摘要：随着工业技术的不断发展，作为工业母机的数控机床也在不断的迭代升级，其加工精度也在不断的提升。数控成型磨齿机作为齿轮加领域的机床其具备科技含量高、精度要求高、制造要求高等特点一直是我国机床领域的短板之一，近年来国产数控成型磨齿机虽有突破，但是中高端领域基本由HOFFLER、NILES、GLEASON-PFAUTER等国外机床设备制造商垄断。

关键词：数控成型磨齿机  震纹  动平衡  力矩转台 机床几何精度

前言：霍夫勒磨齿机一直以磨削高精度、高效率、高稳定性而著称，其设备根据结构形式以及加工齿轮方式的不同有RAPID系列、HELIX系列、PROMAT系列等等。本文以RAPID系列磨齿机为例探讨我们在使用磨齿机在齿轮加工过程中出现齿面震纹解决的方法。

（一）RAPID系列数控成型磨齿机的结构

该系列设备主要由床身本体、立柱部分、磨削单元、工作台部分、冷却过滤单元、油雾分离系统以及数控系统等部分构成（如图一）。床身本体底座是机床的主体结构，上面安装着工作台部分和立柱部分，而磨削单元和修整单元则安装在立柱上面做上下往复的冲程运动，在磨削时需要冷却液进行冷却，同时大量的砂轮灰会随着磨削液进入到冷却单元中，这时候需要在磨削油过滤系统中将砂轮灰过滤干净，否则含有砂轮灰的冷却液在磨削冷却时会和齿轮表面进行研磨最终影响齿轮表面的光洁度。制冷单元是用来给液压油、磨削油、主轴冷却液降温，在磨削时会产生的大量的热量促使磨削油的温度急速升高，由于齿轮加工属于高精度加工因此当油温升高时受金属热膨胀系数的影响齿轮尺寸会发生变化，如果在油温很高的情况下磨削到需要的尺寸那么等工件从设备上取出放在恒温室等温后再次计量可能会出现磨削量过多的问题，因此制冷单元的高效性尤为重要。HOFFLER磨齿机的冷却过滤单元由德国HOFFMANN公司供应，该制冷单元以其高效率、高稳定性著称被广泛使用在高端数控成型磨齿机上面，另外为了使过虑的效果更好HOFFMANN过滤单元采用了高精度的过滤带，该过滤带的精度一般有70微米和100微米两种精度等级，不同的是过滤等级越高其表面越容易堵塞，为了使磨削液快速渗透到干净油箱该过滤系统采用了负压过滤就是使过滤带下侧的压强小于过滤带上侧的压力，这样在大气压力作用下能够快速使干净磨削液渗透到过滤带下面进入干净油箱。

其中床身和立柱部分以大理石材料为主体而不是平常我们常见的铸件材料，选择大理石为材料的制作机床主体结构其好处主要有1、热稳定性好：磨齿机的磨削加工过程主要分为粗加工和精加工两个过程，尤其是精加工时候磨削量已经所剩无几，总所周知金属的膨胀系数受温度影响较大，所以选择大理石材料几乎将因温度变化带来的精度误差降低至最小。2、抗震性强：大理石的阻尼系数比铸铁大10倍，能够有效吸收和衰减震动，而我们在齿轮磨削时冲程轴需要不停的上下运动，对机床产生较大的冲击，这个时候选择大理石床身能有效减轻震动造成的精度误差从而提高齿轮表面的光洁度，提升加工质量。3、耐腐蚀安全性高：在磨削齿轮时需要喷淋磨削液来降低因磨削产生的热量防止造成齿轮表面灼伤，影响齿轮加工精度，大理石床身具有耐腐蚀性能够抵抗磨削液、主轴冷却液等带来的腐蚀，同时大理石不导电不导磁，无静电使用更加安全。

（二）磨削修整单元部分是设备的核心部件，也是实际加工中造成磨削震纹的重要故障点，在磨削时Y轴要不断的做上下冲程运动，由于Y轴是垂直轴该轴的伺服电机带有抱闸制动机构，在驱动使能加上后，+24V电压加到抱闸线圈上，制动机构打开，这时整个修整单元的重量由Y轴伺服电机受力，由于频繁制动抱闸扭矩会下降，因此我们在安全集成中一般会每隔8小时进行制动测试，确保设备的安全性。如果电机抱闸因进磨削油或者其它原因致使不能完全打开，这时候我们一般能听到电机异响声，为了排除故障我们不仅能通过驱动器参数P1722_LOAD实时观察Y轴的负载情况还可以通过驱动参数P1702 MOTOR_TEMPERATURE中显示的温度数据观看电机温升是否异常，从而来辅助判断电机抱闸是否完全打开，在电机抱闸未完全打开时冲程轴的运动一般伴有抖动现像，这会使磨削时有大量的横向震纹遍布整个齿面，因此解决方法可以维修更换伺服电机的BRAKE部分。

