剃齿工艺与磨齿工艺的对比

王工

     众所周知，剃齿加工和磨削加工是两种不同的齿轮精加工方法。剃齿是在热处理前进行的（这也是剃齿加工受限的原因），而磨齿是在热处理之后进行的。近几年来，随着机械加工精度的不断提高、数控机床的不断完善以及加工软件的迅速发展，齿轮精加工技术得以不断发展，齿轮磨削精度、效率和各种功能已达到了极高的水平。由于新型陶瓷和CBN砂轮的使用，无论成形磨削还是展成磨削都获得了很大的进步，因此曾经有人认为，几年以后剃齿加工几乎会完全被磨齿加工取代，因为确实有很多过去用剃齿加工的齿轮现在改用了磨齿加工。但出乎人们的预料，目前在全球的齿轮生产中，剃齿加工还是最主要的齿轮精加工手段。

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2 高精度设备剃齿工艺与磨齿工艺的对比
    齿轮剃齿工艺与齿轮磨削工艺并存的原因有很多，限于文章篇幅，仅作以下简单分析对比：
    （1）传动噪音的降低
    造成传动装置噪音的原因主要有：①齿轮的精度（包括齿形、齿向、齿距等）；②装置的精度（箱体孔系精度、中心距及其变动量）；③变速箱的结构（传动的刚性及变形）等。
    一直以来，齿轮生产商完全依赖齿轮磨削加工以改善整个齿轮的质量。但尽管磨削加工工艺在保证齿轮加工精度方面几乎完美无缺，可惜的是其加工费用及投资成本很高，难以用较低的成本获得高质量的齿轮。另一方面，高精度的齿轮并不一定会保证传动噪音的降低。
     随着数控剃齿技术的发展，借助于先进的数控剃齿刀磨床，如今我们可以在几十分钟内完成各种修形剃齿刀的磨削。与此同时，现在的剃齿机床通过程序可以控制所有的动作。也就是说，目前我们已有能力实现几年以前还无法实现的剃齿加工。虽然一些齿轮热处理后的质量还无法全面控制（淬火会造成某些齿轮、特别是结构不匀称的齿轮的变形，常见于车辆及拖拉机的变速装置），但我们通过将剃齿精度控制在5级并设置剃齿的反变形措施，可以将汽车齿轮、尤其是那些用于自动变速器中的行星齿轮的热处理变形降到最低，从而稳定齿轮的成品尺寸。
    采用先进的剃齿加工工艺可将齿向精度提高2～3个等级（DIN标准），把齿形精度提高2～3个等级（DIN标准），把齿距的精度提高1～2等级（DIN标准），使剃齿表面粗糙度接近磨削加工表面粗糙度（Ra0.4～0.6μm），通过细致的剃前及剃齿加工得到5级精度（DIN3962）的齿轮（齿轮的内在特点应该符合剃齿加工的使用情况）。

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为了降低齿轮的啮合噪音，我们通常要考虑到齿形和齿向的理论标准与实际情况。在剃齿生产时，必须检查啮合齿轮的啮合状况，有时还需进行齿形的特殊修形，以降低传动噪音。现在有了全数控剃齿刀磨床，这样的修形是很容易实现的。
    （2）热处理变形的消除或减小
    在中、大规模的生产中，通过分析研究因热处理造成的齿轮齿形及齿向的变形，可以在剃齿加工期间加以补偿量（反变形），以达到消除或减小热处理变形的目的。
    由于理论齿向会与实际测量的齿向有差别，因此通过对剃齿加工工艺剃齿参数及特殊剃齿刀的各方面控制，达到理想的齿轮齿向精度，同时降低传动噪音，实现用低成本的剃齿工艺加工出与高成本磨齿工艺加工的相同质量的齿轮，满足各种变速齿轮的质量要求。
    （3）数控机床剃齿加工工艺的优势
    ①可完成各种齿形、齿向修形，获得具有高精加工表面、良好齿形的齿轮；
    ②剃齿作为一种被广泛采用的齿轮加工工艺，具有加工过程灵活而迅速、生产效率高、自动化程度高等特点。可以将剃齿机床插入自动生产线；对刀具可实现物尽其用；
    ③加工费用低（包含机器折旧与工具费用），维修费用低，可降低成本。
    （4）齿轮剃齿工艺的适用范围
    根据齿轮标准DIN3962，剃齿工艺的主要适用范围为：
    ①DIN7～8等级：使用范围：质量要求不高的工业车辆、农业机械、拖拉机和机床齿轮；汽车变速箱、低速的减速器等；
    ②DIN6等级：首先通过剃齿加工达到5级精度，则热处理后达到6级是很容易实现的。使用范围：各种汽车（包括质量要求较高的汽车）的变速箱，工业车辆、机床、减速器用齿轮。这是应用最广泛的精度等级；
    ③DIN5等级：在剃齿加工后，通过对热处理变形的控制，保证经过热处理后的齿轮成品精度不会改变。使用范围：飞机的齿轮系，高品质汽车，公共汽车，卡车，量仪等。

