CIMT2023部分圓柱齒輪加工機床展品評述

　　【機床商務網欄目 協會新聞】
 

　　一、境內外企業典型產品技術水平對比分析
 

　　據筆者統計，在CIMT2023展會，有超過20家齒輪機床制造企業參展，展出齒輪加工機床50余臺，其中磨齒機20余臺。
 

　　境外參展的齒輪機床制造企業有克林貝格(KLINGELNBERG)、萊斯豪爾(REISHAUER)、利勃海爾(LIEBHERR)、卡帕(KAPP)、DVS、埃馬格(SU)、三菱(尼得科NIDEC)、卡希富基(KASHIFUJI)、韓國ISNT、格里森(GLEASON)等共10家。萊斯豪爾展出了RZ260 4.0蝸桿砂輪磨齒機，利勃海爾展出了LGG280蝸桿砂輪磨齒機，三菱(尼得科)展出了ZFA260蝸桿砂輪磨齒機。
 

　　境內參展的有重慶機床、秦川機床、南京二機、中大創遠、天津一機、長機科技、寧江機床、南京康尼、上海星合、無錫泰諾、MATRIX(陸聯)、福清永裕來、南京工大等齒輪加工機床制造企業。
 

　　1．機床主軸轉速高速化，實現齒輪高效、高精度加工
 

　　提高機床主軸轉速是減少齒輪加工時間、提高生產效率的有效途徑。為提升機床刀具主軸和工作臺主軸的轉速、回轉精度、剛度、工作平穩性及動態特性，電主軸和力矩電機被廣泛應用于齒輪加工機床。此次展會上展出的三菱(NIDEC)ZFA260雙工位蝸桿砂輪磨齒機主軸轉速達到8000r/min、工作臺最高轉速為2000r/min，利勃海爾LGG280磨齒機的砂輪主軸最高轉速為12000r/min、工作臺最高轉速為3000r/min，秦川機床YKS7226蝸桿砂輪磨齒機砂輪主軸最高轉速為7000r/min、工作臺最高轉速為3000r/min，重慶機床YS7232A蝸桿砂輪磨齒機砂輪主軸最高轉速為10000r/min、工作臺最高轉速為1500r/min，秦川機床YKZ7250A蝸桿砂輪磨齒機砂輪主軸最高轉速為7500r/min、工作臺最高轉速為800r/min。
 

　　此次展會上展出的三菱重工GE15FR高精度滾齒機和日本卡希富基KN80高精度滾齒機采用全閉環控制，批量高速滾齒精度達到GB 3級；三菱重工GE15FR Plus高精度滾齒機加工模數0.4mm、齒數200、外徑Φ80mm、齒寬18mm的直齒輪，在滾刀(硬質合金材料)轉速8000r/min、軸向進給速度0.2mm/rev的切削參數下，加工時間為5.7min，齒輪精度達到GB 3級，其中單一齒距誤差、累積差距誤差、齒圈徑向跳動三項檢測指標達到GB 1級；重慶機床YK3115GD和YH3120CNC干切滾齒機批量滾齒達到 GB 6級精度。
 

　　通過床身基礎件采用熱對稱設計，并有大流道便于磨削油盡快排出，且流過床身的流量始終為恒流量方式，或者采用大理石床身基座，并在工作臺尾部設有溫度傳感器，通過熱誤差模型進行補償等技術。萊斯豪爾RZ260磨齒機和利勃海爾LGG280磨齒機用蝸桿砂輪磨削齒輪達到DIN 2級精度，高的工藝穩定性實現Rz<1.0µm和Ra<0.2µm?？ㄅ凉镜腒NG12P master 成形磨齒機磨齒精度達到 DIN 1級。重慶機床YW7232A數控多功能磨齒機精密磨齒精度達到GB 3級。
 

