齿轮磨削对齿技术研究与实践
随着我国科学技术的发展，装备水平的提高，对齿轮传动件精度的要求也越来越高，硬齿面高精度齿轮得到了广泛的应用。作为高精度、硬齿面齿轮加工主流核心工艺设备的磨齿机床的应用也越来越普及。一般来讲，磨齿是齿轮类零件的齿形精加工工序，是在完成齿形粗加工（如滚齿、铣齿等）工序及热处理等基础上，磨削去除精加工余量，以进一步提高齿轮精度和表面质量的一种齿形精加工工艺。由于齿轮类零件形状的特殊性，磨削时必须保证砂轮初始进入位置对准齿坯的齿槽，也就是说，必须对被磨削齿轮齿槽进行周向定位（即对齿）。
对齿精度对齿形磨削的影响
为了确保砂轮正确进入齿槽及均分左右齿面磨削余量的要求，磨齿机床在对零件进行磨削前都需要对零件进行周向定位。如图1所示的成形磨齿，必须保证齿槽中心面与砂轮齿形中心面重合。在正确磨出第一个齿槽后，机床将依次将工件分齿并磨出全部齿形。
若磨齿前工件的周向定位不准确将造成齿槽两侧磨量的大小不均，严重的砂轮会直接撞击齿面将工件磨废甚至会造成机床精度的丧失。
周向定位偏差将直接影响到后续磨齿的齿侧余量，这样实际磨齿时必须按余量大的一侧考虑，导致径向进给次数增加，从而降低加工效率。此外，上述余量不均将造成余量大的一侧的实际磨削层厚度大于理论设定值，对于渗碳或氮化热处理硬齿面齿轮，由于本身表面硬化层很浅，实际磨削层厚度的增加将导致成品零件齿面硬度的下降，从而导致零件质量问题或影响到零件的工作性能。
齿轮磨削对齿技术概况
目前的磨齿机床对齿技术基本上可以分为三个层次。在中小规格磨齿机上基本没有配备专门的对齿装置，工作中只能依靠操作者手动操作砂轮靠近工件通过目测判断进行工件周向定位。也有部分机床企业或磨齿机用户加装了机械接触式对齿装置，通过人工操作使得与工件齿槽相对应的定位头（如梯形截面或园截面）靠近工件，同时旋转工件使其齿槽两侧面与定位头接触，使得齿槽截面对称中心与砂轮齿形截面对称中心重合，从而确保后续磨齿两侧余量的均匀。上述两种情况齿槽周向定位精度差、工作效率低、可靠性没有保障。在数控大规格磨齿机上，由于机床本身功能的需要配备有在线自动测量系统，可以利用该系统自动寻迹齿槽两侧面确定其中心面位置，其工作精度高，但成本也很高。
非接触式自动对齿技术方案
从上述行业情况看，中小规格磨齿机的工件自动对齿问题目前并没有很好地解决，而这一类设备却是为企业所普遍使用的，而且也已经普及数控化。由于对齿技术的落后，造成的质量和效率等问题严重影响了设备的投资效益。一种方便的解决办法是将数控大规格磨齿机上采用的测量装置与技术进行移植，这样从技术上可以很好的解决问题，但这种方案的硬件成本高，将导致机床整体性价比的下降，同样影响到设备的投资效益。
考虑到一般需要磨齿的工件都是钢或铸铁类金属材料，位置检测可以采用电感或电容式的非接触感应测头。如图2所示，将感应测头1置于被测工件2齿形的径向，其工作面离被测齿轮齿顶圆的距离设定在测头的有效感应距离范围内。
根据初始状态不同，可以分成两种情况考虑：
第一种情况是：初始状态时，工件齿槽与感应测头工作面相对如图2a所示，感应测头没有信号输出，此时通过正向旋转工件，使齿轮左齿面实体接近感应测头工作面，从而触发感应测头形成信号输出，控制系统记住信号上升沿角度坐标值c1，然后反向旋转工件，使得齿轮右齿面实体接近感应测头工作面，从而再次触发感应测头形成信号输出，控制系统记住信号上升沿角度坐标c2，对应的两个角度坐标平均值（c1+c2）/2即为齿槽中心位置坐标。
第二种情况是：初始状态时，工件齿面实体与感应测头工作面相对如图2b所示，感应测头有信号输出，此时可以先正方向缓慢旋转工件，直至测头输出消失，恢复至如图2a所示，再重复第一种情况的操作循环即可。
该方案的对齿检测精度可以达到±0.02mm，完全能够满足齿槽对齿的精度要求。另外，传感器的防护等级可达到IP67以上，具有很好的抗污染能力，可以在实际工作环境下更可靠地工作。非接触式测量方式在对齿速度上与通用测量装置相比可以提高数倍。
自动对齿技术在机床上的应用
如图3所示为一种与中小型数控磨齿机配套的采用非接触式感应测头的自动对齿装置。主要包括壳体5、摆动气缸1、摆轴6、摆臂10、感应测头8、夹持座9、和可调挡铁12等。该装置以摆动气缸1为动力驱动，通过开口紧固夹2和开口套3联接同轴传动摆轴6带着其前端的摆臂10摆动。摆臂10摆动的两个极限位置，其中一个位置靠近被检测对象，为放出检测位置，由可调挡铁12接触固定座11决定其位置。另外一个位置则远离被检测对象，为收回位置，由摆动气缸1的摆动行程确定其位置。摆臂10末端装有夹持座9，夹持座9末端装有感应测头8。
当工件在机床上安装完成后，启动磨齿循环，机床控制器将根据工件相关参数及机床相关控制轴的坐标来确定工件与检测装置的相对位置。在该检测位置，摆动气缸1工作，将感应测头8送出至检测位置（图3实线位置），机床头架慢速带动工件周向旋转对齿槽寻边，控制器记录齿槽两边的位置角度，并取两边位置角度的平均值为齿槽中心面位置角度。检测结束，检测装置摆动气缸1换向，控制摆轴6带动摆臂10反向摆动将感应测头收回。
齿形结构要素在机械零件上非常普遍，典型零件如齿轮、花键等。采用磨削进行齿形精加工是高精度硬齿面齿形零件加工的主流工艺。目前中小规格磨齿设备迫切需要配套一种精密、自动，并且经济可行的自动对齿装置。本文提出的一种非接触式对齿装置，在检测过程中无机械接触，精度高，工作稳定，技术成熟可靠，具有很高的性价比；结合机床的控制系统，可以自动完成齿形零件加工前的高效、精确检测对齿，实现齿侧加工余量均分，经济地满足高精、高效齿形加工的要求。目前在我公司的中小规格数控磨齿机上已经有批量的实际应用，技术经济效益十分显著。
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