齿轮发展趋势及加工误差

2024-07-17

齿轮发展趋势及加工误差（共5篇）

齿轮发展趋势及加工误差篇1

齿轮发展趋势及加工误差

齿轮是现代机械传动中的重要组成部分。从国防机械到民用机械，从重工业机械到轻工业机械，无不广泛的采用齿轮传动。随着我国工农业生产和科学技术的飞跃发展，齿轮的需求显著增加。因此，高精度齿轮生产，便成为发展机械工业的一个重要环节。近几年来，齿轮生产队伍发展壮大。根据不同的齿轮特性，分布略有不同，自动变速箱完全在外资企业控制，只能做齿轮配套。通用变速箱外资的多，国内主要是名企为主。

专用变速箱：国有企业占据主要市场。

高速重载齿轮：国有企业、外资企业为主。

齿轮的基圆是决定渐开线齿形的惟一参数，如果在滚齿加工时基圆产生误差，齿形势必也会有误差。基圆半径R= 滚刀移动速度／工作台回转角速度为滚刀原始齿形角)，在滚齿加工过程中渐开线齿形主要靠滚刀与齿坯之间保持一定速比的分齿来保证，由此可见，齿形误差主要是滚刀齿形误差决定的，滚刀刃磨质量不好很容易出现齿形误差。

2008 年，中型企业集团化，重点企业的产量、销售额占全行业的 75%以上，现在年销售额超过1 亿元的企业已有150 多家，还有一批超过 10 亿元的企业。重点地区分为大中型分变速箱的企业分布情况进行分布主要集中在：汽车自动变速箱齿轮，基本外国垄断。

根据我国《装备制造业“十一五”发展规划》、《国家重大技术装备研制和重大产业技术开发专项规划》、《关于加快振兴装备制造业的若干意见》，2010 年发展的目标是我国装备制造业经济总量进入世界前三位，为了扭转基础装备和基础零部件行业薄弱的状况，作为装备制造业中成套设备的重要基础件，东莞齿轮行业作为机械行业的基础工业，专业设备的重要组成，必然会在产业扶持上提供。

齿轮发展趋势及加工误差篇2

数控机床轮廓误差的成因除了机床结构误差、加工刀具磨损等机械原因外[1],主要还有进给轴驱动系统的动态响应引起的误差[2]。动态响应性能与两方面有关:第一,进给轴驱动系统的闭环控制特性[3];第二,控制器命令信号和伺服驱动器的执行元件特性在位置、速度、加速度三方面的匹配程度[4]。

电子齿轮比定义了指令脉冲当量和反馈脉冲当量的关系,完成了位置信号的匹配,使得实际加工轮廓尺寸和目标轮廓尺寸相同[5]。同时根据速度插补原则,通过电子齿轮比还可以实现目标速度和实际加工速度的匹配[6]。但电子齿轮比在代替机械减速箱的同时,一直忽视了插补加速度与进给轴驱动系统最大加速能力之间的匹配。而加速度信号不匹配也是引起动态位置跟踪误差的主要原因之一[7]。同时,如果驱动系统不能以最大加速能力进行加减速,必然要影响数控机床的加工效率。

本文研究了电子齿轮比对数控机床轮廓误差和加工效率的影响,提出电子齿轮比和插补加速度优化算法,以期在保证轮廓误差最小的前提下尽量提高加工效率。

1 电子齿轮比设计中存在的问题

数控机床包括三个核心技术模块:上位机软件对任意图案的轨迹规划功能模块、控制器进行精插补功能模块、多轴联动伺服驱动功能模块。如图1所示。电子齿轮比都是由伺服驱动器内部提供的,所以传统意义上的电子齿轮比都是添加在图1中③处[8]。

以上添加电子齿轮比的方法中,没有涉及加速度操作,如果电子齿轮比的值大于1,则在目标位置、目标速度信号放大的同时,驱动系统的目标加速度信号也将被放大。如果放大后的目标加速度值大于甚至远大于各轴伺服驱动系统的最大加速度值amax,不管是直线加减速响应还是S曲线加减速响应,实际加工轮廓的变形都在所难免。这是目前添加电子齿轮比的方法中存在的第一个问题。

电脑上轨迹规划软件有每个轴分辨率设置项,且控制器在接收坐标点序列时可以改变插补用坐标值大小,伺服驱动器取到目标速度后可以改变伺服驱动器的目标指令值,这三个功能分别在图1中①、②(精插补前)、③处(精插补后)实现。电子齿轮比既然是指令脉冲当量和反馈脉冲当量的匹配,那么电子齿轮比不仅可以在③处添加,同样也可以在①或②处添加。修改轨迹规划分辨率的办法在工程应用中不可取。一般电子齿轮比可取0.01～100之间的数值。当电子齿轮比g远大于1时,在插补前添加电子齿轮比,实际线段长度被放大了g倍,从而,连续微直线段拟合曲线的精度、平滑度变差;在插补后添加电子齿轮比,由于插补加速度已定,经过电子齿轮比放大后,伺服系统命令信号中的加速度信号被放大g倍,由于伺服系统实际最大加速度能力有限,很容易引起伺服电机加减速过程中的动态位置跟踪误差过大,而造成轮廓误差偏大。当电子齿轮比远小于1时,插补前添加电子齿轮比,很多微线段的长度被进一步缩小,在速度插补中极有可能被误认为是不需要加工的直线而被删除,使得目标图案中大量有用信息丢失;插补后添加电子齿轮比,由于插补加速度不变,伺服系统工作速度被缩小了g倍,伺服电机工作在低转速下,加工效率降低,同时速度远低于额定工作转速,加工效果会受到影响。

