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1、格里森制弧齿锥齿轮技术的研究现状摘要：弧齿锥齿轮广泛应用于各种空间机械传动。作为齿轮传动中最为复杂的一 种，其技术水平是一个国家制造业发展水平的重耍标志。本文选择了应用广泛的 格里森制弧齿锥齿轮，介绍了其在国内外的发展历史和研究现状，以及加工技术 的发展情况。关键词：格里森制 弧齿锥齿轮 发展历史 研究现状 加工0引言锥齿轮一般是以假想平面齿轮的齿长曲线作为其特征及分类基础。儿种常见 的齿线有直线、斜线、曲线。我们将具有曲线齿线的齿轮称为弧齿锥齿轮，而其 中还包含有弧线齿锥齿轮、长幅外摆线齿锥齿轮、准渐开线齿锥齿轮等。相对于直齿锥齿轮來说，弧齿锥齿轮具有重合度高、传动噪声小、承载能力 高、传动
2、平稳等优点。在仪器仪表、缝纫设备和电动工具等机械产品中，以及汽 车、飞机、工程机械车、航空发动机、拖拉机、煤矿机械等大型机械中得到广泛 的应用。但弧齿锥齿轮的齿面几何形状极为复杂，啮合过程及其机床结构与加工 调整也都非常复杂，对制造和安装误差十分敬感。加工刀具的设计、机床参数的 设置、加载变形和装配误差等各种误差和激励都会对其啮合、承载及振动性能造 成影响，使得在设计和精密加工中控制其质量和性能极为困难。因此，弧齿锥 齿轮技术一直受到各国相关专家学者的关注和研究，成为齿轮生产中的关键技术 和制高点。木文重点介绍了在国内国外都有广泛应用的格里森制弧齿锥齿轮和它 的发展历史，以及用于加工制造这种制
3、式齿轮的机床设备的发展情况。1格里森制弧齿锥齿轮设计和啮合理论的发展随着空间啮合理论的发展，弧齿锥齿轮的概念早在1820年就被提出，但由 于缺乏用于实际生产的加工理论和机床，弧齿锥齿轮只能停留在理论模型阶段。 而近代完整的弧齿锥齿轮理论是由美国格里森公司的E.威尔德哈泊、M.L.巴斯 特尔等人2州提出的。尽管世界丄生产弧齿锥齿轮加工设备的公司非常多，但是 由于其相关技术极其复杂，做得最为出色的，也是最具代表性的还是美国的格里 森(Gleason)、瑞士的奥利康(Oerlikon)和德国的克林根贝格(Klingelnberg)H家公司。 这三家公司不但技术领先且各自形成体系间。其中格里森以圆弧齿
4、制生产设备及 技术著称。这种齿制的齿形为收缩齿，并采用间歇分度切齿。奥利康以延仲外摆 线齿制生产设备及技术著称。这种齿制的齿形为等高齿，并采用连续分度切齿。 克林根贝格早期生产准渐开线锥齿轮加工设备及刀具，这种齿制的齿形也是等高 齿，并同样采用连续分度切齿。后该公司也开始采用延伸外摆线齿制。前苏联和 口本也进行了大量的弧齿锥齿轮的相关研究，尽管取得了一定的进展，但与三 大公司相比，仍有较大的差距。弧齿锥齿轮的传统啮合理论是由美国格里森公司率先提出的。这种啮合设计 理论大致经历了局部共轨原理、局部综合法、三阶设计与UMC/UMG原理等4 个主要发展阶段。起初，格里森制弧齿锥齿轮切齿技术的理论基础
5、和生产依据全部来H局部共 轨原理。它的基本思想是：先切出大轮齿面，并在切出的齿面丄选取一点作为计 算参考点，利用连续相切接触条件求出与该大轮共辄接触的小轮齿面在所选取参 考点处的位置、法向矢量以及法向曲率等一阶、二阶接触参数，最后根据其他要 求修正小轮齿面在参考点处的法向曲率，并以此作为基础來确定小轮切齿的调整 参数。我国于1972年之后开始大力发展弧齿锥齿轮切齿技术，以弥补之前的研究 空缺，并把“格里森成套技术的研究”列为重点研究课题，组织了大批科学技术 研究院和企业单位的专家学者对其进行深入的探索和研究。其小，南开大学的吴 大任、严志达教授，上海工业大学的陈志新教授对齿轮啮合原理进行了系统