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除此以外，有一些齿轮因不能磨削，也需要采用剃齿工艺来加工，如与大齿轮相连的小齿数齿轮或带台肩的齿轮、同步器等零部件。例如变速箱二轴的剃齿加工，被剃齿轮主要是用于车辆的传动装置。由于二速齿轮不能磨削，因此必需剃齿（一般来说用插齿刀加工的齿轮都不能采用磨削加工）。
    当然，对一些传动极大力矩的齿轮系（如重型卡车等）而言，尽管采用剃齿工艺同样可以得到最终要求的精度，但目前多是经过成形磨削加工的。这是因为成形磨削使齿轮的根部圆滑过渡，使齿轮变得更坚固，传动中打齿的风险也大大减少，因此较大模数（4～8mm）的齿轮通常采用磨削加工。此外，DIN4等级以上的齿轮必须要采用磨削工艺。
    近年来一项快速发展的新工艺———内珩磨工艺推动了齿轮剃齿工艺的大量采用。由于CBN砂轮珩磨加工去除的金属材料不多，珩磨齿轮的珩前误差也不能很大，同时CBN砂轮的价格非常昂贵，如果热处理造成的齿轮变形很大，为了便于切除材料，应在热处理前用具有变形补偿的剃齿工艺切除较多的余量，并有效减少热处理变形，这将有助于热处理后的珩磨加工。

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（5）对比实例
    同样加工自动变速用的行星齿轮，采用磨削工艺可以在大约一分钟内获得5级（DIN标准）齿轮；而采用剃齿加工获得同样等级的齿轮所需加工时间比一般磨削的减少13～15s。此外，剃齿加工仅仅需要一台机床，而磨削加工却至少需要三台机床，所以选择磨削加工的成本也是剃齿加工的两倍。
    鉴于上述情况，在选择齿轮加工工艺之前，首先应估算所有费用和利润。
    3 剃齿工艺的进步
    （1）剃齿刀的改进
     目前剃齿刀不像齿轮加工业使用的其它刀具那样有很大的进展（比如滚刀首先通过引进TiN、TiAlN、TiCN涂层，并允许采用切削速度近 200m/min的新型高速钢材料，达到了很好的效果）。剃齿加工时，切除的材料不多，切削速度也不高，因此加工中刀具刃口的压力不大。尽管如此，有关专家仍觉得有必要使剃齿刀刃口更加锋利以便能降低损耗。剃齿刀的制造工艺没有变化，涂层工艺对剃齿刀也没有很大的作用（因为剃齿刀容屑槽的侧表面热处理后不再加工，表面较粗糙，TiN涂层难以贴附在该槽侧面上），因此专家们把注意力转到了改善剃齿槽的侧面粗糙度上。现在开发的数控梳槽机已使剃齿刀容屑槽侧面的加工表面粗糙度有了很大改变。此外，日本已有研究人员在有关刀具材料热处理后的液化氮深冷处理方面进行了试验。通过这种方法使剃齿刀材料的特性予以改变，平均使用寿命延长，剃齿刀的性能也有所改善。
    另一方面值得强调的是现代数控剃齿刀磨床实现了灵活性、高精度及快速。这三个主要特点使采用剃齿工艺加工的齿轮精度得到了显著的改进。这也是剃齿工艺没有被磨削工艺代替的另一个原因。
    （2）剃齿机床及工艺的发展
     近50年来，剃齿机床不断地发展，剃齿技术日益完善。最新的数控剃齿机床可以执行各种各样的剃齿加工程序（包括轴向剃齿、对角剃齿、切向剃齿和径向剃齿等），而且在对同一齿轮的剃齿过程中，可以从一种剃齿方法转到另一种剃齿方法。这些特殊的工艺过程都是在数控（NC）的直接监督和控制下实现的。数控剃齿的好处在于在剃齿过程中可实现切削速度、径向进给、行程等各种参数的控制，在剃齿过程中，进给量、切削速度和行程长度等参数都能进行改变，更便于我们选择不同的加工条件。在具体的剃齿加工过程中，除了上述标准剃齿方法以外，也可以选择“渐进对角剃齿（Progressive Diagonal Cycle）”、“不连续对角剃齿（Disjointed Diagonal Cycle）”、“混合剃齿（Mixed Cycle）”和“双联剃齿（Twin Linked Cycle）”等特定工艺。