将电子齿轮比简单地放在插补前或插补后,特别地,当电子齿轮比的值远远大于1或远远小于1时,都会对轮廓误差或加工效率产生不利影响。这是目前取电子齿轮比的方法中存在的第二个问题。如果控制器和驱动器是分开设计的,则第二个问题难以避免。

为解决以上两个问题,本文研究了一种电子齿轮比和插补加速度同时考虑的优化算法,以期达到插补加速度和驱动轴最大加速能力的匹配。

2 电子齿轮比和插补加速度优化算法

文献[6,7]表明,将控制器和伺服驱动器设计成一个整体(本文中称为组合控制器)已经成为一个比较热门的研究方向,甚至有趋势将轨迹规划软件、插补算法及伺服驱动全部整合在一起。本文对组合控制器中,伺服系统、电子齿轮比、插补控制之间的优化设置方法,以及在优化设置方法下,实现轮廓误差最小、机床加工效率最高的效果进行研究。

2.1针对不同转动惯量值进行优化

电子齿轮比仍然添加在图1中③处。最大加速能力为峰值转矩与转动惯量的比值。伺服系统最大加速能力amax的计算公式如下:

$a_{\max} = \frac{Κ_{t} Ι_{Ν} γ τ}{J}$ (1)

式中,IN为伺服电机额定电流;Kt为伺服电机电磁转矩系数;γ为伺服系统过载倍数;τ为伺服驱动器中速度闭环输出限幅系数;J为电机转子轴上转动惯量J0与直驱丝杆上平移运动质量m折算到转子上转动惯量Je之和。

m的折算公式为

$J_{e} = m (\frac{Ρ_{B}}{2 π})^{2}$ (2)

式中,PB为丝杆螺距。

对于一个X/Y轴数控机床,如果已经知道两个伺服驱动系统的最大加速能力amax-X、amax-Y,也可以通过峰值转矩输出记录速度变化来测量amax-X和amax-Y。令gX、gY分别为X轴、Y轴电子齿轮比,则最大加速能力的幅值Amax为

$A_{\max} = \min (\frac{a_{\max - X}}{g_{X}}, \frac{a_{\max - Y}}{g_{Y}})$ (3)

已知伺服驱动系统前向通道增益为K,系统在位置斜坡输入p(t)=vt的作用下,稳态位置跟踪误差ε为

$ε = \frac{v}{Κ}$ (4)

可以近似认为伺服电机启动加速过程和制动减速过程中,速度为斜线变化趋势,动态位置跟踪误差也为斜线变化趋势。数控机床在加工中总是处于不停地加减速的状态,如果伺服驱动系统采用最大加减速能力进行启动和制动,则机床的加工效率最高。

图2显示了X/Y轴每个轴上插补加速度a*与各个伺服驱动系统最大加速度amax之间的关系,图中阴影部分面积就等于ε值,从而可以推得:

$a^{*} (t) = a_{\max} (t) \frac{t}{Κ + t}$ (5)

X/Y控制器的插补加速度幅值的计算公式为

$A^{*} (t) = A_{\max} (t) \frac{t}{Κ + t}$ (6)

将式(6)根据插补周期进行离散以后,就可以得到数控机床效率最高时每个插补周期内的插补加速度值。

组合控制器中,插补加速度、电子齿轮比、伺服系统最大加速能力的匹配是能够实现的。针对一台设备,每个轴上J值不变化,最大加速能力不变化,则插补加速度容易设计。对于通用型组合控制器,针对不同机床,电子齿轮比的输入界面是开放的,如果伺服驱动系统具有转动惯量辨识功能,则在组合控制器第一次在机床上使用时,进行一次电子齿轮比设定和转动惯量辨识,就可以求出本机床最优的插补加速度值。这种优化方法的设计目标是在不影响轮廓误差的情况下提高加工效率。

2.2针对不同电子齿轮比、不同机床轮廓精度要求进行优化

在2.1节分析的基础上,在图1中的速度插补功能前增加优化控制器模块。在速度插补前预先设置一个分电子齿轮比gl,然后在图1中③处分别添加电子齿轮比glX、glY,且有

其中,gX、gY由实际机床的传动机构、反馈脉冲当量以及指令脉冲当量来决定。不同类型机床肯定也有不同的电子齿轮比的值,gX、gY可能大于1,也可能小于1。根据前面分析,gX、gY值对轮廓误差和加工效率都存在影响。

数控机床加工图案的目标精度,即轨迹规划软件中直线段拟合曲线的最小直线段长度lMmin=ηΔM,图文设备的轨迹规划软件中一般取η=15,ΔM为电子齿轮比定义中的指令脉冲当量。在速度插补中,如果线段长度小于15,则在速度插补的坐标点序列中忽略当前直线段的结束点坐标,这样不影响加工精度。

数控机床要求的轮廓精度,即直线拟合曲线的最小线段长度lLmin=μΔl,其中Δl=max(ΔlX,ΔlY),ΔlX=DBX/(4PPRX),ΔlY=DBY/(4PPRY)。DBX、DBY分别为X/Y轴丝杆螺距,PPRX、PPRY分别为X/Y轴伺服电机位置检测元件精度。不同机床对曲线轮廓精度的要求是不一样的,也即μ值大小不一样。

