与幻想中的工业4.0相比，机床工业显得更脚踏实地。让人感到惊讶的是，即使像齿轮加工这样成熟的技术领域，也在大幅度提高加工速度和产品质量。本文以科堡的一家展成磨削机床生产商为例，来说明这一点。
采用展成磨削加工方法的磨齿加工中心，适用于批量和大批量生产加工，因其能够满足在成本、节能和环保等方面越来越高的要求而闻名于世。机床和工艺开发人员在这些日益严苛的要求面前，不断努力寻求着超越技术极限的解决方案。下面将介绍卡普奈尔斯企业集团的四个研发成果，这些研发成果不仅让业已成熟的技术更高效，更为之开拓出新的应用领域。
可行性 – 展成磨削加工带有干扰轮廓的齿轮
在展成磨削加工过程中，切削速度须保持在63-80米/秒之间，才能确保高生产率。使用常见的刀具，比如具有代表性的直径为300mm的磨削蜗杆，在转速为5000-7500转/分钟的情况下，就可以达到这一目标。然而，大直径刀具摆脱不了干扰轮廓的问题，因为刀具在磨削冲程中的进刀和退刀需要空间。典型的例子有：预加工后带有铣刀退刀痕迹的轴承座，或在待加工的位置附近有一个更大的齿轮（图1）。
图1:展成磨削一个带有干扰轮廓的齿轮，这里有一个相邻的齿轮
对于这样的工件，如果人们不想选择费时的成形磨削，就必须尽可能得将磨削蜗杆小型化。但是，要达到一个普通规格磨削蜗杆的切削速度，小型化磨削蜗杆的转速就必须快很多。这样以来，传统的磨齿机床就无法满足加工过程对刀具和工件驱动产生的动态要求。利用卡普奈尔斯的新型研发成果，磨齿加工中心KX 160 TWIN和KX 260 TWIN，现在就可以把这些苛求变为现实。修整刀具、磨削刀具和机床经过精心设计，相互协调一起工作。谢尔盖格林柯博士（卡普奈尔斯公司的项目负责人）更为详细地描述说：“得益于高速磨削主轴的开发，人们才第一次能够采用直径仅为55mm的刀具来进行展成磨齿加工。结合使用最大直径180mm的该类刀具，在满足批量生产的质量要求的前提下，可以实现由于干扰轮廓限制的原因至今为止无法达到的加工时间和成本。”机床的刀具驱动器转速可达25000 转/分钟。工件也必须随之更快地旋转。在这一点上，卡普奈尔斯拥有起步优势，常规机床上的工件驱动器转速已经达到了5000 转/分钟。格林柯博士针对客户的某个工件，做出了关于加工时间的详细计算和统计。其结果显示：如果采用无需修整的CBN-立方氮化硼砂轮进行成形磨削，一个工件所需的机床加工时间为5.4分钟。而使用可修整的展成磨削加工的话，在每加工完成25个工件进行一次修整的情况下，则只需要2.9分钟。
微观几何的质量-精磨
成品-处理，例如精磨，可以显著提高工件的使用性能。比如说降低齿面的表面粗糙度，就可以使用低粘度的齿轮油。从而产生的结果是传动装置的效率得到提升，而不需要通过牺牲强度去换取。传动装置所需啮合系数的80％-90％，可以通过精磨以机械性去除粗糙尖端来实现。然而在这方面至今都存在一个问题，人们只能通过极其耗时的工艺方法--例如振动研磨--来达到必要的表面品质。使用这种方法，工件将与细小的研磨体、水溶液以及添加剂一起被放入振动盘中。该加工过程可以带来非常好的成果，但是根据工件情况的不同，需要若干小时的加工时间。对比一下，在批量生产中为每个齿轮估算的时间只有一分钟。谢尔盖格林柯说：“对于传动系统的批量生产商来说，他们需要自动化的工艺流水线，最理想的是“单件流”生产线。这对于那些加工时间不一样的生产情况而言，是不可行的。”他还谈到了另一个问题：“振动研磨需要添加剂，也就是化学材料，这些化学制剂让使用者在加工过程中、在回收以及清理问题上，都不得不面对许多规定条例和安全措施的约束。从生产方面来考虑，现有的磨削机床配备精磨加工功能将会有针对性得与生产线实现一体化。”驱动技术研究协会(FVA) 的654号研究项目已经证明了这种做法的可行性：利用传统的磨齿机床进行精磨可以达到 Rz ≤ 1 μm的表面质量。卡普奈尔斯为此开发了具有两个功能区的特殊组合式刀具（图2）。
图2: 常规部分和精磨部分相结合的组合刀具
在卡普奈尔斯新型展成磨削机床( KX-系列和ZX-系列) 上使用这种组合式刀具，齿轮一次装夹可以加工完成Rz 0.5 - 1 μm之间的表面质量（图3）。
图3:精磨前后的表面质量状况比较
在切削速度可保持达63 m/s的情况下，其额外消耗的时间一般来说，低于传统磨削加工时间的50%。谢尔盖格林柯介绍卡普奈尔斯的发展：“采用展成磨削的方式进行生产加工，明显比用一个精磨砂轮进行成形磨削加工具有更高的效益。在这一方面，我们的经验帮助我们正确的选择并且通过使用软件来完美利用两个磨削区域的宽度比。