6、的研 究，推导出了共扼接触曲面的诱导法曲率公式，为彻底搞清格里森技术起到了很 大的理论支撑作用。接着乂有重庆大学、西安交大、中南大学等一些高等大学教 授在突破共辄接触曲面诱导法曲率公式的基础上开始对格里森公司的弧齿锥齿 轮切齿加工手算卡和TCA程序进行了全面的探究，推导出了各种计算公式，并 在其基础上揭示了 TCA程序的编制方法，明确说明了局部共轨原理在确定齿面 接触斑点、V/H调整值和啮合曲线吋的运用方法和使用过程。经历了 “七五”、 “八近”两个五年计划，我国专家基本上掌握了格里森齿制的理论基础及切齿加 工原理，逐渐形成并完善了弧齿锥齿轮的技术体系。H前，我国大部分制造商和 研究单位使用的
7、仍然是该套技术，尽管这套技术较为今最新技术已经有些落后, 但在实际生产中仍然可以发挥出相当理想的作用。以局部共轨原理为基础的传统格里森技术存在着明显不足，主要是这种技术 不能直接控制弧齿锥齿轮这种局部共辘轮齿齿面在指定参考点处的二阶接触参 数，使得选择齿面曲率修正量变得很困难，小轮齿面的恰半修正量需要经过多次 试切才能获得理想的啮合质量，加工效率变得低下。针对这种情况，美国的李特 文(LiWin)教授开创性地提出了局部综合法冈，这种方法完全抛开了前面的格里森 技术，克服了局部共轨原理不能控制二阶接触参数的缺陷。此法的基本思路是: 先切出大轮齿面，并在其上选择一个参考点，然后计算在所选参考点处的
8、主曲率 和主方向，并预先设置参考点处的3个二阶接触参数(包括传动比函数的一阶导 数、瞬吋接触椭圆的长半轴长度和大轮齿面上接触迹线的切线方向)，求出小轮 齿面在参考点处的主曲率和主方向，最后确定小轮的加工调整参数。使用局部综 合理论法后，齿而在参考点处的啮合性能可以得到有效控制。随后，李特文教授 乂发展了这种方法，提出了通过预置抛物线型传动误差函数来控制传动误差以达 到减振降噪的H的。这种改进使得此法对于二阶接触函数的控制趋于完善。由于局部综合法没有考虑三阶接触的参数预控，限制了这种方法在精密传动 齿轮中的应用。吴序堂、王小椿等人改进了局部综合法，采用曲率张量和活动标 架9等数学工具提出了一套比
9、较完整的用于三阶接触分析的理论体系，利用多余 的可选加丁参数来优化三阶接触参数，使传动过程中有较好的接触性能，以得到 更好的啮合质量。近几年，格里森公司成功研发了高阶运动误差设计理论，即所谓的万能运动 原理(UMC)和临界运动曲线图(UMG)f,01,为高精度的磨削提供了理论基础。根据 H前技术，我国己有部分生产厂家引进了格里森公司的UMC/UMG技术，但是 其技术原理尚未掌握，还处在猜测与探索的过程中。2格里森制弧齿锥齿轮加工技术的发展弧齿锥齿轮加工机床出现至今己经有一百多年。机床的发展进步i直都影响 着弧齿锥齿轮的切齿加工技术，两者有密切的关系。加工机床的不断改进对格里 森制弧齿锥齿轮制造
10、技术水平的不断完善和提高起着重要的促进作用，同时也成 为/抢占市场的关键。自1X74年，格里森公司的创始人William Gleason发明了世界上第一台圆锥 齿轮创齿机以来，弧齿锥齿轮加工机床大致经历了传统机械式、局部数控式和全 数控式这样3个主要的发展阶段。1913年，格里森公司的James Gleason设计出了首台弧齿锥齿轮端面切削机 床。1919年，格里森公司获得了 P“ul Bottcher （此人最早提出采用铳刀盘加工 弧齿锥齿轮，并加工出了一对完全共轨的等高齿弧齿锥齿轮）的专利技术，对锥 齿轮的结构及加工机床进行了空前的创新。为了改善切削过程中的运动关系，使 轮齿从大端到小端的
11、截面比例保持一致，避免小端齿顶变尖，Ernest Wildhaber 为格里森锥齿轮引入了渐缩齿的概念，而推出的格里森No.16型机床则成为了这 个吋期的代表机床。2（）世纪20年代，格里森公司首次出了轴线偏置的准双曲面齿轮并且进行了 理论研究。轴线偏置使得小轮的螺旋角增加，进血增大了端而模数。在齿轮副整 体装配空间不发生变化的情况下，小轮的直径增加，提高了小轮强度】，齿轮副 的重合度也得到明显增加，这些优点使这种齿轮成为弧齿锥齿轮中的重要类型。 在1925年，格里森公司生产出了可以加工准双曲面锥齿轮的NO.16H型机床。1 926年，美国福特汽车公司率先使用了准双曲面齿轮，成为世界上第一家在
