汽車齒輪綠色智能加工關(guān)鍵技術(shù)與裝備
2018-12-3 來源：重慶機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 作者：李先廣 楊勇 張自凱
摘要：成功研制的智能化滾齒機(jī)、高速干切機(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線及數(shù)控萬能磨齒機(jī)等齒輪加工關(guān)鍵裝備實(shí)現(xiàn)了無切削液綠色環(huán)保、高速高效、自動(dòng)及智能化齒輪加工，提高了齒輪加工質(zhì)量與精度，降低了生產(chǎn)車間環(huán)境污染，縮短了生產(chǎn)周期，為企業(yè)節(jié)約了生產(chǎn)成本。
隨著全球經(jīng)濟(jì)持續(xù)低迷，乘用車與商用車市場(chǎng)需求量也逐漸處于下滑趨勢(shì)，需要去庫存，提高可靠性、穩(wěn)定性及舒適性等問題，故車用發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、主減速器及差
速器對(duì)齒輪質(zhì)量、精度及加工效率提出了更高要求。因此，為了滿足乘用車與商用車齒輪的要求，作為現(xiàn)代裝備制造業(yè)工作母機(jī)的齒輪加工數(shù)控機(jī)床，不僅需要具備大批量、高速、高效及高精度加工能力，還需開發(fā)出綠色化、自動(dòng)化及智能化功能模塊與系統(tǒng)。本文主要針對(duì)乘用車與商用車齒輪綠色智能加工裝備特點(diǎn)、布局方式及解決方案進(jìn)行介紹與分析。
一、汽車齒輪加工特點(diǎn)及方式
1.汽車齒輪加工特點(diǎn)
目前，汽車齒輪加工特點(diǎn)主要體現(xiàn)為：一是中、大批量加工，品種相對(duì)較少；二是要求加工效率高，單件加工成本低；三是機(jī)床穩(wěn)定性與可靠性要高，CP K值高；四是企業(yè)生產(chǎn)車間具有環(huán)境友好（綠色化）型；五是齒輪加工生產(chǎn)線更換品種快捷方便。基于上述特點(diǎn)，乘用車與商用車的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、主減速器及差速器等關(guān)鍵功能組件對(duì)圓柱軸齒輪與盤齒輪、錐齒輪的生產(chǎn)加工（車用齒輪材料與工藝參數(shù)見附表），不僅要求齒輪加工質(zhì)量精度高，加工工藝具有新穎性，而且還對(duì)加工機(jī)床裝備提出了綠色、智能化要求。
齒輪自動(dòng)化加工單元
2.汽車齒輪加工方式及布局
乘用車與商用車的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、主減速器及差速器齒輪加工方式主要為：一是車削→滾齒（包括高速干切滾齒）→倒棱去毛刺→剃齒；二是車削→滾齒（包括高速干
切滾齒）→倒棱去毛刺→熱處理→磨齒。車用齒輪加工生產(chǎn)線布局方式主要有機(jī)群式、U形及線型等幾種方式，這類型布局方式均有利于提高批量齒輪加工效率。
二、汽車齒輪加工智能化解決方案
1.智能化滾齒機(jī)
為了實(shí)現(xiàn)車用齒輪加工的智能化解決方案，在滾齒智能化加工中需要突破與解決相關(guān)的制齒機(jī)床及制齒關(guān)鍵技術(shù)，建立相應(yīng)的智能化支持與服務(wù)系統(tǒng)，以提高滾齒機(jī)可靠性、自動(dòng)化與智能化程度，提升齒輪加工效率、質(zhì)量及精度，降低齒輪加工廢品率，縮短生產(chǎn)周期，為用戶節(jié)約企業(yè)生產(chǎn)成本。
（1）制齒機(jī)床及制齒的10大關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)包括機(jī)床多功能網(wǎng)絡(luò)化智能終端技術(shù)，制齒工藝參數(shù)智能決策支持技術(shù)，機(jī)床數(shù)控程序智能編制及仿真技術(shù)，制齒機(jī)床誤差
智能補(bǔ)償技術(shù)，制齒機(jī)床加工過程在線能效監(jiān)測(cè)與節(jié)能運(yùn)行技術(shù)，制齒機(jī)床運(yùn)行過程故障監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程維修維護(hù)技術(shù)，制齒機(jī)床加工過程質(zhì)量信息提取與監(jiān)控技術(shù)，制齒機(jī)床刀具、夾具及工件智能管理技術(shù)，制齒機(jī)床加工過程刀具狀態(tài)自動(dòng)檢測(cè)與換刀優(yōu)化技術(shù)，制齒機(jī)床加工過程生產(chǎn)進(jìn)度信息自動(dòng)提取技術(shù)。
