现代硬质材料的精密加工技术

魔神

    

　　最近几年出现了一种趋势，就是越来越多的齿轮采用磨削工艺才能满足日益提高的精度要求。这一趋势也同样反应在霍夫勒公司的销售数量上：在过去的五年时间里，该公司交付的齿轮磨削机床数量增长了2倍。齿轮制造商需要不断满足新的要求，更低的加工费用、更短的加工时间以及更大的灵活性。然而，如果仅仅依靠目前的生产方法却很难在这个趋势的方向上取得更多的进步。目前的机床技术更加有效和安全现代化的磨削机床通过输入功率和记录所有重要的参数来实现对磨削过程进行直接控制。通过对比数据可以记录砂轮的磨换情况，在必要的时候可以记录磨削过程调整程序与磨损情况相关，进给运动与测讯数据相关。通过测量按钮或者自动化磨削程序对磨削过程进行测量分析，从而对每一个缺陷都进行优化调性。慕尼黑工业大学(TU Muenchen)进行的试验表明，不同的磨削磨损形式对于点蚀损失有着明显的影响。为了获取一种最有规律的齿面损伤情况就必须在齿轮成型加工结束之后将齿轮继续固定在齿轮磨削机床土。

　　多年以来，霍夫勒齿轮磨削机床一直提供一种可能性，即在齿轮成型之前或者之后，在施加一定夹紧力的情况下，能够对测试片或者推力环进行磨削。在齿轮磨削机床对测试片完成磨削之后才能进行外圆磨削。“完整加工工艺”带来的好处如今可以实现在同一台机床上避免重新装夹进行钻孔加工或者在轴承座上进行加工。现代化的立车技术能够允许较高的车削转速，从而使得在齿轮磨削机床上对圆柱体零件进行外圆磨削成为可能。完整加工机床通过在加工过程中避免出现重复装夹以及简化企业内部物流的办法来解决时间与精度损失之间的问题，能够对工件一次完成装夹和加工。因此，非生产性的轴助时间和成本都得到了降低。霍夫勒公司在齿轮磨削机床的完性加工技术中集成了钻孔、平面磨削和外圆磨削。实际上，需要多种机床才能完成上述的加工任务。在2007年的汉诺威EMO欧洲机床展览会上霍夫勒公司展出了最新开发的“Rapid 1250 MFM (Multi-Funktions-Maschine，多功能机床)”机床，在进行齿轮成型的同时能够完成钻孔以及齿顶圆磨削。借助齿轮成型当中的完整加工工艺可以改善齿轮和中心孔之间的同心度，完整加工工艺还能够优化齿轮和中心孔上所发生的硬化变形的分布情况，从而可以获得尽可能稳定的磨削损伤和超高应力的表面渗碳深度。接下来霍夫勒公司还在EMO上展示了为齿轮轮廓磨削机床“Rapid 650”到“Rapid 6000”系列最新开发的磨削头。这一系列的磨削头能够在五根互相关联的轴上进行齿轮磨削，并通过一台力矩电机驱动这些磨削头。这些磨削头具有的重要特性还包括双调整系统、直接驱动的电主轴、三维测量系统以及高达12000mm/min的进给速度。通过这些特性可以获得独一无二的优势，比如能够将前文所述的将“拓扑学磨削”和“高速磨削”结合在一起的选项功能。拓扑学磨削为了获得技术上的进步，需要找到相应的解决方案，比如借助拓扑学的齿轮轮廓磨削进行自由成型，实现齿面偏差最小化。霍夫勒公司开发了一种方法可以借助需要达到的拓扑学齿轮轮廓形状获得优化的轴线特征。这也是优化磨削砂轮轮廓的目的所在。依据相应的算法，可以对齿轮成型进行拓扑学修正或者拓扑学更改——按照允许的偏差进行——对一个面或者两个面进行磨削加工。例子显示了一个依据拓扑学算法对齿轮成型加工进行优化的结果。利用拓扑学修正的方法——或者称为“取决于最终齿形”——可以减轻斜齿轮在啮入点和啮出点处受到的表面压力。利用这种技术可以缩小变速箱的尺寸。高速磨削技术为了明显缩短齿轮成型的加工时间，霍夫勒公司开发了高速磨削技术(HsG, Highspeed Grinding)——在很高的进给速度下进行轮廓磨削。例如，在相同Q'w(加工能率.单位为mm3/mm/s，指的是在单位时间(秒)内，在单位面积(平方毫米)上所能完成的切削体积(立方厘米)的情况下，高速磨削技术可以通过提高进给速度来缩短加工时间。这样砂轮切入材料的深度会相对减少，从而使得材料能够得到更好的冷却和清洗。在相同的磨削砂轮使用寿命的情况下，也可以通过向接触表面供应更多的冷却油，来使得工件得到更好的冷却。然而，高速磨削技术带来的最大影响在于可以将磨削过程产生的残余热量从工件上更大区城的范围内导出。这样可以降低磨削烧伤的风险，而磨削烧伤往往带来更严重的损伤。用图形的方式模拟展示了格里森-法特公司于2O05年公布的一项研究成果，即在12000mm/min的范围之内，磨削烧伤风险与进给速度之间的关系，而霍夫勒公司生产的齿轮磨削机床正好能够达到这个进给速度。当然，这只是一个纯图形化的表达方式.仅仅展示了理论上的关系。但是从这个图形也可以达到这样的结沦，即如果要在尽可能高的进给速度下确保尽可能低的磨削烧伤风险，就应该：在较高的进给速度下采用较高的加工能率进行磨削。