　　2. 機床加工功能增強，應用領域不斷延伸
 

　　在同一機床上通過更換不同用途的刀具實現不同的加工方式，通過更換刀具主軸系統實現外齒、內齒的加工切換。萊斯豪爾RZ160磨齒機除具有蝸桿砂輪磨削功能外，還具有拋光磨削、成形磨削、錐齒輪磨削、非漸開線齒輪磨削、在機測量齒輪精度等功能。利勃海爾LGG280磨齒機除具有蝸桿砂輪磨削和成型磨削功能外，為滿足能磨削外齒輪和內齒輪，此機床標配一個外磨頭且可擴展一個內磨頭，用成形法磨削內齒輪；在使用新型高切削率磨削材料砂輪時，還可提供大驅動功率和轉速的外磨頭和內磨頭；新型的刀具夾緊裝置，可實現簡單快速地更換磨削刀具；匹配的內磨頭可快速方便地安裝在外磨頭上并通過主驅動軸驅動。
 

　　不斷滿足NVH的要求。萊斯豪爾、利勃海爾都已經推出了低噪音磨削，具有自由拓撲修形功能，能夠實現齒輪仿真設計軟件要求的任意形貌，可以磨削雙壓力角齒輪和緊湊型臺階齒，這兩種齒輪都是為了提高傳動功率密度或是傳動裝置小型化。
 

　　3．多任務加工復合機床，實現齒類零件全序加工
 

　　在一臺多任務機床或加工中心中通過一次裝夾便能完成整個零件的加工，從而縮短生產時間、提高質量并降低裝卸和物流成本。德國DVS集團PITTLER公司展出的PV315 SkiveLine齒輪刮削機床工藝柔性可以保證一個工件在最多兩次裝夾狀態下完成車削、銑削、鉆孔、刮齒、去毛刺、測量功能的全序高精度加工。利勃海爾推出的LK280車齒機通過一次裝夾可進行車齒、去毛刺、鉆孔(打標)、檢測等多種加工。馬扎克展出的INTEGREX i-630V/6機床一次裝夾完成車削、強力刮外齒、強力刮內齒、刻印(二維碼、Logo、英文、數字)、在機測量等任務。南京二機此次展出的YD3132CNC干式滾齒機具有滾齒、倒棱去毛刺功能。
 

　　加工齒輪時采用刀庫的一個明顯優勢是可以降低刀具的損耗。如在刮齒加工時先使用鑲有可轉位標準刀片的粗刮刀，去除掉高達80%的切削余量，然后通過刀庫更換高精度的粉末冶金高速鋼刀具或者硬質合金刀具進行精加工。精刮刀可以刃磨，粗刮刀的使用有效保護了精刮刀的耗損。
 

　　4．綠色低碳制造，實現清潔加工及減少碳排放
 

　　可持續發展模式是當今各國普遍追求的發展模式，本質上要求最有效地利用能源和資源，且最低限度地產生廢棄物。
 

　　采用高速干式切削技術，不使用冷卻液，避免了高效切削產生的油煙油霧對環境的污染和對作業人員健康的威脅，改善工作環境，實現清潔生產。同時切削速度大幅提升，提高加工效率并降低生產成本。CIMT2023展出的最大加工直徑300mm以下的滾齒機和車齒機大部分具有干式切削功能。萊斯豪爾展出的RZ260磨齒機精細化的密封設計及油霧抽吸，均經過流體力學仿真設計并驗證，還帶工件自動甩油功能，避免磨削液流出污染外部環境。
 

　　此次利勃海爾展出的LGG280磨齒機采用了一系列綠色低碳技術和裝置，如：制動能量反饋的驅動技術，使用高效的電器柜冷卻裝置，LED照明裝置，通過轉速可控型泵機供應及制備冷卻液，非氣動型自動化裝置(帶擋塊、分隔器的傳送帶)，帶檢漏功能的耗氣量監控系統，減少磨削油的現場污染，工件甩油離心裝置，水-空氣熱交換器帶可控風扇(能量和噪聲)，分階段關閉閑置的輔助驅動器。
 