（2）制齒機(jī)床及智能化制齒支持與服務(wù)系統(tǒng)的建立。
1）生產(chǎn)任務(wù)管理系統(tǒng)。包括已分配任務(wù)查看、新增任務(wù)、當(dāng)前工序詳情和歷史任務(wù)記錄等。
2）制齒機(jī)床工藝參數(shù)智能決策支持系統(tǒng)。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理：對(duì)滾齒工藝參數(shù)優(yōu)化決策所需基本數(shù)據(jù)進(jìn)行集中有效管理，包括滾切次數(shù)、滾切速度、滾切深度、齒輪材
料、滾刀材料及機(jī)床基礎(chǔ)等數(shù)據(jù)。工藝參數(shù)優(yōu)化：包括工藝參數(shù)推理決策和工藝參數(shù)經(jīng)驗(yàn)決策兩部分。還包括滾刀管理、齒輪管理、歷史數(shù)據(jù)管理、滾齒規(guī)則管理等其他功能。
3）制齒機(jī)床數(shù)控程序智能編制系統(tǒng)。滾齒程序編制：具有加工齒輪選型、加工刀具自動(dòng)匹配、竄刀參數(shù)設(shè)定、補(bǔ)償參數(shù)設(shè)定、切削量參數(shù)設(shè)定、輔助控制條件設(shè)定、N C
代碼預(yù)覽、加工路徑檢查與仿真、數(shù)控程序員操作信息記錄等功能，數(shù)控程序員只需完成簡(jiǎn)單少量的加工參數(shù)設(shè)置即可生成工件的N C代碼。程序下發(fā)：通過智能終端將已生成數(shù)控程序下發(fā)到滾齒機(jī)床，用于齒輪加工。
4）機(jī)床刀具、夾具及工件智能管理系統(tǒng)。主要由編碼定義和生成、刀夾具數(shù)據(jù)管理、刀夾具選配和庫存管理幾個(gè)方面構(gòu)成。
5）制齒機(jī)床加工過程生產(chǎn)進(jìn)度信息自動(dòng)提取系統(tǒng)。主要包括基礎(chǔ)設(shè)置、進(jìn)度監(jiān)控（通過加工啟停信號(hào)（從PLC獲取）、能量信息以及質(zhì)量信息多信息融合的方式進(jìn)行進(jìn)度采集，并根據(jù)指定質(zhì)檢頻次進(jìn)行質(zhì)檢提醒）和歷史查詢。
6）機(jī)床加工過程質(zhì)量信息提取與監(jiān)控系統(tǒng)。具有質(zhì)量信息采集、質(zhì)量信息動(dòng)態(tài)顯示和歷史質(zhì)量信息查詢功能。
7）機(jī)床加工過程能效監(jiān)測(cè)與節(jié)能運(yùn)行系統(tǒng)。包括功率曲線、能量信息、開機(jī)后能效信息的獲取，以及報(bào)警配置。
8）運(yùn)行過程故障監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程維修維護(hù)系統(tǒng)。包括故障信息采集、故障申報(bào)和遠(yuǎn)程維修維護(hù)。
（3）制齒機(jī)床智能化的實(shí)現(xiàn)。在制齒機(jī)床智能化關(guān)鍵技術(shù)研究，以及相關(guān)制齒支持與服務(wù)系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)上，成功實(shí)現(xiàn)了滾齒機(jī)床的加工智能化，以國(guó)內(nèi)重慶機(jī)床為代表的自主研發(fā)智能化滾齒機(jī)總體上已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，其智能化主要體現(xiàn)在以下幾方面：
1）機(jī)床加工準(zhǔn)備的智能化。機(jī)床加工前，能實(shí)現(xiàn)不確定變化環(huán)境中自主規(guī)劃工藝參數(shù)、自動(dòng)編制加工代碼、自動(dòng)物流、自動(dòng)匹配工
