大型数控滚齿机加工误差及补偿探究

摘 要：大型数控滚齿机主要针对大型的齿轮结构进行工程加工，使用领域对齿轮结构要求尺寸大、精度高、质量高，但是有存在很大的加工风险，高质量、高精度要求对数控滚齿机的加工误差和补偿也提出了高要求。又由于大型数控滚齿机自身结构大、机械复杂、加工零件种类数量多、系统配置程序繁琐等问题使得大型数控滚齿机很难保证加工的精度，这种矛盾对提高大型数控滚齿机的加工精度和降低加工误差有着高要求、高需求和实际意义。本文通过对大型数控滚齿机加工概述，介绍了加工精度的影响因素，并提出科学可靠的误差补偿技术，以提高、改善、保证机床的加工精度。

关键词：新型数控滚齿机；加工误差；加工补偿

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.005

我国大型数控滚齿机主要的应用领域有航空航天、船舶车辆、风力发电等工程机械重要领域的齒轮加工。大型数控滚齿机应用领域针对大尺寸齿轮进行结构加工，其精度要求很高，为了保证加工齿轮的质量符合工程应用标准，因此，需要对大型数控滚齿机的加工误差进行深入研究并加以改进补偿，重视细节，借鉴国外，让我国的大型数控滚齿机能够加工出高质量、高精度、低误差的齿轮零件，为经济建设和科技进步提供技术保证。

1 大型数控滚齿机加工概述

齿轮是轮缘上有齿且能连续啮合传递运动和动力的机械元件，它是制造装备业及各种机械传动系统的重要基础零部件，在制造工程中应用范围及其广泛。齿轮的优势明显，传动平稳、传动比精确、恒定功率输出、载荷承受能力强、传动效率高、耐磨耐受性强、使用时间长、工作可靠、噪音相对较小等，齿轮广泛存在于各个领域的制造使用，因此对齿轮加工工艺的要求很高，避免出现工程问题。齿轮的加工方法主要有切削法，如滚齿、插齿、剃齿、磨齿及铣齿等；按齿廓形成原理可分为成形法和展成法两大类。成形法是用刃部形状与被切齿轮槽形状相同的成形刀具来加工齿轮；展成法加工时切削刀具与工件作相对展成运动，刀具和工件的瞬心线相互作纯滚动，两者之间保持确定的速比关系，所获得加工表面就是刀刃在这种运动中的包络面。这两种方法各有优点，也各受限制。

目前针对大型高精度的齿轮加工使用的是展成法，该方法效率高、精度高、应用广，加工设备就是数控滚齿机。滚齿机滚削加工齿轮、蜗轮蜗杆时，滚齿机滚刀与工件是根据交错轴斜齿轮啮合原理进行加工，滚齿精度可达6到8级甚至更高。然而，当前我国的大型数控滚齿机加工中还存在一些问题，误差较大且难以稳定，不可确定因素较多，在大型数控滚齿机的发展道路上还有很长的路要走。

2 大型数控滚齿机加工精度影响因素

2.1 滚削力对加工精度的影响

滚齿切削力是齿轮加工的基本物理参数，在大型数控滚齿机使用过程中，大型滚齿机主轴功率很大，切削力很容易导致整个系统不稳定，甚至产生变形失稳。滚刀和工件的中心距由于主轴不可避免的变形发生位移，很大程度上影响了加工精度。在滚齿过程中，切屑力不断变化使得滚刀各齿的受力不同不停变化，而切削力受到了很多因素的影响，包括切削工艺、齿轮材料、热处理加工技术、滚刀与齿坯参数、冷却润滑程度等。由于这些不确定因素的存在，就会使得齿轮机的加工主轴弯曲变形难以确定，需要通过数学建模，全面考虑各种可能存在的误差问题进行补偿。可以提高滚刀转速、小滚切深度分刀次切削等降低切屑力，降低滚齿机主轴的变形，降低加工误差。

2.2 热变形对加工精度的影响

齿轮加工过程是一个金属的切削过程，又由于是大型的滚齿机，加工过程的发热量可想而知，在加工的过程中，机床成为热源作为主要的发热件，同时还会存在立柱的热变形，这些都会使得主轴的中心距发生相对位移，影响了齿轮的加工精度。加工过程电机发热难以避免，切削摩擦也会生热而且是大量的热量，同时环境和加工工艺也会起到一定程度的影响。

3 大型数控滚齿机加工误差补偿技术

很多情况下，大型数控滚齿机在高速度、高负荷、高功率运行时，想要降低加工误差是非常困难的一件事，金属加工切削力很大，整个机械振动很强，主轴中心距位置几乎不可能保证，这就需要进行一定的合理加工误差补偿，这也是降低加工误差的一个重要举措。大型数控滚齿机加工误差的补偿方法主要分为硬件结构补偿和软件控制补偿两类。硬件结构补偿是在使用各种误差检测手段和技术进行误差评定，直接或间接的测量出加工误差，并通过建立起的数学模型进行误差补偿计算，以尽可能的消除误差。可以使用一种滚齿机误差差动螺旋补偿装置，包括丝杠螺母传动系统、蜗轮蜗杆补偿系统、套筒、支撑轴承及垫圈等部件。软件控制补偿就是研发出科学高效的加工自动编程系统，使用各种传感器采集加工过程中的数据，并反馈给数据处理核心，进行实时的检测和控制，使用负反馈系统，让加工的输出得到时刻的修正，更加准确。需要注意的是，软硬件误差补偿都需要以系统模型为基础，在此基础上进行计算，建立修正补偿算法模型，开发出更加科学、高效、精确的自动控制系统。综合使用软硬补偿，建立起补偿系统平台，进行误差补偿实验，不断优化改进，以实现加工齿轮的高精度目的。

4 小结

目前，随着科技的飞速发展和社会的不断进步，世界制造业也进入了发展的黄金期，加上计算机和信息技术的日益成熟，自动控制理论的不断完善，数控机床已经成为工业制造不可缺少的重要工具。不同的传统的齿轮加工，数控滚齿机让齿轮加工进入了批量生产，大规模生产的新时代，而新兴的在线监测和自动控制，让大型数控滚齿机拥有了广阔的应用前景和无尽的发展潜力。未来的大型数控滚齿机将更加呈现智能化、自动化、人性化、高效化、高精度化和多功能化的发展模式。为实现这一目标，需要所有的科研人员清楚大型滚齿机加工精度的影响因素，深入研究，不断尝试、探索、实验，最大限度的提升加工齿轮的精度，减少加工误差并及时、合理的进行误差补偿，保证加工齿轮的工程质量。

参考文献：

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作者简介：倪雪如（1969-），女，江苏南通人，大专，研究方向：机械制造。