优化控制器的设计目标是在保证轮廓误差最小的前提下,尽量提高加工效率。

在已知条件gX、gY、η、μ、amax-X、amax-Y、JX、JY的前提下,根据不影响轮廓误差的前提下提高加工效率的原则,优化gl、A*(t)的值。

(1)当gX≫1,gY≫1时,经过图1中③处的电子齿轮比放大后,拟合曲线的微直线段长度需要满足机床轮廓精度要求,即

当式(8)中两式均取等号时,可以求取glX、glY的值。再根据式(7)可以得到两个gl值,取其中较小值作为gl值,然后根据式(7)重新求glX、glY的值。最后根据2.1节的情况分析求取A*(t)值。

(2)当gX≪1,gY≪1时,经过图1中③处的电子齿轮比缩小后,加工速度很低,加工效率有所降低,精度也会受到影响。所以,在保证加工精度的前提下,式(9)取等号,求取gl值。

$\frac{Δ Μ η}{g_{l}} \leq Δ l μ$ (9)

根据式(7)还可以求取glX、glY的值。再根据2.1节的情况分析求取A*(t)值。

3 实验结果分析与结论

电子齿轮比和插补加速度优化算法采用2.2节的方法,并在图3所示图文仪中进行实验以观测轮廓曲线的平滑度,电子齿轮比的值分别设定为4、0.25,并保持两种电子齿轮比下实际加工图案尺寸一致,得到加工图案如图4和图5所示。图4a加工时间为11s,电子齿轮比过小,造成伺服电机实际工作转速较低,虽然机床要求轮廓精度较高,但实际加工曲线仍然不够平滑,伺服软件监测X/Y轴的动态位置跟踪误差峰值为620个脉冲(X、Y轴伺服反馈精度均为4000个脉冲/转);图4b加工时间为8s,曲线相对较为平滑,动态位置跟踪误差峰值为310个脉冲。图5a加工时间为8s,由于电子齿轮比的值较大,加减速过程中的动态位置跟踪误差比较大,峰值达1240个脉冲,轮廓曲线开始出现比较明显的抖动和毛刺现象;图5b加工时间为6s,曲线相对比较平滑,动态位置跟踪误差峰值为360个脉冲。

(a)增加优化算法前 (b)增加优化算法后

电子齿轮比和插补加速度优化算法在保证轮廓误差最小的前提下,可以尽量提高加工效率。实验结果也证明了这种优化算法的有效性和实用性。

参考文献

[1]Hecker R L,Flores G M,Qxie Irlhecker,et al.Servocontrol of Machine-tools:a Review[J].Lat-in American Applied Research,2008,38(1):85-94.

[2]李宏胜,孙权,张建华,等.基于前馈控制的数控机床进给运动轮廓误差分析[J].设计与研究,2010(2):9-15.

[3]Lee C W.Design of the Tracking Controller forHolographic Digital Data Storage[J].IEEE/ASMETransactions on Mechatronics,2010,15(2):242-252.

[4]Hecker R L,Flores G M,Qxie I,et al.Solution ofInverse Dynamics Problems for Contour Error Min-imization in CNC Machines[J].The Internal Jour-nal of Advanced Manufacturing Technology,2010,49(5/8):589-604.

[5]吴焱明,赵韩,张栋,等.数控车削多面体机床原型系统设计[J].组合机床与自动化加工技术,2006(7):44-45.

[6]赵国勇,徐志祥,赵福令.高速高精度数控加工中心NURBS曲线插补的研究[J].中国机械工程,2006,17(3):291-294.

[7]滕福林,胡育文,刘洋,等.位置/电流两闭环结构位置伺服系统的跟随性能研究[J].电工技术学报,2009,24(10):40-46.

齿轮发展趋势及加工误差篇3

2016年中国养猪及猪肉加工行业发展规模现状及趋势

未来的几年内，中国猪价将会理性回归市场，中国也将迎来养猪黄金5年。

图表 2008-2016年国内外猪肉价格走势图

数据来源：产研智库

一、市场自由竞争主导下的中国猪肉将推动猪肉品质化，品牌化

外来引进的良种品牌猪和本土品牌猪将会齐头并进推动中国的养猪业。旧时期农户养猪是为了过年，叫年猪，百姓也只有过年才有得猪肉吃。现如今，随着人们生活水平的不断提高，不只是追求有肉吃这么简单了，人们对肉的口感、肉质、营养、是否健康安全等要求越来越高。那么今后高品质高营养健康猪肉将会迅速提升竞争力，将会赢得消费者的追捧。就看谁能掌握健康猪肉的核心技术。普元中国已启动健康猪肉事业“元元”，如元元健康冷鲜肉、元元健康熟食肉、元元健康肉e网，健康又美味，吃了还想吃。元元全国连锁加盟，这是一波红利。

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图表 2010-2014年我国肉制品加工行业规模以上企业销售收入

数据来源：产研智库

图表猪肉制品市场份额情况

数据来源：产研智库

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图表双汇和雨润的肉制品业务毛利率水平

数据来源：产研智库

二、中国畜牧业入市，融入国际市场

中国养猪业将面临国际品质猪肉和品牌猪肉的冲击，草食、家禽等肉质品快速升级的冲击和药物残留检测、转基因强制标识等政策性冲击都会给中国养猪业带来威胁。那么抗生素等药物保健将不复存在，在行业内推广无药保健，“平免解毒”健康养。“平免解毒”即平衡营养、免疫与内分泌，全面解毒，现已会成为养猪业的主流理念，通过我们的回访调查发现已有许多猪场通过“平免解毒”这一理念养猪效益倍增。

三、环保要求越来越高

当前养猪行业环保现状集中在三大污染。水污染，猪场排出的水不能喝!猪场附近污染的土都不能种植庄稼!猪场周围的空气也臭气醺天，气味难闻。环保要求的提高，且政府强制性执法力度加强，环保不达标的猪场将无情地被取缔。