李先廣（右）重慶機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司總經(jīng)理、教授級(jí)高級(jí)工程師重慶大學(xué)客座教授研究方向?yàn)閿?shù)控齒輪加工機(jī)床動(dòng)力學(xué)、綠色化、智能化裝夾具、預(yù)測(cè)制定確定性控制邏輯以實(shí)現(xiàn)最佳行為策略能力等準(zhǔn)備功能的軟硬件設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試工作。
2）機(jī)床加工執(zhí)行的智能化。機(jī)床加工時(shí)，能實(shí)現(xiàn)自主在機(jī)檢測(cè)、自適應(yīng)加工代碼生成、自我優(yōu)化加工控制策略、自主在線診斷、遠(yuǎn)程監(jiān)控等執(zhí)行功能的軟硬件設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試工作。
3）機(jī)床維修維護(hù)的智能化。機(jī)床具有自主故障檢測(cè)、自主故障修復(fù)、人計(jì)機(jī)（人、計(jì)算機(jī)、機(jī)器）協(xié)同智能維修維護(hù)、遠(yuǎn)程智能維護(hù)，以及使其具有自學(xué)習(xí)和共享學(xué)習(xí)各種知識(shí)庫能力的軟硬件設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試工作。
2.智能化自動(dòng)生產(chǎn)線
為了提高車用大批量齒輪加工效率，研究與開發(fā)了多類型汽車齒輪生產(chǎn)裝備集成控制技術(shù)，建立了自動(dòng)物流方案；并進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)化現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理與監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)，開展了齒輪加工工藝研究等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。對(duì)于不同類型車用齒輪其自動(dòng)生產(chǎn)線系統(tǒng)的集成與連接方式不同，使得自動(dòng)生產(chǎn)線中桁架、料倉(cāng)、機(jī)械手集成及關(guān)節(jié)機(jī)器人等新技術(shù)與自動(dòng)加工單元功能件（齒輪自動(dòng)加工單元是由關(guān)節(jié)機(jī)器人、抽檢工位、清潔工位（甩水甩油）、在線檢測(cè)工位及堆棧式料倉(cāng)等組成）的應(yīng)用較為廣泛，且自動(dòng)加工單元與齒輪加工設(shè)備進(jìn)行無縫集成組成了高效、自動(dòng)化、綠色化及智能化的齒輪加工自動(dòng)生產(chǎn)線。
（1）車用齒輪加工自動(dòng)生產(chǎn)線工藝流程。
1）汽車變速器齒輪加工自動(dòng)生產(chǎn)線工藝流程如下圖所示。
汽車變速器齒輪加工自動(dòng)生產(chǎn)線工藝流程
2）摩托車高速齒輪、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪加工自動(dòng)生產(chǎn)線工藝流程：滾齒（插齒）→熱處理→磨齒。
3）重載貨車齒輪加工自動(dòng)生產(chǎn)線工藝流程：滾齒（插齒）→剃齒→熱處理。
4）大型客車齒輪加工自動(dòng)生產(chǎn)線工藝流程：滾齒（插齒）→熱處理→磨齒。
（2）車用齒輪加工自動(dòng)生產(chǎn)線組成模塊。車用齒輪加工智能化自動(dòng)生產(chǎn)線中開發(fā)了智能化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線高效、柔性運(yùn)行；生產(chǎn)線由各種模塊與系統(tǒng)組成，主要分為
U形智能化自動(dòng)加工島與線型智能化自動(dòng)生產(chǎn)線，能有效提高齒輪加工過程管控能力，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率、設(shè)備利用率和產(chǎn)品質(zhì)量水平綜合提升。
