削燒傷一直是磨齒工藝需要嚴(yán)格控制的一項(xiàng)指標(biāo)，大量磨削熱，改變齒面應(yīng)力狀態(tài)，造成微細(xì)裂紋，影響齒輪壽命。
( 4) 珩齒可以獲得更好的齒面粗糙度
齒輪表面質(zhì)量越來(lái)越受到關(guān)注，磨齒中也采用復(fù)合磨削工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)小粗糙度值磨削，但加工成本上升。而珩齒的加工機(jī)理使其可以以經(jīng)濟(jì)的成本獲得更小的齒面粗糙度值，達(dá)到Ｒa ＜0.2 μm，在優(yōu)化工藝情況下，可以實(shí)現(xiàn)齒面鏡面加工。
( 5) 珩齒可以加工帶臺(tái)肩的齒輪
磨齒需要一定的出頭量( 越程量) ，難于加工臺(tái)階軸齒或有其他干涉結(jié)構(gòu)的齒輪，采用小型砂輪的成形磨齒可以加工有一定空刀槽的齒輪，但砂輪較小，耗損嚴(yán)重，需要頻繁更換砂輪，難以滿(mǎn)足批量加工需求。采用內(nèi)嚙合珩齒時(shí)，為線接觸，不需要沿工件軸向進(jìn)刀就可以珩削出整個(gè)齒面，可以加工更加緊湊的帶臺(tái)肩齒。
( 6) 珩齒的加工精度和磨齒相當(dāng)，但珩齒的工具成本要低于磨齒強(qiáng)力珩齒精度可以達(dá)到4 ～ 5 級(jí)，精度稍低于磨齒精度。珩齒過(guò)程中對(duì)珩磨輪和冷卻液的耗損遠(yuǎn)小于磨齒，珩齒工藝可以更經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)齒輪精密加工( 如圖6對(duì)比) 。
圖6 磨-剃-珩工藝成本比對(duì)
3 國(guó)外強(qiáng)力珩齒技術(shù)的發(fā)展概況
國(guó)外的美國(guó)格里森—胡爾特( Gleason － Hurt) 、德國(guó)普拉威馬( Praewema) 、瑞士法斯勒( Fassler) 、日本神琦( kanzaki) 、日本清和等世界知名齒輪機(jī)床制造商通過(guò)持續(xù)研發(fā)，密切關(guān)注精密齒輪工藝需求，將電子齒輪箱、自動(dòng)上下料、在機(jī)檢測(cè)、誤差修正、直接驅(qū)動(dòng)、CAM 等先進(jìn)技術(shù)積極引入珩齒機(jī)制造，開(kāi)發(fā)了各具特色的強(qiáng)力珩齒機(jī)系列產(chǎn)品。
( 1) 美國(guó)格里森強(qiáng)力珩齒機(jī)
美國(guó)格里森于20 世紀(jì)90 年代推出第一代強(qiáng)力珩齒機(jī)ZH150 /250( 圖7) 。該款機(jī)床最大加工齒輪直徑250 mm，模數(shù)0.5～ 8 mm，工件長(zhǎng)度350( 600) mm。為實(shí)現(xiàn)更加靈活的修形，格里森開(kāi)發(fā)了球面珩齒工藝，為用戶(hù)提供了更加靈活的修形方案，拓展了機(jī)床應(yīng)用范圍。
圖7 格里森ZH250強(qiáng)力珩齒機(jī)外觀
2009 年格里森公司推出新一代的強(qiáng)力珩齒機(jī)150SPH( 圖8) 。該機(jī)床直接面向汽車(chē)工業(yè)高精度大批量齒輪的加工需求，在自動(dòng)變速器行業(yè)應(yīng)用廣泛。機(jī)床最大加工齒輪直徑150 mm，模數(shù)(0.5) ～ 4 mm，工件長(zhǎng)度150( 550) mm。機(jī)床配置了更加簡(jiǎn)便的面向用戶(hù)的操作界面，配置高速自動(dòng)上下料，滿(mǎn)足大批量高效生產(chǎn)的需要。
圖8 格里森新一代150SPH強(qiáng)力珩齒機(jī)
( 2) 德國(guó)普拉威馬強(qiáng)力珩齒機(jī)
德國(guó)普拉威馬依托其豐富的齒輪機(jī)床設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)，研制了Synchrofine 205 HS ( W) 強(qiáng)力珩齒機(jī)( 圖9) 。機(jī)床床身采用天然大理石制成，減振性及熱穩(wěn)定性高，為獲得穩(wěn)定的加工質(zhì)量提供了保障。機(jī)床結(jié)構(gòu)一大特點(diǎn)是雙工位結(jié)構(gòu)，機(jī)床配置兩個(gè)工件主軸，加工工件的同時(shí)，對(duì)下一個(gè)工件進(jìn)行裝夾，縮短加工節(jié)拍。機(jī)床可對(duì)工件進(jìn)行珩前檢測(cè)( 圖10) ，識(shí)別毛坯質(zhì)量，根據(jù)余量及徑跳等參數(shù)優(yōu)化珩齒工藝，配置在機(jī)測(cè)量裝置，大幅減少產(chǎn)品切換或更換刀具后的待機(jī)時(shí)間。
圖9 普拉威馬Synchrofine 205HS 強(qiáng)力珩齒機(jī)
圖10 珩前檢測(cè)與在機(jī)測(cè)量
( 3) 瑞士法斯勒強(qiáng)力珩齒機(jī)