　　5．機床自動化、智能化，提升齒輪加工效率和質量
 

　　為滿足提高生產效率、提高產品質量、降低成本的需求，實現智能制造齒輪是有效途徑，這就要求齒輪加工機床具有自動化、數字化、智能化功能。同時，還要滿足數字化車間、智能工廠的要求。
 

　　本屆展會展出的大多數滾齒機具有零編程人機界面，用戶只需要輸入齒輪參數和加工參數即可自動生成NC代碼，降低對機床操作人員的要求，減小人機交互的頻次并減小加工輔助時間，從而提高生產效率，同時也解決手工計算和編程出錯的可能。秦川機床展出YK3126智能滾齒機，據介紹具有智能工藝參數優化、遠程故障診斷、主軸振動主動避讓等功能。
 

　　萊斯豪爾磨齒機通過選配增加機床的智能監測系統，可對機床工作狀態的各類振動電流等進行監控，并通過對監控數據的處理判斷機床的工作狀態是否異常，對加工產品的影響，可減少產品檢測頻次，降低生產費用。
 

　　利勃海爾磨齒機在軟件/控制技術方面，推出全新的友好的操作界面，使齒輪加工機床的操作簡便易行，提供給操作者以下優點：個性化的配置、直觀的操作、加工進程和換產的操作指南、數學分析、觸摸屏操作、支持圖形輸入、調附加文檔(例如夾具組成)、可集成網絡攝像頭等，為降低刀具和夾具或主軸和工作臺意外發生碰撞時造成的損失，可提供防撞控制軟件包。
 

　　此次秦川機床、重慶機床、南京二機展出的蝸桿砂輪磨齒機具有通過軟件實現齒向任意修形、齒面扭曲補償、點修整(任意齒形修整)、齒面網紋磨削、雙壓力角非對稱齒輪磨削、小錐度齒輪磨削等各種復雜修形功能。
 

　　6．針對不同領域的齒輪加工需求，推出專業化定制機床
 

　　為滿足風電偏航機構中大模數少齒數齒輪的高效加工，重慶機床推出Y3136CNC大模數高效滾齒機，在最大加工直徑Φ360mm的機床上可高效加工最大模數為16mm的齒輪，以前該類齒輪需要在大規格滾齒機上才能加工。用在該機床上一刀滾削模數為12mm的齒輪，可達到GB 7級以上精度。
 

　　為滿足RV諧波減速器小模數齒輪的高精度、高效加工要求，三菱重工推出的GE15FR Plus高精度滾齒機，將直驅電機搭載于滾刀架及工作臺上，全閉環控制實現高精度和高效加工。
 

　　對于具有輪廓干涉的工件和特殊的齒輪修形，萊斯豪爾、利勃海爾、卡帕、重慶機床等公司推出了使用小直徑砂輪的蝸桿砂輪磨齒機。
 

　　為滿足機器人RV減速器、自動變速箱的內外齒輪磨齒需要，利勃海爾推出LGG280新一代多功能高效高性能磨齒機，床身材料使用高熱穩定材料，機床輔助時間軸齒6s，盤齒4s，機床可配置多種內外磨頭，內齒磨頭利用外齒磨頭裝砂輪的接口安裝，由外齒磨頭主軸驅動。
 

　　7．完善齒輪制造產業鏈，提供齒輪加工一體化解決方案
 

　　國外幾家著名齒輪加工機床制造企業，通過并購齒輪分析仿真設計軟件公司、齒輪測量儀廠家等，不斷完善齒輪制造產業鏈，擁有高性能齒輪制造成套技術，提供齒輪加工一體化整體解決方案。
 

　　利勃海爾公司收購德國VENZEL公司齒輪測量中心業務后，此次展會展出了新的齒輪測量中心。為此，利勃海爾成為繼格里森、克林貝格、卡帕后第四家能提供精密齒輪加工機床、齒輪刀具、齒輪夾具、齒輪測量中心、齒輪設計計算軟件的世界著名齒輪制造一體化整體解決方案的公司。
 