宏观几何的质量 – 拓扑展成磨削
齿轮不需要进行修整的情况是很罕见的：简单的渐开线只会在教科书上出现，而实践中并不存在。设计师们必须针对公差，比如轴的位置误差等影响加以考虑。齿面上一般会设有几微米大小的鼓形量。假如对齿轮不进行修整，那么即使最细微的位置误差都会对齿轮的承载能力和噪音发射产生负面影响。如果采用展成磨削工艺来成齿的话，则对机床设备有特殊的要求：在进行磨削加工的过程中，刀具和工件之间的轴距必须持续地变化。由于接触线和轴段的位置变化，会导致形成所谓的“投影误差”：齿面会产生扭曲，而不是形成对称的拱型结构。谢尔盖格林柯博士解释说：“一般来说，人们并不想简单直接地消除扭曲，而是希望有针对性的对其进行具体的干预。如果客户确切了解会出现哪种负荷，以及自己的工件在这种负荷下会产生怎样的形变的话，他就能计算出针对此类应用的最佳连续滚动接触数据。有时候，稍微带有一点扭曲，与完全没有扭曲的情况相比，噪音发射的效果反而更好。”即便是一个特别复杂的齿轮，也可以通过展成磨削来生产加工。对此就要求，从一方面来说，在磨削过程中特定的轴之间的相互运动必须彼此协调，以便在移位运动和进给运动之间建立一个固定的连接。
另一方面，人们需要经过改良的刀具：磨削蜗杆必须把针对用途设计的、几何形状各异的各个区域呈现出来。修整的时候，使用常规刀具就可以生成这些区域。很明显，计算磨削蜗杆几何数据以及加工过程本身都需要功能特别强大的软件。有些制造商在自己的工厂运行这一类计算，随后将计算出来的数据植入客户的机床进行演练。然而这是相当耗时的。特别是在样品制造加工或测试过程中，每个极小的修改都会导致长时间的机床设备停机。因此卡普奈尔斯采取了另外一种新途径。谢尔盖格林柯博士这样描述它：“对于拓扑展成磨削来说，便于用户操作使用，所有必要的数据都在机床内部进行计算，还有修整路径和磨削路径的设计，都是很重要的，因此我们非常重视。从设计模拟到制造加工直至运用2D和3D显示的质量检验，在整个过程中客户在我们这里拥有一切可能性按照自己的想法，对工件的扭曲状态施加影响。”
在输入数据后，系统会给出磨削蜗杆宽度和移动区域的最大数目（图4）。
图4: 显示可移动区域的输入界面
格林柯博士进一步解释说：“在拓扑连续展成磨削中，人们想在蜗杆砂轮上划分出尽可能多的区域，以便能够最大限度地利用蜗杆。但这些区域必须足够大，才能产生所希望的几何形状。”机床操作人员确认接受系统生成的区域数目，并在模拟界面上进行检验（图5）。
图5:模拟功能可以在加工前对生成的拓扑结构进行检查
如果机床操作人员发现由于生成的区域数量过高，将会导致刀具磨损和质量下降，也可以减少区域数量，从而尽可能保证最好的成齿质量。
速度–多槽修整
展成磨削的主要优势之一就是节省时间。通过使用螺纹头数多的磨削刀具，可提升进给速度，也就相应的缩短了加工时间。作为减少时间的下一个步骤，必须有效的缩短修整时间，使用一个修整刀具同时进行多个螺纹头修整（图6），可以达到这个目的。
图6:多槽修整刚玉蜗杆砂轮可以节省时间
为了发掘并利用所有的改进潜力，卡普奈尔斯集团对这种方法进行了非常细致的研究。这类研究在最初生产修整刀具的时候就已经开始了，就像谢尔盖格林柯博士介绍的：“多槽修整需要全齿廓修整滚轮，也就是不需要单独的齿顶修整器的刀具。生产这种工具，我们运用一种称之为逆向加工的方法。”在这种生产过程中，金刚石晶体颗粒不是直接被放置在基体上，而是被放置到一个逆向模具里，并进行镀镍。然后这个研磨模具将与一个另外生产的基体组合在一起。为了尽可能得保持较短的修整时间，修整滚轮的齿槽数量必须与蜗杆的齿槽数量相互协调匹配。最理想的情况是二者相同，这样以来，一次进给只需要一个磨削冲程。但是由于技术方面的原因，这并不是每次都可能实现的。如果结合使用一个有5个螺纹头的蜗杆砂轮和一个有3个齿头的全齿廓修整滚轮，则后者会出现不均匀的磨损情况。若要提高修整滚轮的使用寿命就必须避免这种情况，为此卡普奈尔斯的机床采用了一种确保磨损均匀的算法。
结论
这些例子表明，即使在展成磨削这样成熟的技术上，依然有可能在提高生产效率和加工质量方面取得更大的进步。更高的驱动速度，新型刀具设计以及集成控制系统，将带来更多改善和进步，例如全自动的夹具更换系统或者新型Pick-Up展成磨削机床中一体化的自动化解决方案。总而言之，采用这些措施可以实现几年前还无法想像的加工时间和加工质量。
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