（三）电气控制系统，HOFFLER磨齿的数字控制系统采用的是德国西门子公司的高性能数控系统sinumerik 840dSL或者sinumerik ONE系统，该系统最多可以控制31根轴的运行，具有强大数字运算能力，在磨削时能够使得插补曲线更加完美，精确的运动轨迹才能把砂轮修整出所需要的形状保证加工的精度，参与插补的所有者的增益理论上必须一致，如果不一致会影响插补轨迹的精确性甚至有些轴的动态响应跟不上会造成运动平稳性的差异，在磨削产品时候机床会产生微小的抖动，从而会造成加工齿轮表面有震纹的产生，这种震纹一般情况下用目光能观看出来但是在齿轮检查仪或者三坐标测量仪上面是无法检测出来。随着机床使用年限的增长机床各个部件都存在不同程度的机械磨损，从而使得最初的电气参数和现在各轴传动系统并不匹配，例如反向间隙32450_BACKLASH中的数值，需要注意的是32450参数有两个如果是半闭环系统则在后缀为0的值中修改，如果是闭环控制系统需要在后缀为1的数值中修改。另外比例积分时间常数、电流环、速度环、位置环的增益、加速度等参数与现有的各轴传动系统也不匹配这时候需要给各轴进行参数优化，优化包括自动优化和手动优化两种方法，自动优化是西门子高端数控系统自带的一个功能，它能够在设定好优化区域、选择优化类型后自动优化，然后根据优化的伯德图分析信号衰减的频谱宽度设置滤波器和调整积分时间常数；手动优化主要根据工程师的经验设置相关参数使得机床各轴运行平滑顺畅。

（四）磨削冲程Y轴的机械传动机构主要由INA ZARF系列组合轴承、SCHENEEBEGER MRC系列直线导轨和滑块以及INA深沟球轴承组成，在磨削时随着时间的积累会有砂轮灰夹着金属粉末穿过防护罩进入传动部件内部致使线轨、滑块磨损从而在磨削过程中产生震动最终造成齿面在磨削后有震纹。另外整个修整理单元的重量实际上都由组合轴承来承受，因此一定要确保轴承润滑顺畅否则极易造成轴承发热从而时滚珠发热磨损，当轴承旋转不顺畅时候也会造成异响和震动，也会使磨削过程中齿面出现震纹。这时候我们可以通过调整驱动器的增益参数P1407 SPEEDCTRL_GAIN和轴参数32200_POSITION_GAIN来调整，其中32200参数可以在加工软件Gearpro中对应轴的KV系数中调整。

（五）砂轮主轴C轴是直接和工件接触的轴，因此其自身精度非常重要，RAPID系列磨齿机电主轴采用的是全球著名主轴制造商GMN公司制造的高精度旋转主轴，其端跳和径跳一般在0.002mm，由于受限砂轮的制造工艺其是个密度不均的物体，在高速旋转的情况下主轴会因为砂轮密度的不均匀产生震动，一旦主轴出现震动势必会造成磨削精度误差和齿面震纹，因此在主轴内部我们安装了动平衡系统，在我们RAPID系列主轴中采用的是DITTEL的动平衡系统，其主要由处理显示单元、震动传感器、动平衡头、发射器、接收器和电缆线组成，如图三。