四、高端动物营养品的发展

推动粗放式的饲料向高端的动物营养品发展，大势所趋，势在必行!有句话是这样的说，吃得多不如吃得好。少吃点，健康点。让猪吃出健康来!当前的饲料只是简单的微量元素、维生素、蛋白和能量等简单搭配，追求的是以数量为核心，问题多。高端动物营养品，是在平衡营养的前提下，追求的是以健康为核心，实现高产，快长，多出，问题没了。

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图表中国猪肉制品消费量（按产品分）

数据来源：产研智库

五、中国生猪出口将越来越多

据猪肉前景预测报告显示，提高品质，让中国猪肉参与国际竞争，走出国门是振兴生猪产业的有效措施。猪肉出口，关键还是在猪肉健康品质!2015年1-12月中国猪肉出口数量为71,492吨，同比下降21.9%；2015年1-12月中国猪肉出口金额为322,236千美元，同比下降23.8%。

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图表 2015年1-12月中国猪肉出口量统计表

数据来源：产研智库

六、农村城镇化大背景下，土地流转，未来的生猪产业，拥有猪场就是财富

猪场集中建设，土地集中审批。猪场准入门槛越来越高。

中国生猪产业发展新型模式：小区建设，母猪专业户和肥猪专业户契约式发展。养母猪的专供断奶仔猪，集中精力养好母猪。肥猪专业户专养肥大猪，集中精力解决生猪育肥问题。中国养猪业成本会越来越高，简单的家庭式养猪竞争力下降，农场化、企业化发展成为必然性。

我们预计未来能繁母猪存栏将呈现底部L型趋势，生猪景气行情将至少持续到16年三季度，15,16年生猪均价将分别达到15元/公斤和17元/公斤。

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图表 2009-2016年生猪供求情况

数据来源：产研智库

图表 2010-2016年我国生猪供应量测算

单位：万头

数据来源：产研智库

图表 2009-2016年我国主要领域猪肉需求量测算

单位：万吨

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数据来源：产研智库

总之未来5年猪场老板要想取得长远发展，必须从现在“以猪为本”朝“以人为本”转变，必须提高掌握企业化的猪场运营模式。平免解毒，换一种理念来养猪，多做对猪健康有益的事，才可实现养猪业健康、安全、高效，可持续发展!

磨削加工的发展趋势论文篇4

王哲

（北京石油化工学院机械工程学院，机G111班）

摘要多年以来随着我国制造业技术水平的不断发展进步，机械制造业有了长足的发展，磨削加工作为机械制造业金属切削加工方法中的一种，有着不可替代的位置及十分重要的作用，相对于早期的磨削加工技术，今天的金属磨削加工技术有了很大的变化，无论是从材料性质，刀具材料以及磨削加工技术等都有了很大的发展变化，本文主要就磨床磨削加工及发展趋势做简单的介绍。关键词超高速磨削相关技术；数控磨床；精密磨削；刀具材料

1引言

对于目前机械加工领域磨削加工技术发生的变化，磨削加工技术的发展变化，本文作了简要的论述，磨削加工技术的主要发展方向是自动化、集成化、高速化、精密化等方向发展，分别对应的数控磨床、超高速磨削技术、精密磨削技术，此外刀具材料也发生了很大的变化，向能够耐高温、可用于高速加工等。本文主要引用近几年发表的文献，对于研究磨削加工技术发展有一定的帮助，本文就几个磨削加工的主要发展方向作简要的论述。

在机械制造中，有许多金属加工方法，例如切削加工、电加工、冷冲压、铸造、锻造、焊接、粉末冶金、化学加工和特种加工等。金属切削加工时利用切削刀具在工件上切除多余的金属层，从而获得具有一定的尺寸、形状、位置和表面质量的机器零件的一种加工方法。他已被广泛应用于生产实践中。金属切削机床是用切削方法将金属毛坯加工成机器零件的机床。在各类机械制造部门所拥有的装备中，机床占百分之五十以上，所负担的工作量占总加工量的一半以上，机床的技术水平高低直接影响机械产品的质量和零件制造的经济性。

我们对于磨削技术发展应该有一个简单的了解，一般来讲，按砂轮线速度的高低将磨削分为普通磨削和高速磨削以及超高速磨削。按磨削精度将磨削分为普通磨削、精密磨削、超精密磨削。按磨削效率将磨削分为普通磨削、高效磨削。高效磨削包括高速磨削、超高速磨削、缓进给磨削、高效深切磨削、砂带磨削、快速短行程磨削、高速重负荷磨削。

高速高效磨、超高速磨削在欧洲、美国和日本等一些工业发达国家发展很快，如德国的 Aachen大学、美国Connecticut大学等，有的在实验室完成了V为250m/s、350m/s、400m/s的实验。据报道，德国Aachen大学正在进行目标为500m/s的磨削实验研究。在实用磨削方面，日本已有200m/s的磨床在工业中应用。在我国对高速磨削及磨具的研究已有多年的历史，如湖南大学在70年代末期便进行了80m/s、120m/s的磨削工艺实验，前几年某大学也计划开展250m/s的磨削研究。在实际应用中，砂轮线速度，一般还是45m/s-60m/s。

对于磨削加工是一种常用的半精加工和精加工方法，砂轮是磨削的切削工具，磨削是由砂轮表面大量随机分布的磨粒在工件表面进行滑擦、刻划和切削三种作用的综合结果。磨削的基本特点如下：

[2][2]（1）磨削的切削速度高，导致磨削温度高。普通外圆磨削时V=35m/s，高速磨削V＞50m/s。磨削产生的切削热80%～90%传入工件(10%～15%传入砂轮，1%～10%由磨屑带走)，加上砂轮的导热性很差，易造成工件表面烧伤和微裂纹。因此，磨削时应采用大量的切削液以降低磨削温度。