　　二、技術分析
 

　　齒輪在汽車、工程機械、機器人、風力發電、船舶、航空航天等領域廣泛應用。近年來，隨著新能源汽車、機器人、航空航天等行業對減速器結構緊湊化、齒輪模數小型化、內齒輪占比增加，齒輪精度等性能要求越來越高。主要體現在齒輪高轉速、傳動平穩、噪聲低、壽命長，從而要求實現高性能齒輪制造，越來越多的齒輪要求硬齒面磨削或珩齒。
 

　　目前，滾齒、車(刮)齒、磨齒、珩齒成為圓柱齒輪最主要的加工方式，銑齒、磨齒是螺旋傘齒輪最主要的加工方式。在此次展會上展出最多的也是滾齒機、車齒機、磨齒機，體現了齒輪加工機床制造企業在適應市場需求。
 

　　CIMT2023境內主要齒輪加工機床制造企業展出的機床顯示，市場需求的主要齒輪加工機床如滾齒機、車齒機、磨齒機、珩齒機、插齒機、銑齒機品種齊全。在批量高效加工條件下，滾齒精度達到6級、車齒精度達到6級、磨齒精度達到4級，都比以前提高了1級精度。滾齒機主軸轉速達到2500r/min、工作臺轉速達到300r/min，磨齒機主軸轉速達到10000r/min、工作臺轉速達到2000r/min，主軸轉速不斷提高。在熱誤差控制方面，有的磨齒機床身基礎件采用熱對稱設計，并有大流道便于磨削油盡快排出，且流過床身的流量始終為恒流量，并設有在線測頭，可以對工件的正側向進行測量，以補償尺寸變化。在智能化方面，普遍具有人機界面功能，有的磨齒機具有基本的工藝數據庫管理，有的滾齒機具有熱誤差補償、智能工藝參數優化、遠程故障診斷、主軸振動主動避讓功能。在節能環保技術方面，中小規格滾齒機、車齒機大部分具有高速干式切削并配置粉塵收集器，磨齒機采用封閉式的防護，高效油霧分離系統及磨削油回收循環系統。
 

　　盡管國產齒輪加工機床在多方面有長足進步，但是和國外先進技術水平相比還有很大差距。主要體現在以下方面：
 

　　1．機床品種
 

　　在齒輪加工機床品種方面，國產高效精密珩齒機還處于研發試驗階段，還沒推向生產。歐美國家的珩齒機技術成熟，還在不斷提升。日本珩齒機已實現產業化，進步明顯。
 

　　2．加工精度
 

　　磨齒方面，萊斯豪爾和利勃海爾生產的蝸桿砂輪磨齒機批量加工齒輪精度達到 4級精度，精加工精度達到2級；卡帕生產的成形磨齒機精加工精度達到 1級；國產蝸桿砂輪磨齒機批量加工齒輪精度為5級，精加工精度為3級，比國外低1-2級精度。
 

　　3．主軸轉速
 

　　利勃海爾磨齒機砂輪主軸轉速達到12000r/min，工作臺轉速達到3000r/min；采用國外進口力矩電機和電主軸的國產磨齒機砂輪主軸最高轉速為10000r/min，工作臺最高轉速為2000r/min。
 

　　4．機床功能
 

　　萊斯豪爾磨齒機具有蝸桿砂輪磨削、拋光磨削、成形磨削、錐齒輪磨削、非漸開線齒輪磨削、在機測量齒輪精度等功能。利勃海爾磨齒機除具有蝸桿砂輪和成形磨削功能外，還具有拋光磨削、錐齒輪磨削、非漸開線齒輪磨削功能，通過配置三種刀架可以加工外齒輪、內齒輪及雙聯臺階齒；同時還配有業界最先進的自由拓撲修形軟件。
 

　　國產磨齒機可實現齒向任意修形、齒面扭曲補償、點修整(任意齒形修整)、齒面網紋磨削、雙壓力角非對稱齒輪磨削、小錐度齒輪磨削等復雜修形功能，在機床使用功能方面和國外比較還有較大差距。
 