智能化自動(dòng)生產(chǎn)線模塊與系統(tǒng)具備以下功能：生產(chǎn)任務(wù)管理與動(dòng)態(tài)生產(chǎn)調(diào)度；生產(chǎn)進(jìn)度信息提取與進(jìn)度監(jiān)控；數(shù)控編程與工藝參數(shù)優(yōu)化支持；質(zhì)量信息采集與分析監(jiān)控；生產(chǎn)線裝備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控；齒輪加工自動(dòng)生產(chǎn)線與企業(yè)信息化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化集成運(yùn)行。
實(shí)際研發(fā)與生產(chǎn)過程中，可根據(jù)用戶工藝路線，選取上述模塊，優(yōu)化工藝流程，形成貼合用戶要求的智能化齒輪加工自動(dòng)生產(chǎn)線。智能化生產(chǎn)線可實(shí)現(xiàn)高速干切滾齒和干切倒棱，杜絕齒輪加工中冷卻油污染，綠色環(huán)保；還實(shí)現(xiàn)了工件自動(dòng)裝夾、工件全自動(dòng)上下料、工序間自動(dòng)轉(zhuǎn)換等高效自動(dòng)化加工，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率和可靠性。成功開發(fā)的智能化生產(chǎn)線得到產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用，且整體技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。
通過用戶實(shí)際使用，與傳統(tǒng)生產(chǎn)模式相比，智能化自動(dòng)線生產(chǎn)模式可有效減少人數(shù)，降低成本，提高生產(chǎn)和管理效率，便于實(shí)施精益生產(chǎn)。同時(shí)，可減少人為因素影響，保證了齒輪加工精度與質(zhì)量的穩(wěn)定性。
3.數(shù)控精密高效磨齒機(jī)
重慶機(jī)床集團(tuán)與英國(guó)PTG公司強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，嚴(yán)格按照國(guó)內(nèi)機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)和歐洲精密機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)出多功能數(shù)控精密高效磨齒機(jī)，在結(jié)構(gòu)布局上采用經(jīng)典立式結(jié)構(gòu)，工作臺(tái)固定，大立柱移動(dòng)實(shí)現(xiàn)徑向進(jìn)給，各軸獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。并且機(jī)床配置自動(dòng)化上下料裝置，4臺(tái)機(jī)床只需一個(gè)操作工，大大節(jié)約人力成本。并且數(shù)控磨齒機(jī)床實(shí)現(xiàn)了全過程質(zhì)量控制及機(jī)床測(cè)試、驗(yàn)證，保證了高品質(zhì)的機(jī)床質(zhì)量。數(shù)控精密高效磨齒機(jī)主要特點(diǎn)如下：
（1）高品質(zhì)的機(jī)床質(zhì)量。嚴(yán)格按照國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和歐洲精密機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全過程質(zhì)量控制及機(jī)床測(cè)試、驗(yàn)證，保證了高品質(zhì)機(jī)床質(zhì)量。
（2）直驅(qū)技術(shù)應(yīng)用。砂輪主軸采用電主軸直驅(qū)，使砂輪主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)10 000r/min，工件主軸采用內(nèi)裝主軸電動(dòng)機(jī)定子、轉(zhuǎn)子直驅(qū)。
（3）功能強(qiáng)大的磨削軟件。實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話、齒輪計(jì)算、齒輪數(shù)據(jù)庫管理及維護(hù)、齒輪磨削及砂輪修整程序自動(dòng)生成、各種磨削方式選擇、齒形齒向修形等。