（2）能获得高的加工精度和小的表面粗糙度值。加工精度可达IT6-IT4，表面粗糙度值可达Ra0.8-0.02μm。磨削不但可以精加工，还可以粗磨、荒磨、重载荷磨削。

（3）磨削的背向磨削力大。因磨粒负前角很大，且切削刃钝圆半径较大，导致背向磨削力大于切向磨削力，造成砂轮与工件的接触宽度较大。会引起工件、夹具及机床产生弹性变形，影响加工精度。因此，在加工刚性较差的工件时(如磨削细长轴)，应采取相应的措施，防止因工件变形而影响加工精度。

（4）砂轮有自锐作用。在磨削过程中，磨粒有破碎产生较锋利的新棱角，及磨粒的脱落而露出一层新的锋利磨粒，能够部分地恢复砂轮的切削能力，这种现象叫做砂轮的自锐作用，有利于磨削加工。

（5）能加工高硬度材料。磨削除可以加工铸铁、碳钢、合金钢等一般结构材料外，还能加工一般刀具难以切削的高硬度材料，如淬火钢、硬质合金、陶瓷和玻璃等。但不宜精加工塑性较大的有色金属工件。

磨削加工与其他切削加工方式相比，还具有以下特点：

（1）磨削速度很高，每秒可达30m～50m磨削温度较高，可达1000～1500度。磨削过程历时很短，只有万分之一秒左右。

（2）磨削加工可以获得较高的加工精度和很小的表面粗糙度值。

（3）磨削不但可以加工软材料，如未淬火钢、铸铁和有色金属等，而且还可以加工淬火钢及其他刀具不能加工的硬质材料，如瓷件、硬质合金等。

（4）磨削时的切削深度很小，在一次行程中所能切除的金属层很薄。

（5）当磨削加工时，从砂轮上飞出大量细的磨屑，而从工件上飞溅出大量的金属屑。磨屑和金属屑都会使操作者的眼部遭受危害，尘未吸入肺部也会对身体有害。

（6）由于砂轮质量不良、保管不善、规格型号选择不当、安装出现偏心，或给进速度过大等原因，磨削时可能造成砂轮的碎裂，从而导致工人遭受严重的伤害。

（7）在靠近转动的砂轮进行手工操作时，如磨工具、清洁工件或砂轮修正方法不正确时，工人的手可能碰到砂轮或磨床的其他运动部件而受到伤害。

（8）磨削加工时产生的噪音最高可达110dB以上，如不采取降低噪声措施，也会影响健康。

[1]2超高速磨削

超高速加工的概念是由德国切削物理学家Carl.J.Salomon博士于1931年首先提出，他发表了著名的Salomon曲线，创造性地预言了超越Talor切削方程式的非切削工作区域的存在，提出如能够大幅度提高切削速度，就可以越过切削过程产生的高温死谷而使刀具在超高速区进行高速切削，从而大幅度减少切削工时，成倍地提高机床生产率。他的预言对后来的高速甚至超高速磨削的发展指明了方向，为高速超高速磨削技术研究开辟了广阔的空间，对于高速超高速磨削技术的实用化也起到了直接的推动作用。将砂轮线速度大于150m/s的磨削称为超高速磨削，超高速磨削既能获得高效率，又能达到高精度，能对各种材料和形状进行高效率精密加工。因此，使用超硬磨料磨具的超高速磨削技术是最新的高效率磨削技术，是先进制造学科的前沿技术。

[1]2.1超高速磨削砂轮技术

高速超高速磨削砂轮应具有好的耐磨性，高的动平衡精度，抗裂性，良好的阻尼特性，高的刚度和良好的导热性，而且其机械强度必须能承受高速超高速磨削时的切削力等。高速超高速磨削时砂轮主轴高速回转产生的巨大离心力会导致普通砂轮迅速破碎，因此必须采用基体本身的机械强度、基体和磨粒之间的结合强度均极高的砂轮。

超高速砂轮中间是一个高强度材料的基体圆盘，大部分实用超硬磨料砂轮基体为铝或钢。在基体周围仅仅粘覆一薄层磨料。粘覆磨料使用的结合剂有树脂、金属和电镀三种，其中以单层电镀用的最多。这是因为它的粘结强度高，易于做出复杂的形状，使用中不需要修整，而且基体可以重复使用。近几年，美国诺顿（Norton）公司还使用铜焊接法替代电镀研制出砂轮的磨粒突出比已达到70～80%，结合剂抗拉强度超过了1533N/mm2，获得更大的结合剂强度和容屑空间。

日本Noritake公司推出一种被称为CFRP的碳纤维复合树脂基体材料，其比弹性是钢的2.1倍，密度和热膨胀系数分别是钢的1/5 和1/12。使用这种材料基体所做的超高速砂轮的磨料层厚5mm，使用树脂结合剂，它与基体之间用一层氧化铝陶瓷过渡。这种砂轮已较多地应用于日本生产的超高速磨床，使用效果也很好。