1979 年法斯勒發(fā)明了世界第一臺(tái)內(nèi)嚙合珩齒機(jī)，現(xiàn)已形成HMX - 400 系列化產(chǎn)品( 圖11) 。HMX-400 齒輪珩齒機(jī)加工直徑范圍50 ～ 350 mm，模數(shù)范圍0.5～ 6 mm，工件軸最大長(zhǎng)度500 mm。內(nèi)嚙合珩齒更易獲得穩(wěn)定的加工精度，現(xiàn)代強(qiáng)力珩齒多采用這一形式。
圖11 法斯勒HMX-400強(qiáng)力珩齒機(jī)
( 4) 日本神琦強(qiáng)力珩齒機(jī)
日本神琦早期開(kāi)發(fā)了GFB-300-NC6 珩齒機(jī)，珩輪采用半閉環(huán)控制。隨著技術(shù)進(jìn)步，齒輪加工精度及質(zhì)量進(jìn)一步提高。通過(guò)在在砂輪旋轉(zhuǎn)軸上安裝同步控制編碼器，減少驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)間的反向間隙的影響，提高同步精度。產(chǎn)品升級(jí)為GFC- α300- NC6( 圖12) ，加工直徑范圍50~300 mm，模數(shù)范圍1~4 mm，工件軸最大長(zhǎng)度350 mm。
圖12 日本神琦強(qiáng)力珩齒機(jī)
4 強(qiáng)力珩齒關(guān)鍵技術(shù)
強(qiáng)力珩齒機(jī)屬于集機(jī)、電、液、儀一體化高端精密裝備，通過(guò)對(duì)國(guó)外先進(jìn)強(qiáng)力珩齒機(jī)的了解，開(kāi)發(fā)強(qiáng)力珩齒機(jī)需要攻克以下關(guān)鍵技術(shù):
( 1) 機(jī)床高剛度設(shè)計(jì)
強(qiáng)力珩齒珩削量大，珩磨輪和工件強(qiáng)制嚙合，要求保持精確的傳動(dòng)關(guān)系，要保證珩齒精度穩(wěn)定性，要求工藝系統(tǒng)剛度高，變形小。機(jī)床設(shè)計(jì)要對(duì)靜剛度、動(dòng)剛度、熱剛度綜合考慮，要保證支撐的穩(wěn)定性，減小高速?lài)Ш蟼鲃?dòng)引起的振動(dòng)，同時(shí)要減小工藝系統(tǒng)熱變形。
( 2) 珩磨輪的修整技術(shù)
珩磨輪的修整質(zhì)量直接決定了工件的加工質(zhì)量，目前采用的方法是根據(jù)工件參數(shù)制作齒輪狀金剛石修整刀具，通過(guò)和珩磨輪嚙合包絡(luò)修整珩磨輪齒面，一種工件需要一把專(zhuān)用金剛石修整刀具，價(jià)格昂貴。為了降低成本，提高強(qiáng)力珩齒工藝適用性，需要研究珩磨輪修整技術(shù)，實(shí)現(xiàn)珩磨輪靈活修整，降低對(duì)專(zhuān)用金剛石修整刀具的依賴(lài)。
( 3) 齒輪修形控制技術(shù)
為提高齒輪運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性及載荷分布均勻性，精密齒輪大多進(jìn)行修形，這要求加工設(shè)備滿(mǎn)足豐富的修形要求。珩齒依靠交錯(cuò)軸齒輪傳動(dòng)時(shí)齒面間相對(duì)滑動(dòng)進(jìn)行精密加工，要實(shí)現(xiàn)靈活修形需要對(duì)珩齒過(guò)程的接觸軌跡深入研究，建立機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)位置對(duì)接觸軌跡影響關(guān)系，通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)軸線精確控制實(shí)現(xiàn)靈活修形。
5 結(jié)語(yǔ)
珩齒工藝借助其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在齒輪精加工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在應(yīng)用過(guò)程中不斷創(chuàng)新并吸收行業(yè)先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，新一代強(qiáng)力珩齒技術(shù)極大拓展了傳統(tǒng)珩齒工藝范圍，精度更高更穩(wěn)定。國(guó)外齒輪制造強(qiáng)國(guó)已經(jīng)在數(shù)控強(qiáng)力珩齒機(jī)研制及強(qiáng)力珩齒工藝應(yīng)用方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)齒輪制造企業(yè)也紛紛引進(jìn)強(qiáng)力珩齒設(shè)備，進(jìn)行技術(shù)應(yīng)用。但國(guó)內(nèi)強(qiáng)力珩齒機(jī)研制處于起步階段，目前沒(méi)有國(guó)產(chǎn)高檔強(qiáng)力珩齒機(jī)床供用戶(hù)選擇，只能依賴(lài)進(jìn)口。隨著這一工藝的進(jìn)一步推廣應(yīng)用以及關(guān)鍵技術(shù)的掌握，國(guó)內(nèi)齒輪機(jī)床制造商一定會(huì)推出滿(mǎn)足用戶(hù)需求的強(qiáng)力珩齒裝備。
