高性能小模數(shù)齒輪的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

母庚禮 李黔希

摘要：小模數(shù)齒輪具有體積小、重量輕、傳動(dòng)緊湊、工作平穩(wěn)特點(diǎn)，是航天、通信、機(jī)器人、智能裝備等領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)件。隨著航空、航天、智能通訊等領(lǐng)域裝備性能的日益提升，對(duì)小模數(shù)齒輪傳動(dòng)及產(chǎn)品提出更高要求。本文對(duì)高性能小模數(shù)齒輪傳動(dòng)主動(dòng)設(shè)計(jì)、精密加工、高效精密成型、快速精確檢測(cè)、基礎(chǔ)試驗(yàn)等關(guān)鍵技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并展望了小模數(shù)齒輪行業(yè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，為小模數(shù)齒輪行業(yè)科學(xué)發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步提供參考。

關(guān)鍵詞：小模數(shù)齒輪;主動(dòng)設(shè)計(jì);精密加工;快速精確檢測(cè)基礎(chǔ)試驗(yàn)

0引言

小模數(shù)齒輪通常指模數(shù)小于1mm的齒輪，具有體積小、重量輕、傳動(dòng)緊湊、工作平穩(wěn)特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航天、通信、機(jī)器人、智能裝備等領(lǐng)域。小模數(shù)齒輪專業(yè)領(lǐng)域是我國(guó)齒輪行業(yè)中的一個(gè)細(xì)分專業(yè)中不可缺少的組成部分。2006年，全國(guó)小模數(shù)齒輪工作委員會(huì)正式成立，經(jīng)過各企業(yè)、高校、研究所的共同努力，我國(guó)小模數(shù)齒輪行業(yè)迅速成長(zhǎng)，新裝備、新材料、新技術(shù)、新工藝都在行業(yè)中得以發(fā)展運(yùn)用，技術(shù)實(shí)力大大增強(qiáng)，整體實(shí)力跨上了新臺(tái)階。

近年來(lái)，隨著航空、航天、智能通訊等領(lǐng)域裝備性能的日益提升，對(duì)小模數(shù)齒輪傳動(dòng)及產(chǎn)品提出了高精度、高承載、高可靠、長(zhǎng)壽命、輕量化、低噪聲的高要求。日益嚴(yán)苛的高性能要求下，小模數(shù)齒輪行業(yè)也面臨巨大的挑戰(zhàn)，諸如正向設(shè)計(jì)理論缺失、精準(zhǔn)形性協(xié)同制造控制困難、測(cè)量精度和效率低、專用材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匱乏，導(dǎo)致工程應(yīng)用中頻繁出現(xiàn)噪聲大、強(qiáng)度低、過度磨損和早期疲勞失效等問題，難以滿足小模數(shù)齒輪傳動(dòng)高性能要求。

本文結(jié)合作者小模數(shù)齒輪傳動(dòng)領(lǐng)域多年工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)高性能小模數(shù)齒輪設(shè)計(jì)、加工、成型、檢測(cè)、試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并展望了小模數(shù)齒輪行業(yè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)進(jìn)一步提升小模數(shù)齒輪傳動(dòng)服役性能、推動(dòng)小模數(shù)齒輪行業(yè)科技發(fā)展提供參考。

1小模數(shù)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)