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①渐进对角剃齿
    对角剃齿时，在齿向上可能发生的鼓形由工作台围着中心的摆动来实现。这种动作是绕x轴线摆动而实现的，是在计算机控制下完成的。x、y、w三轴线的协同运动可造成鼓形或者在齿轮的双侧面形成锥角。如果鼓形相当大、拟切除的材料过量、要对齿轮进行多次摆动剃齿，可以设定x轴线的摆动次数以便两端的材料渐进地切除。
    ②混合剃齿
    众所周知，径向剃齿比切向剃齿所用的时间短，但加工表面比较粗糙。解决办法是通过径向切削切除大量余量，然后进行轴向或对角剃齿实现精加工。采用这种混合剃齿方法，可实现缩短剃齿时间和获得良好剃齿表面质量的统一。
    ③不连续对角剃齿循环、双联剃齿
     采用不连续对角剃齿循环和双联剃齿两种特殊工艺可得到不同的齿向修正。例如：用不连续对角剃齿把加工程序分成三段，并根据每段的具体加工标准拟订不同的鼓形和锥度要求。由此我们比较容易获得特殊及不对称凸形的齿向修正，从而能加工出与淬火后可能发生的变形相对应的反变形齿形，改变齿轮的啮合状况，降低齿轮啮合的噪音。

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磨齿

    采用磨齿加工的齿轮具有低传动噪音、高传动效率和长使用寿命的优点。磨齿加工曾被认为是一种用于航空或其它高技术领域的昂贵齿轮加工手段。但现在，观念已经改变：磨齿机的效率提高了，砂轮性能也更好，高额成本得以大幅下降。由此，磨齿加工已开始大规模应用于齿轮加工中，如汽车、摩托车齿轮的制造，而且已达到普遍应用的程度。事实上，所有一级汽车齿轮供应商为保持竞争力，已普遍拥有磨齿机。汽车工业在未来2～5年内将逐渐成为硬齿面加工最大的增长市场。由于磨齿加工能去掉热处理畸变，因此许多齿轮箱均使用磨削齿轮，以更好地控制传动空程和噪音。磨齿加工工艺在整个齿轮行业中已基本成熟并在快速增长。
    磨齿机的进步
    今天的磨齿机比十年前的同类型机床的效率提高了许多。这来源于一系列重大改进：
    1 机载测量
    许多磨齿机因配备了机载测量系统而变得更为精确。由于使用了在机测量，不必将齿轮从工作台上拆卸下来送到其它地方去检测，避免了再加工时的二次安装误差。加工时，先由机载测量系统初步分析齿轮，再将实测参数与理论设计参数对比，求出所需修正量，控制系统采集到这些修正数据后自动调整磨齿加工状态，然后再进行磨齿和测量。如此反复循环，直至达到所需的精度要求。一体化机载测量和机载修正系统使现代磨齿机更加高效。
    在国内，如秦川发展股份有限公司的YK75100型成型砂轮磨齿机，配以成都工具研究所的CEP 1000型上置式齿轮测量系统，已成功尝试了开环式在机测量(实测数据的反馈与控制还需人工完成)。但就国内整体水平而言，加工与测量的精度还需进一步提高。
    2 直驱电机
    近年来，结构紧凑的直驱电机在砂轮主轴和齿轮工件主轴上的使用日渐增加。直驱主轴可避免传动链误差。因此，在“修砂轮—磨齿轮”循环中运用直驱电机，并配以较好的砂轮和多轴联动控制，可消除切削纹、偏畸几何形状、齿轮使用噪音的高频误差及有害振动。
    3 自动化
    “自动化”一词越来越多地应用于磨齿加工特别是流程化生产中，包括工件安装、换刀以及与工件流程同步的库存分类等。自动化消除了机器空转时间并有利于减少工序间等待时间。
    4 磨齿机软件
    基于Windows的软件也像应用于个人计算机一样，广泛应用于今天的磨齿机中(如基于Windows的设计系统和数控系统)。以前只能以纸绘图，现在，图形界面和算法软件相结合的设计加修正软件包可使齿轮几何尺寸设计程序化和局部制造仿真化。
    驱动、滚珠丝杠和位置传感器三者间的高精度闭环控制因软件的应用而得以实现。许多新一代磨齿机的部件配有与驱动单元分离的位置传感器，因而具有更高的精度和热稳定性。绝对式位移传感器和绝对编码技术保证了在高定位精度前提下，反馈数据的高速传输和机床传动的稳定性。
    5 机床外形
    如今的磨齿机外形更小，占地更少，这使制造商能更好地使用有限的生产区域，以“创造”更多可用空间，不必把钱花在扩建厂房的“砖块与水泥”上，而用于购置设备。
    6 新材料砂轮
    先进的陶瓷结合剂砂轮和电镀立方氮化硼(CBN)砂轮有着同样高的生产效率。由于“混合颗粒”型合成物中使用了新材料以及粘接工艺的进步，提高了陶瓷结合剂砂轮的强韧性、形状精度保持力、材料切除力和耐用性。这些优异性能来源于高性能颗粒结构和增大的孔隙度。同时，良好的颗粒结构减少了磨削压力，降低了磨削温度。
    现在，由于使用了高压冷却液系统的新冷磨型陶瓷磨粒，而使得电镀CBN砂轮和陶瓷结合剂砂轮的选择变得困难。但电镀CBN砂轮比陶瓷结合剂砂轮操作简单，安装时间短，对操作者技术能力要求较低，提供了一个相对CBN磨粒陶瓷结合剂砂轮更可行的低成本选择。
    美国Reishauer公司用他们的“冷磨削”工艺测试了这些陶瓷砂轮，结论是：①最新的氧化铝磨粒和陶瓷磨粒砂轮可产生与CBN磨粒陶瓷结合剂砂轮相同或更小的压力。②与预期相反，陶瓷砂轮比CBN砂轮效率更高且耐用。③与电镀CBN砂轮不同，陶瓷砂轮能在磨齿机上重修锋利，而电镀CBN砂轮必须送回原厂修磨。
    陶瓷砂轮有较高切削速度(如60m/s)，故适用于齿轮的大规模生产。这种磨轮比以前其它磨轮(如氧化铝砂轮)有更长的使用寿命。新的砂轮技术更多地使用在磨削加工产量最大的200mm及以下尺寸齿轮的蜗杆砂轮中。
    7 磨削费用的降低
    如今，磨齿成本大幅下降，其原因很多，如基于模块化设计的高性价比机型、数控系统、流程化生产等，即使是综合了前述所有先进技术的磨齿机也比以前的机型便宜得多，大批量生产使单件生产周期比以前缩短了50%～70%，损耗品(砂轮和金刚石修正器等)成本也大幅下降。