当主轴高速旋转时由于安装在主轴上的砂轮密度不均匀因此会产生震动，这时候震动传感器会将震动强弱的信号传输给动平衡信号控制器，控制器发出指令通过发射器和接收器给动平衡执行机构，动平衡执行机构由两个电机和两组配重齿轮箱组成，通过电机驱动配重机构的角度调整从而在砂轮不平衡量的相反端产生对称的量来抵消因砂轮不平衡带来的影响使得震动值下降到最低，当主轴在长时间使用或者受外力后精度丧失，需要重新更换轴承否则也会产生全齿面震纹。DITTEL公司的动平衡系统提供了可调整的软件集成在Gearpro软件中，随着使用年限的增长集成在平衡头中的固体导声传感器的灵敏度会下降，这时候当砂轮接触到工件或者修整金刚滚轮接触到砂轮时不会第一时间发出信号给动平衡处理系统，从而使得数控系统也无法第一时间接受到动平衡系统传输过来的信号，这样数控系统就会继续发出指令让修整单元继续修整或者磨削单元继续进给磨削从而使得加工尺寸过大，这时候根据实际需要调整固体道导传感器的灵敏度值，这个值在HOFFLER磨齿机中默认设置为36dB一般情况下将其值下降10%调整至32dB然后再进行测试，因固体导声传感器灵密度下降致使磨削造成一定的误差同时也可能伴随震纹的产生。

（六）RAPID系列的工作台本身是个力矩电机，定子线圈安装在床身上，工作台面则安装在转子上通过INA组合轴承固定在床身上面，另外为了使工作台分度精确还安装了HEIDENHAIN AK ERA 64000的圆光栅，该圆光栅的分辨率达到0.1微米，从而使工作台定位更加精确，由于经常上下工件带来的轴向冲击以及磨削时候产生的径向推力使得工作台组合轴承在使用一段时间后发热从而使油脂润滑效果降低，这时候即便在更换不同批次工件时进行工作台优化也会产生震纹，因此需要我们将工作台整体起吊后重新注入指定品牌型号的润滑脂这样也能有效地消除因工作台轴承因素带来的震纹。另外工作台的防油防尘密封圈在使用一段时间后需要检查是否老化以及磨损，如果密封性欠佳会使得磨削液进入到工作台内部溅落在圆光栅上面，可能会引起主动编码器硬件故障报警也有可能工作台每次转到这个点时

会产生一定的震动，这种震动可能会持续一段时间如果在磨削小模数多齿数的齿轮影响会更大，不仅会影响这几个齿的精度相应的这几个齿面也会有震纹的产生，这时候就需要使用酒精或者电子清洗剂将圆光栅清洗干净。

（七）工件的装夹是否牢固，磨削时进给量是否合理也是造成齿面加工时产生震纹的原因，在日常的加工中，齿轮的规格形状不可能一直都是一样的，这个就需要各种各样的工装进行装夹，细长型的轴类齿轮在加工时一般需要使用顶尖，这样一夹一顶或者使用双顶能够使得工件更加稳固，在磨削中产生震动的概率就会小很多，能够有效的消除齿面因装夹不稳带来的磨削震纹。如果是加工的圆饼型齿轮则需要内侧卡爪和齿轮内孔接触面尽量增大，增大受力面防止齿轮在磨削受力时产生位移或者震动。此外在选用工装时高度要适中过高或者过低都不是磨齿机最佳的磨削段因此可能会有一定的精度误差，同时应该避免不同的工装互相叠加进行装夹，叠加装夹会造成误差累积和重心偏移，这样磨削时可能会产生震动从而造成精度偏差和齿面震纹的产生。另外由于HOFFLER磨齿机的工作台是力矩电机结构，因此对工件重量比较敏感在更换单号更换不同的零件后需要对工作台进行自动优化，防止因工件重量和当前工作台力矩电机参数不匹配引起震动从而产生磨削震纹。

另外，齿轮磨削加工时，一般分为精磨削和粗磨削两个步骤，粗磨时加工量和精磨时加工量一定要分配合理，例如粗磨时进给量过大致使主轴负载变大，齿轮表面也会产生大量的热量从而灼伤齿轮表面，同时齿轮表面也会有震纹产生并且附带着光洁度超差。如果留给精磨的量过小这样会给砂轮修型带来难度，最终致使精磨削齿轮光洁度不如粗磨削好，甚至伴随细小的震纹，这个就需要针对不同的工件，使用不同的磨削参数。

综上所述，HOFFLER数控成型磨齿机在磨削过程中有许多因素都能造成齿面产生震纹，当震纹产生时需要我们根据震纹的实际情况进行分析，综合考虑一切因素才能准确找出引起震纹的原因从而找到解决磨削时产生震纹的方法。

参考文献：

【1】 HOFFLER磨齿机维修手册，2012

【2】DITTEL 使用说明书，2012

作者简介：孙鑫：（1983.3-），男，汉族，江苏盐城人，学历：本科。