12、汽车 上使用这种齿轮的公司。弧齿锥齿轮另外一项空前的进步是刀倾法被引入到加工机床上。这项技术也 是由格里森公司首先提出并且实现的。第一台带刀倾机构的弧齿锥齿轮加工机床 出现在1930年之前，采用带刀倾机构的切齿机床，可对齿面进行沿齿长和齿廓 方向的修正。从此，点接触齿面开始出现，极犬地提高了锥齿轮副的齿面接触性 能。1954年，格里森公司推出了具有里程碑意义的No16型机床（图2）。这 种机械摇台式铳齿机床达到了纯机械齿轮加工机床的顶峰最大化的机械智 能，最小化的电气控制。这种机床自带刀倾机构，也可以安装变性机构来用变性 法加工锥齿轮。它是第一台可以把齿轮高级啮合理论在弧齿锥齿轮副上变成现实
13、的机床。直至如今，这种机床还在被广泛地使用。我国在上世纪七十年代从美国 引进的弧齿锥齿轮切齿机主要就是这种机床。这种机床的设计概念模型（图2.2） 已经成为弧齿锥齿轮技术发展历史上的经典之作。图2.1格里森No. 116型弧齿锥齿轮铳齿机1 刀头立柱2 摇台3 偏心装置4一刀转角装置5- 刀倾角装腔6 机座7 工件箱8轴偏移滑块 少一回转台10工件轴图2.2 No16型机床概念模型随着控制技术的发展，机床加工来到了数控时代。格里森公司在1986年推 出了过渡机型GMAXX2010,这是第一台可以自由选择单齿分度加工法或者连续 分度加工法的弧齿锥齿轮切削机床。它的摇台、工件、刀盘之间的协调运动完
14、全 采用数控系统进行控制，机床参数调整实现了完全数控化。随后又研制出了这一 阶段的另一个杰出代表作NO.116CNC型机床（图2.3）o这种机床去掉了Z 前No16机械机床复杂传动系统中的大部分传动链，直接利用电子齿轮箱来控 制刀盘轴和工件轴之间的相对运动，极大地化简了机床结构。但是我们不能说 NO.116CNC是一个新机型，它只是对旧型号进行的一次改造，原來机床复杂的 调整环节还是没有得到改变。图2.3 NO.116CNC型机床1989年，格里森公司推出的Phoenix I （凤凰I型）系列全CNC Free-form 型机床彻底抛弃了传统的摇台、刀倾、变性等复杂的机构，建立了六坐标的机械
15、结构（图2.4）,齿面的成形由六轴之间的协调运动來完成。它在化简传统摇台类 机床复杂机械结构的同时，提高了机床的动静态刚度和加工精度，而且使机床可 以被更加灵活地控制。这些结构设计使它成为一种万能型齿轮加工机床，它不仅 能加工格里森齿制的齿轮，也能加工奥利康或克林根贝格齿制的齿轮。近年来格 里森推出了凤凰II型机床，其结构在凤凰I的基础上把3个直线轴和3个转动轴 安装在一个立柱的两个侧面上，B轴用较链结构来代替，机床各轴由电机言接驱 动。凤凰II型数控机床的组成零件更少，占地而积更小，并且可以进行干切，更 加符合环保节约的原则。与风凰系列机相配套，格里森公司推岀了先进的数字化 圆锥齿轮制造技术
16、格里森圆锥齿轮制造专家系统GEMS。GEMS是基于 计算机网络的一体化制造系统，它将格里森公司现有软件模块集成，实现工程工 作诂和格里森数控机床Z间的信息互换与共亨。1-：轴2.vttl3r轴4工件立柱仔一机煙6 刀盘（轴）7 冋转台（轴）8 工件主轴（/轴）图2.4 CNC Free-form机床的三维概念模型1972年之前，我国的弧齿锥齿轮加工机床主要依靠从前苏联、日本和东徳 进口，机床的自行生产也只是在进口设备基础丄进行仿制。1972年以后，随着 大量Gleason机床进入，我国的专家们开始重点攻坚格里森齿轮的成套加工 技术。至20世纪80年代，已基本搞清格里森制锥齿轮技术的理论实质及加工原 理，并制造岀了相应的加工机床。天津第一机床厂生产的Y2250、Y2280机械式 弧齿锥齿轮铳齿机成为国内为吋加工