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国国家计量院（PTB）开发了一种全新标定理念,可用于高精度标定产品型齿轮样板(标准件)，这是通过减少当今齿轮样板标定的不确定度来满足齿轮制造业日益增长的质量要求而迈出的关键一步。
  近年来的国家标准和国际标准（如AGMA和ISO标准）均要求齿轮制造厂商考虑测量的不确定度，为此，齿轮制造者需减小原图纸上所规定的制造公差。随之，就需要高精度的标定，以使测量不确定度尽可能小而制造公差尽可能大。
  本文所描述的测量装置基于坐标测量机（CMM），并在其上配备高精度回转工作台、用于测距的跟踪式激光干涉仪（TI）和经认可的评价软件。整个测量过程和软件测试的基准（标准）算法所采用的测量方法都由PTB开发。

齿轮标定的新理念及装置

  齿轮测量常需要很高的测量精度，现今高质量齿轮所规定的公差常常落在测量的不确度范围之内，齿轮（产品）的质量不再被认为是可靠的了。在工业领域测量的不确定度中，有相当大的部分是由于缺乏高精度标定过的样板而造成的，该样板具有工业齿轮的复杂形状。而现在国家基准样板的形状和工业产品齿轮是大不相同的，这使得通过直接比较测量结果来实现高精度传递是不可能的。其结果是，从计量院到车间，测量不确定度不断增加。因而PTB开发了一种新的理念，它可用于产品型样板的直接标定。
  渐开线齿轮的所有重要测量项目（如齿廓、齿向和齿距测量）都是由一个线性回转运动和一个线性直线运动组成，这个齿轮运动学的特点被用来减少仪器导轨几何误差的影响。
  全新高精度齿轮测量装置基于的原理是，设法取得最精确的测量结果。该理念结合了CMM的可柔性，具有传统测量策略的优越性，允许三维产品型样板的标定精度和现今二维国家基准样板标定精度相同。
  新的齿轮测量装置基于4个部分（部件）：高精密、接触测量的笛卡尔式CMM，回转工作台，跟踪式激光干涉仪（TI）和经确认的评价软件，高精度的回转工作台集成于CMM的测量工作台。与市场上的商品相比，该回转工作台的几何误差非常小，而且，无论是CMM还是回转工作台都需经过数字修正（补偿）。
  由PTB开发的TI，它的激光束跟踪安装靠近探头端部的反射镜，这使激光束方向上长度数值的精度达到了干涉仪的精度。
  检测位置是由CMM与回转工作台位置从刻尺上得到的读数和跟踪激光干涉仪测量得到距离的合成得到的。从仪器各部件所获得的所有测量信息代表了测量点的过确定（冗余）的数字信息，专利算法用于找到提高精度的位置。温度对CMM和TI的影响通过检测后修正。整个测量过程测量策略和评价算法都由PTB开发，相应软件由Java实现。每单个测量点的数据以静态模式（非扫描模式）得到，所有部件的读数由CMM控制且同时读取。