高速超高速砂轮可以使用刚玉、碳化硅、CBN、金刚石磨料。结合剂可以用陶瓷、树脂或金属结合剂等。树脂结合剂的刚玉、碳化硅、立方氮化硼磨料的砂轮，使用速度可达125m/s。单层电镀 CBN砂轮的使用速度可达250m/s，试验中已达340m/s。陶瓷结合剂砂轮磨削速度可达200m/s。同其他类型的砂轮相比，陶瓷结合剂砂轮易于修整。与高密度的树脂和金属结合剂砂轮相比，陶瓷结合剂砂轮可以通过变化生产工艺获得大范围的气孔率。特殊结构拥有40%的气孔率。陶瓷结合剂砂轮结构特点，使得修整后容屑空间大，修锐简单，甚至在许多应用情况可以不修锐。美国Norton公司研究出一种借助化学粘接力把持磨粒的方法，可使磨粒突出80%的高度而不脱落，其结合剂抗拉强度超过1553N/mm2（电镀镍基结合剂为345～449N/mm2）。我国的南京航空航天大学已成功地研制高温钎焊单层超硬磨料砂轮以减少磨削热，增加磨削比，取得了较好的效果。阿亨工业大学在其砂轮的铝基盘上使用溶射技术实现了磨料层与基体的可靠粘接。

[3]

[1][1]

[1]2.2快速点磨削技术快速点磨削是由德国Junker公司Erwin Junker先生于1994年开发并取得专利的一种先进的超高速磨削技术。它集成了超高速磨削、CBN超硬磨料及CNC柔性加工三大先进技术，具有优良的加工性能，是超高速磨削技术在高效率、高柔性和大批量生产高质量稳定性方面的又一新发展。该工艺主要用于轴、盘类零件加工。其CBN或人造金刚石超硬磨料砂轮轴线在水平和垂直方向与工件轴线形成一定倾角，使用薄砂轮与工件形成小面积点接触，综合利用连续轨迹数控技术，以超高速度磨削，可以合并车磨工序。它既有数控车削的通用性和高柔性，又有更高的效率和精度，砂轮寿命长，质量非常稳定，是新一代数控车削和超高速磨削的极佳结合，成为超高速磨削的主要技术形式之一。

德国目前在这项新技术的研究开发上处于领先地位。目前已在国外汽车工业、工具制造业中得到应用, 尤其是在汽车零件加工领域，即齿轮轴或凸轮轴等。这些零件大都包括切入、轴颈、轴肩、偏心及螺纹磨削过程，应用此项工艺可以通过一次装夹而实现全部加工，大大提高了零件加工精度及生产率。

快速点磨削的磨削过程不同于一般意义上的超高速磨削，其技术特征如下：

（1）快速点磨削通过数控系统控制砂轮轴线在垂直方向与工件轴线的偏角为±0.5°(图 1）在水平方向根据工件母线特征在0～30°范围内变化，最大限度减小砂轮/工件接触面积和避免砂轮端面与工件台肩干涉。砂轮动平衡可在机自动完成，径向跳动精度在0.002mm内。

（2）快速点磨削采用厚度为4～6mm的超硬磨料薄砂轮，并采用 “三点定位安装系统”专利技术快速安装，重复定位精度高，并可解决离心力造成的涨孔问题。

（3）为获得高磨除率和不使砂轮产生过大离心力，工件也作高速相对旋转（最高可达12000r/min），实际磨削速度是砂轮和工件两者速度的叠加，达到200m/s-250m/s。

（4）磨削外圆时材料去除主要靠砂轮侧边完成，而周边仅起光磨作用。因此，砂轮圆周磨损极慢，使用寿命长（最长可达1年），磨削比可达16000～60000，一片“快速点磨”砂轮可磨去数吨钢，砂轮修整率低（每次修整可加工2×105个零件），生产效率比普通磨削提高6倍。

（5）装有两坐标数控金刚石滚轮修整器，在砂轮宽度方向磨损达10%以上时自动精确修整，避免过早修整以控制成本。

（6）砂轮与工件接触面积小，磨削力大大降低、磨削热少，同时砂轮薄、冷却效果好，因此磨削温度大为降低，甚至可以实现“冷态”加工，提高了加工精度和表面质量。

（7）由于磨削力极小，靠顶尖摩擦力即能使方便夹紧工件，被称为“顶尖磨削”和“削皮磨削”。

（8）由于采用 CNC 实现复杂表面磨削，一次安装后可完成外圆、锥面、曲面、螺纹、台肩和沟槽等所有外形加工。它还可以使车磨工序合并，进一步提高加工效率。

（9）使用高速磨削油喷注进行冷却。由于高速旋转砂轮将磨削油甩成油雾，加工必须

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[4]在封闭环境中自动进行，并需配有吸排风系统和高效率磨屑分离与油气分离单元。用快速点磨削方法磨削主轴，装夹一次可完成外圆、轴肩、沟槽和紧固螺纹4个部位的磨削；磨凸轮轴，装夹一次可完成轴颈、止推面肩部和端部外径3个部位的全部磨削，尺寸精度达到IT6，Ra≤0.8µm，周期时间150s，与传统工艺比较，大大节约了成本。

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图1 快速点磨削接触区

2.3高速超高速磨床

对于高速超高速磨床，主要是大功率高速超高速主轴系统和机床的高抗振性。高速超高速加工不但要求机床有很高的主轴转速和功率，而且同时要求机床工作台有很高的进给速度和运动加速度，还需尽可能组合多种磨削功能，实现在一台磨床上能完成所有的磨削工序，高动态精度、高阻尼、高抗振性和热稳定性，高度自动化和可靠的磨削过程。

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磨床支承构件是砂轮架、头架、尾架、工作台等部件的支撑基础件。要求它有良好的静刚度、动刚度及热刚度。对于高速超高速磨床，国内外都有采用聚合物混凝土(人造花岗岩)来制造床身和立柱的，也有的将立柱和底座采用铸铁整体铸造而成，还有采用钢板焊接件，并将阻尼材料填充其内腔以提高其抗震性，这些都收到了很好的效果。