（4）全自動(dòng)控制。機(jī)床通過控制系統(tǒng)多通道控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工件自動(dòng)裝夾、砂輪修整、高速自動(dòng)對(duì)刀、AE自動(dòng)磨削工藝監(jiān)控、自動(dòng)分配磨削余量、自動(dòng)磨削等整個(gè)加
工過程全自動(dòng)控制。
（5）高生產(chǎn)效率。磨削速度可達(dá)80m/s高速及全自動(dòng)磨削，使生產(chǎn)效率與世界頂級(jí)磨齒機(jī)相當(dāng)。
（6）頂級(jí)加工質(zhì)量。通過剛性極強(qiáng)設(shè)計(jì)、精度極高制造、嚴(yán)格質(zhì)量控制，保證了頂級(jí)質(zhì)量磨削。數(shù)控萬能磨齒機(jī)的全自動(dòng)智能化控制，操作者只需輸入相關(guān)參數(shù)，機(jī)床自動(dòng)計(jì)算并執(zhí)行。機(jī)床各項(xiàng)誤差，控制系統(tǒng)可根據(jù)傳感器的監(jiān)測(cè)信號(hào)實(shí)時(shí)補(bǔ)償。通過以上描述可知，該系列數(shù)控萬能磨齒機(jī)整機(jī)技術(shù)性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
結(jié)語
通過以上對(duì)乘用與商用車齒輪綠色智能加工裝備特點(diǎn)、布局方式及解決方案的介紹與分析，得出以下結(jié)論：
（1）乘用車與商用車齒輪實(shí)現(xiàn)了無切削液綠色環(huán)保、高效、高速干切滾齒加工，提高了齒輪加工效率，消除了油霧污染，減少了生產(chǎn)環(huán)境對(duì)操作者身心健康的影響。
（2）汽車齒輪加工裝備開發(fā)出功能各異智能化模塊與系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了加工準(zhǔn)備、執(zhí)行及維修維護(hù)等方面智能化功能，減輕了機(jī)床操作者勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了加工準(zhǔn)備時(shí)間，提高了機(jī)床加工精度、質(zhì)量及可靠性，減小了機(jī)床維修維護(hù)響應(yīng)時(shí)間。
（3）汽車齒輪加工自動(dòng)生產(chǎn)線集成了控制、物流、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理、各種工藝流程及監(jiān)控等系統(tǒng)與模塊，實(shí)現(xiàn)了齒輪工件自動(dòng)裝夾、工件全自動(dòng)上下料、工序間自動(dòng)轉(zhuǎn)換等高效自動(dòng)化加工，優(yōu)化了加工工藝，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率和可靠性，減少了加工廢品率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。
（4）汽車齒輪自動(dòng)生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了高速干切滾齒和干切倒棱綠色環(huán)保加工，消除了齒輪加工中冷卻油污染，解決了車用齒輪大批量、高效加工等問題。
（5）數(shù)控萬能磨齒機(jī)采用直驅(qū)技術(shù)，提高了砂輪主軸轉(zhuǎn)速與生產(chǎn)效率，而且開發(fā)的磨削軟件實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話、齒輪計(jì)算、齒輪數(shù)據(jù)庫管理及維護(hù)、齒輪磨削及砂輪修整程序自動(dòng)生成、各種磨削方式選擇、齒形齒向修形等智能化功能。
（6）開發(fā)具有全自動(dòng)控制功能模塊與平臺(tái)的數(shù)控萬能磨齒機(jī)，實(shí)現(xiàn)了工件自動(dòng)裝夾、砂輪修整、高速自動(dòng)對(duì)刀、AE自動(dòng)磨削工藝監(jiān)控、自動(dòng)分配磨削余量、自動(dòng)磨削及實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)燃庸み^程智能化功能。
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