　　5．熱穩定性
 

　　國外磨齒機等高精度機床大多經過熱力學仿真設計，采用大理石床身基座，有大流道便于磨削油盡快排出，且流過床身的流量始終為恒流量，并在工作臺尾部設有溫度傳感器，通過熱誤差模型進行補償。
 

　　國產磨齒機床身基礎件采用熱對稱設計，有大流道便于磨削油盡快排出，且流過床身的流量始終為恒流量，并設有在線測頭，可以對工件的正側向進行測量，以補償尺寸變化。但是，國產磨齒機在熱穩定性設計與補償方面還有差距。
 

　　6．智能化程度
 

　　國外齒輪加工機床具有人機界面功能，機床內部設有機床性能監控，比如各個電機軸、絲桿的運行狀態監控；基于大數據的工藝數據庫，可以根據用戶輸入推薦適合的加工工藝參數；機床運行自動化監控，工藝過程監控；軟件算法及控制技術方面具有個性化配置、直觀操作、加工進程和換產的操作指南、數學分析、圖形輸入、調用附加文檔、可集成網絡攝像頭等功能；有自由拓撲修形功能，能夠實現齒輪仿真設計軟件要求的任意形貌。
 

　　國內機床普遍具有人機界面功能，有的磨齒機具有基本的工藝數據庫管理，有的滾齒機具有熱誤差補償、智能工藝參數優化、遠程故障診斷、主軸振動主動避讓功能。
 

　　三、技術和產品新發現
 

　　磨齒機方面，高效磨齒機數控系統除了西門子，兩家選用發那科系統。機床磨削效率進一步提升，主要是機床輔助時間縮短，尼得科(日本三菱)雙工位磨齒機輔助時間3S。利勃海爾和卡帕都展示蝸桿砂輪磨齒機CBN磨削技術，分粗精磨削，適用于大批量、更加高效齒輪磨削。萊斯豪爾 RZ260 KWS 4.0通過智能的實時數據處理和測試過的算法對修整和磨削過程進行測量和監控。對于每個工件，修整和磨削過程中產生的所有數據都被記錄并存儲在數據庫中，保證100%的可追溯性。利用存儲的工藝和刀具數據，包括通過DMC識別工件，提供了綜合分析的手段。由于過程信息交互，并使用預置的限制，超過或低于這些限制的工件將被自動移除。應用工業4.0數字化產品和服務，解決涵蓋系統集成、深入過程分析、預測性維護諸多方面問題，最大限度發揮機床潛力。
 

　　但在新能源汽車齒輪轉速(30000r/min)提升要求磨削齒輪形狀誤差ffa<0.001mm、齒形齒向角度一致性偏差fHa、fHB<0.002㎜，參展磨齒機制造商都還沒有明確的能滿足要求。在齒面粗糙度方面通過磨齒+鏡面磨削，或通過珩齒使齒面粗糙度達到0.2以上，卡希富基展示通過磨齒+齒面拋光使齒面粗糙度達到0.08以上，滿足更高轉速齒輪要求。
 

　　成形磨方面有多家公司展出成品，中國臺灣陸聯(邁萃斯)展示400規格成形砂輪磨齒機，售價200多萬，比秦川、星合、康尼、永裕來、華當數控高出近一倍。南工大展示一臺1250規格成形砂輪磨齒機，售價400多萬，磨削精度國標5級。進口成形砂輪磨齒機方面，除了復合磨齒機(成形、蝸桿復合)，其他都沒有展示。成形砂輪磨齒機小規格市場銷售熱點在新能源汽車齒輪箱打樣和高精度小批量生產以及航空航天領域，境內外產品市場售價相差5-8倍以上。大規格成形砂輪磨齒機主要市場在風電、船用、軌道交通，市場銷售形勢良好，國內外產品售價相差約2倍以上，磨削精度5-4級，對機床精度、效率和可靠性要求更高。