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进给系统是评价高速超高速磨床性能的重要指标之一，而随着高速高超高速加工的发展，国内外都普遍采用了直线伺服电机直接驱动技术，高动态性能的直线电机结合数字控制技术。[11]

3数控磨床

现代工业生产中，中、小批量零件的生产占产品数量的比例越来越高，零件的复杂性和精度要求迅速提高，传统的普通机床已经越来越难以适应现代化生产的要求，而数控机床具有高精度、高效率、一机多用，可以完成复杂型面加工的特点，特别是计算机技术的迅猛发展并广泛应用于数控系统中，数控装置的主要功能几乎全由软件来实现，硬件几乎能通用，从而使其更具加工柔性，功能更加强大。

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数控平面磨床相对于车床，铣床等采用数控系统较晚，因为他对数控系统的特殊要求。近十几年来，借助CNC技术，磨床上砂轮的连续修整，自动补偿，自动交换砂轮，多工作台，自动传送和装夹工件等操作工能得以实现，数控技术在平面磨床上逐步普及。CNC磨床在整个磨床类产品中已占大多数。

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4精密磨削

磨削加工是主要的精密加工和超精密加工方法，一般分为普通磨削、精密磨削、超精密磨削加工，它们能达到的磨削精度在生产发展的不同时期有不同的精度范围。

目前，普通磨削一般指加工表面粗糙度为精度Rａ在0.16-1.25μｍ，加工精度大于１μｍ的磨削方法。精密磨削当前可以达到的精度一般为表面粗糙度Rａ在0.04-1.25μｍ，加工精度为1-0.5μｍ。超精密磨削是当代能达到最低磨削表面粗糙度值和最高加工精度的磨削方法，表面粗糙度可达到Rａ≤0.01μｍ，精度≤0.01μｍ，甚至进入纳米级。精密与超精密磨削的机理与普通磨削有一些不同之处：

（1）超微量切除。应用较小的修整导程和修整深度精细修整砂轮，使磨粒细微破碎而产生微刃。一颗磨粒变成多颗磨粒，相当于砂轮粒度变细，微刃的微切削作用就形成了低粗糙度。

（2）微刃的等高切削作用。微刃是砂轮精细修整而成的，分布在砂轮表层同一深度上的微刃数量多，等高性好，从而加工表面的残留高度极小。

（3）单颗粒磨削加工过程。磨粒是一颗具有弹性支承和大负前角切削刃的弹性体，单颗磨粒磨削时在与工件接触过程中，开始是弹性区，继而是塑性区、切削区、塑性区，最后是弹性区，这与切屑形成形状相符合。超精密磨削时有微切削作用、塑性流动和弹性破坏作用，同时还有滑擦作用。当刀刃锋利，有一定磨削深度时，微切削作用较强；如果刀刃不够锋利，或磨削深度太浅，磨粒切削刃不能切入工件，则产生塑性流动、弹性破坏以及滑擦。

（4）连续磨削加工过程。工件连续转动，砂轮持续切入，开始磨削系统整个部分都产生弹性变形，磨削切入量（磨削深度）和实际工件尺寸的减少量之间产生差值即弹性让刀量。此后，磨削切入量逐渐变得与实际工件尺寸减少量相等，磨削系统处于稳定状态。最后，磨削切入量到达给定值，但磨削系统弹性变形逐渐恢复为无切深磨削状态。

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5刀具材料

切削加工是工业生产中最基本、最普通和最重要的方法之一，它直接影响工业生产的效率、成本和能源消耗。提高加工效率将会带来巨大的社会、经济效益。前北美机械工程师协会主席Hom曾说“每节省加工工时一分钟，美国就可节省一亿美元”可见提高加工效率对国民经济具有十分重要的意义。陶瓷刀具由于高温性能好，其切削速度可比传统刀具提高3-10 倍，因而可以在现有的厂房、设备、动力条件下，使产品产量成倍增长，大幅度提高社会生产力。其次，由于现代科学技术和生产的发展，越来越多地采用超硬难加工工件，以提高机器设备的使用寿命和工作性能。有资料介绍，难加工材料己超过43%。这些难加工材料的采用，给制造技术带来很大的困难，传统刀具是难以对付的，往往要采用费时费电的退火加工和磨加工等方法。新型陶瓷刀具由于有很高的硬度(HRA93-95)，因而可以加工硬度高达HRC65的各类难加工材料，免除退火加工所消耗的电力和时间;可以提高工件的硬度，延长机器设备的使用寿命。第三，硬质合金刀具大量消耗着W、Co等战略性贵重金属，节约这些资源是各国的基本政策，而广泛采用陶瓷刀具则是有效措施。陶瓷刀具的主要原料二氧化硅和三氧化二铝是地壳中最丰富的成分，是取之不尽，用之不竭的资源。

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6结论

伴随着我国机械制造业不断发展进步，我国的磨削加工制造技术也在不断地向前发展，本文中介绍了超高速磨削相关技术、精密磨削技术、数控磨床在实际中的应用和磨削用刀具材料的发展，文章主要借鉴近几年发表的文章对目前磨削加工技术发展作了简要的介绍。对于生产实际也有一定的借鉴意义。

参考文献

美国齿轮加工技术及最新发展篇5

齿轮工业是最古老的工业之一。随着科技的日新月异, 齿轮加工业从来就没有放慢过更新的脚步。让我们来看看当今美国齿轮制造业的加工技术和最新发展。

齿轮加工工装

首先来看一下工装类。俗话说“好马配好鞍”, 工装在现代齿轮加工机床中的作用尤显重要。没有好的工装, 先进机床的功能和效率就无法展现得淋漓尽致。图1所示是当今齿轮加工中常用的工装, 它们不但用于齿轮机床, 还广泛应用于车削、磨削和加工中心上。这些夹具的特点是可以消除工件和夹具的安装间隙, 起到定位、夹紧一体化的功效。