数学背景

  提高精度的检测位置是通过CMM刻尺的读数和干涉仪一点一点测得的距离计算而得到，这要求参考（基准）位置x0预先得知。要决定x0，CMM必须移动4个位置（x1…x4），且它们必须不在同一直线、平面或球面上。在每个CMM位置xi，测得距离di，通过平方误差和的最小化能得到未知位置x0。
  当TI的位置确定后，就能进行实际的测量了。在每次测量过程中，探测系统的信号、仪器刻尺和干涉仪长度信息同时被记录下来。
  提高精度CMM位置x′的计算：假定提高精度的位置x′和仪器刻尺上读取的位置x相差Δx，而它们偏离（参照）基准位置的距离d和d′的差值为Δd，提高精度位置x′也和干涉仪位置x0有关

  x'＝x+Δx
  d'＝d+Δd'
  d'＝｜x'-x0｜

  提高精度的坐标值和距离值能通过一个目标函数的数学最优化来找到，即给距离测量值d′大的权重而给位置x′小的权重。CMM刻尺位置Up的估计不确定度的倒数值和干涉仪的距离Ud估计不确定度的倒数值按下式合理地选择
  
  Δx2/Up2+Δy2/Up2+Δz2/Up2+Δd2/Ud2→Min

  原则上，采用任何数字方法都能进行最优化，由于TI测量中没有得到任何方向信息，位置测量不确定的减少只有在连接探测系统和干涉仪位置的直线方向上才能得到。如果原始位置x的不确定度假设是个球形，则提高精度位置x′的不确定度在测量齿廓中将为椭球形。

跟踪激光干涉仪

  TI的距离测量不确定度是系统在光束方线上不确定度的主要因素。跟踪仪回转点的稳定性特别重要。由于商用激光跟踪仪的距离测量不确度达不到亚微米级，PTB开发了一种新的高精密跟踪干涉仪。在该设计中，安装在万向接头上的干涉仪基于一个固定的参照（基准）球面运动，该球面仅作为干涉仪的一面基准（参照）镜面起作用。由于采用了这个工作原理，回转机构轴系的径向或侧向偏差都不影响测量的精度。
  TI长度测量的精确度主要取决于基准球面的质量和它在空间位置的重复精度。为将其影响减至最小，基准球面的形状误差要少于30nm。它安装在一个殷钢柱上，以避免由于热膨胀引起任何位移，环境条件诸如温度、大气压和相对湿度等都进行监控，以修正激光信号。由于TI直径仅为200mm、高度250mm、重量7kg，故可直接放置于CMM工作台面上。

基准（参照）软件

  新的评价（计值）软件能按照通常齿轮评估标准和指导文件的定义对修形的产品型齿轮样板几何参数的测量结果计值。此外，该软件还能用来比较PTB基准软件得到的数值和工业界计算得到数值间的差异，以便工业界来确认它的产品精度。
  为了验证新方法对齿轮渐开线齿廓样板的测量效果，进行了比较测量。国家基准齿廓样板具有高等级表面质量和非常小的不确定度的测量值，这对评价新的测量方法提供了极好的条件。测量按照齿轮展成原理进行。
  从测量结果可以看出，样板的标定值和新装置测量结果的一致性很好。通过与通用CMM的测量结果进行比较，证明新方法大大改善了测量不确定度。新测量装置的测量不确定度满足了提高的质量要求，如今它已用于标定产品型齿轮样板。 谢华锟 译

jsxyzhangjia

分析的很全面，很到位！

ryanwang1739

好！！！分析的透彻。