　　由于霍夫勒公司生产的齿轮磨削机床可以在很高的进给速度下工作，所以能够带来很明显的生产效率提升。但是，较高的进给速度也对齿轮磨削机床的动态性能提出了要求，因为进给运动与其他轴向上的运动直接相关。所以，如果缺少了现代化的直接驱动技术的帮助，高速磨削技术也就无从谈起。力矩电机所带来的更高的精度齿轮磨削机床的机械性能对于生产效率有着明显的影响：常规的齿轮磨削机床无法达到由现代化驱动技术和材料所决定的加工参数。随着在下个世纪90年代末逐步引入力矩电机技术，在现代化的齿轮磨削机床上已经很难再遇到以前的齿轮加工工艺了。卧式主轴的精度在很大程度上决定了齿轮磨削机床的精度。与传统的涡轮-蜗杆传动技术相比，力矩电机与光学编码器共同作用能够带来较大的优势：例如，力矩电机没有磨损，在齿轮磨削机床的整个使用寿命周期内都可以保证精度。由于卧式主轴所带来的机床频率可以忽略，人们还可以在机床上获得多达36亿个的步进增量，从而可以控制斜齿轮旋转方向上的偏差。对于目前的生产要求来说，较高的刚度以及较高的转速也是其优势之一。必须指出的是，在齿轮磨削机床上使用力矩电机需要额外施加适当的控制。霍夫勒公司在上个世纪90年代为“BWO”(Backward Wave Oscillator，反波振荡)控制系统开发了一种特殊的优化算法，用于卧式主轴的自动优化。在几年前霍夫勒公司与西门子公司进行合作之后，这套算法也可以用于西门子840D控制系统。目前，霍夫勒公司在后台的日常工作主要是进行系统优化，确保机床能够不受干扰地使用。

　　在精度方面的要求永无止境需要强调的是，高精度磨削机床的床身材料需要采用聚酯合成材料。矿物浇铸结构的质量会影响床身的振动特性，以及由此而从根本上影响系统在位置调节方面的优化：与灰铸铁相比，矿物浇铸结构的衰减特性能够提升25倍。因此，矿物浇铸结构的热特性很缓慢，从而可以获得采用灰铸铁所无法获得的设计结构。例如，一台内齿/外齿磨削机床的龙门架。随着对齿轮加工质量的不断提高，目前我们可以对德国质量标准DIN 1的部分内容补充附加条款。船用变速箱齿轮是按照德国质量标准DIN 1进行磨削加工的，而且大多数用户能够接受这样的加工质量。然而需要指出的是，尽管根据德国质量标准DIN 1，船用变速箱齿轮可以说已经获得较好的磨削质量，但是现在却已经有一些用户无法继续接受这样的质量等级。需要借助拓扑学对偏差进行限制，需要借助FFT(Fast Fourier Transform，快速傅立叶变换，离散傅立叶变换的快速算法)对分割过程进行分析，再决定相应的顺序极值。在极端的情况下还需要对由于机床运动特性听产生的波纹度进行限制。在优化负载和压力期间，齿轮成型加工过程中会出现的偏差会相对地难以察觉.因此，去除干扰的修正平面需要更高的精度，因为变速箱会在齿轮干涉区磨削行程发生错误的更大范围内产生激动现象——这些现象主要位于测微计或者某些部位。霍夫勒公司于2004年开发了一种磨削机床，不仅在进行大型齿轮加工的时侯能够根据德国质量标准DIN 1实现借助拓扑学来对磨削过程进行优化，还能够达到预先制定的波纹度方面的要求。产生这个想法的背景是由于齿轮干涉或者为了从相反的方向对产生波纹的现象进行补偿而提出的要求。现在可以对低于0.1µm的波纹振幅进行磨削和分析，从而可以实现对现代化的齿轮成型工艺中的载荷和干扰加以区别对待。【MechNet】