现在来看几个具体的实例。如图2所示, 这是一款薄壁弹性工装, 对齿胚孔径要求相对较低, 可以在较宽的公差范围内定位, 给齿坯的前期加工带来便利, 而且还可以同时夹紧多个零件, 十分适合大批量生产。

如图3所示, 这是个典型的单锥度胀紧块, 在分槽间有填充物, 可以有效地阻止切屑进入夹具内, 广泛用于盘类零件的不同机床加工。更值得推荐的是这些胀紧件已是工装行业的标准组件, 齿轮加工单位只需选择相近的尺寸, 稍加加工便可以应用到自己的夹具上。

单锥度胀紧件的各种应用, 图4所示是为客户特殊设计的夹具, 有效快捷, 适用于特殊或大量生产。

液压夹具和薄壁类机械式夹具的应用也是越来越广泛, 特别适用于薄壁件和航空制造业的一些特殊零件。其中这款多锥体的薄壁夹具 (见图5b) 可以在不同段落里分别胀紧, 以适应不同孔径尺寸的零件定位和夹紧。

这些独特的设计都是可以对在比较宽的内径公差带的零件起到定位和夹紧的作用。如有限元分割原理, 区域性地胀紧以定位夹紧工件, 对于薄壁类的零件加工尤其有效。

标准的工装组件 (见图6) , 这是我们常说的60s快换法。利用这组工装可以快速变换工装, 而这个圆球夹紧就是个关键部件。这些都是标准组件, 可以直接采购。这些标准组件给工艺人员的夹具设计带来极大方便, 选型、购买, 就可以变成精密高效工装。

1.底板2.定位销3.可选式支架4.工装塞板5、7.组合支架6、8.定位夹紧销9.工作台

齿轮加工机床

1. 多轮组合机床的应用

现在再来看看当今的齿轮加工机床。组合型高效机床的应用越来越广泛, 我们可以在数控机床加装滚刀、花键推刀;可以在齿坯加工完之后, 顺便滚齿和推出花键;可以在加工中心上加工出锥齿轮的齿坯, 然后再加工出弧齿锥齿轮齿部;更可以在磨齿机上直接磨出端面和内外圆再磨削齿面, 一气呵成。

而多刀组合更是现代机床的标准功能。由两个C B N组合的主轴, 可以同时加工出三联齿轮 (见图7a) 。其齿轮行星箱内的齿轮对三联齿的齿厚要求很严, 这样可以在安装时消除沟隙, 使齿轮箱能有效运转。这对以前为了结构紧凑而要求齿与齿间隔很小的零件加工带来了极大的方便。

滚齿、插齿都已见得很多, 但齿轮磨削机床的广泛应用, 已经被齿轮厂家不再视为仅作精加工的机床了。现代磨齿机已有多齿轮组合磨削、强力磨削和更为先进的功能。

2. 粗精加工一体机床的应用

如图8所示, 该机床可以加装多片砂轮实现高效磨削和粗精磨一体的功效。国外的蜗轮磨已广泛被大家认同, 内齿轮的蜗轮磨也成为现实。图9所显示的是当今和今后会出现的磨齿机。它可以有一个磨齿库, 储备六七把不同的砂轮, 类似加工中心的刀具库, 可以边加工边修整砂轮而无需工件退出。磨削力感应器的应用, 可以根据磨削力的大小进行主轴的调整, 以避免重磨削造成的烧伤。由此可见, 机床的功能和智能越来越强化, 对操作者的依赖度则越来越小。

齿轮加工刀具

镶嵌刀片应用于滚刀和插齿刀上加工大型工件已众所周知, 但用于小直径工件加工的刀具也在发展。其优点是可以省去修磨刀具磨后检测和重新涂层的时间。可以用一把刀体通过安装不同的压力角和模数的刀片去加工多种齿轮, 当然也节省了昂贵的刀具材料。

现代表面涂层, 近来也趋于成熟并大量应用于齿轮加工工艺中。有些涂层可使齿轮表面硬度达到75HRC, 而且有自我润滑、防止磨损和擦伤、耐高温的特点, 适用于任何金属材料。

齿轮热处理

热处理新工艺也朝着低温低压热处理、渗碳渗氮的方向发展 (如低压渗碳LPVC、离子/等离子氮化、真空气体渗氮渗碳、低温氮化和渗碳) , 可以更加有效地控制变形量。

结语

这些持之以恒的项目研究是任何一家生产厂家都难以做到的。当今欧洲和美国有个齿轮研究院, 从事齿轮设计、加工工艺研究和系统测试的课题研究, 有70多家企业、研究所和高校共同参与, 每年维持20多个研究课题, 在齿轮行业中始终处于领先地位。以下罗列几个课题以供参考。

(1) 齿轮成形磨研究现代磨削和砂轮与磨削烧伤的关系。寻找系统的方法来预测在不连续中的磨削烧伤。

(2) 珩磨开发陶瓷珩磨轮的潜力和磨削过程仿真的有限元法。

(3) 滚齿、插齿发掘金属陶瓷刀具的潜力, 研究新型硬质合金刀具、插齿干切削技术。

(4) 锥齿轮高速切削研究高速切削锥齿轮工艺参数、刀具材料、涂层等对于锥齿轮切削刀具磨损行为的影响。

【齿轮发展趋势及加工误差】推荐阅读：