隨著技術(shù)的進(jìn)步，各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)π∧?shù)齒輪傳動(dòng)提出了傳動(dòng)精度高、承載能力強(qiáng)、振動(dòng)噪聲小、疲勞壽命長(zhǎng)等多種要求。合理的齒形設(shè)計(jì)是保證小模數(shù)齒輪傳動(dòng)高服役性能的前提條件，其中如何通過對(duì)小模數(shù)齒輪的宏微觀參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到傳動(dòng)精度、減振降噪和抗疲勞的目的是急需攻克的難題。美國(guó)、德國(guó)和英國(guó)等先進(jìn)工業(yè)國(guó)家都對(duì)小模數(shù)齒輪的基準(zhǔn)齒形制定了專用的標(biāo)準(zhǔn)[1];河南科技大學(xué)[2]提出了“小輪采用雙面法銑齒加工，大輪采用模具法成形加工”的小模數(shù)弧齒錐齒輪加工新方法，并討論了該加工方法的實(shí)施工藝和應(yīng)用理論基礎(chǔ)。南昌大學(xué)[3]通過正交試驗(yàn)法研究了齒頂修形的最大修形量、修形長(zhǎng)度、修形曲線等三個(gè)因素對(duì)小模數(shù)塑料齒輪疲勞壽命的影響規(guī)律并確定了最佳的小模數(shù)塑料齒輪齒頂修形方案。哈爾濱工業(yè)大學(xué)[4]研究了小模數(shù)漸開線少齒差減速器的設(shè)計(jì)方法和傳動(dòng)特性。上述研究為小模數(shù)齒輪的設(shè)計(jì)優(yōu)化和服役性能提升提供了一定的理論基礎(chǔ)，然而，對(duì)于小模數(shù)齒輪的齒形參數(shù)等因素與振動(dòng)噪聲、服役特性的關(guān)聯(lián)規(guī)律并未進(jìn)行有效揭示，專用設(shè)計(jì)理論缺失，制約了小模數(shù)齒輪服役性能的提升。

2小模數(shù)齒輪加工制造

小模數(shù)齒輪根據(jù)材料不同主要有包絡(luò)共軛切削加工和模具成型兩種制造方式。

小模數(shù)齒輪包絡(luò)加工方面，美國(guó)Gleason公司等一直致力于小模數(shù)齒輪及齒輪傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)制造的研究，提出了小模數(shù)弧齒錐齒輪設(shè)計(jì)與制造等技術(shù)，可以批量生產(chǎn)3～4級(jí)精度的m≤0.02mm的小模數(shù)齒輪，切削加工最小模數(shù)為0.038mm。貴州群建精密機(jī)械有限公司、重慶清平機(jī)械制造有限責(zé)任公司、陜西漢中長(zhǎng)空精密機(jī)制制造公司是國(guó)內(nèi)小模數(shù)齒輪行業(yè)中的典型代表，研制的0.5～1.0mm模數(shù)精度為6～7級(jí)，模數(shù)0.1～0.5mm小模數(shù)齒輪制造精度不穩(wěn)定，與國(guó)外同類型產(chǎn)品相比存在一定差距，小模數(shù)齒輪加工變形等核心技術(shù)亟待突破。

小模數(shù)齒輪模具成型方面：小模數(shù)齒輪特征尺寸小、精度性能壽命等要求高，使得其模具設(shè)計(jì)、制造和精密成型面臨極大挑戰(zhàn)。歐美、日本在粉末冶金小模數(shù)齒輪成型制造方面的研究處于前列，意大利MiniGears公司生產(chǎn)的粉末冶金小模數(shù)弧齒錐齒輪占據(jù)著全球大部分高端市場(chǎng)份額。日本日立粉末冶金公司生產(chǎn)的小節(jié)錐半角斜傘粉末冶金齒輪，成功取代了傳統(tǒng)的以機(jī)加工鍛鋼坯的昂貴生產(chǎn)工藝，并獲得了日本粉末冶金協(xié)會(huì)頒發(fā)的年度創(chuàng)新設(shè)計(jì)獎(jiǎng)。德國(guó)愛爾蘭根紐倫堡大學(xué)LKT研究所通過3D打印隨行冷卻和高動(dòng)態(tài)變模溫控制技術(shù)調(diào)節(jié)塑料齒輪注塑模具型腔溫度場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了塑料齒輪輪齒結(jié)晶形態(tài)調(diào)控和高精度成型[5]。近年來(lái)，我國(guó)粉末冶金齒輪何塑料齒輪行業(yè)發(fā)展迅速，江蘇精研科技公司實(shí)現(xiàn)0.075mm模數(shù)齒輪粉末注射精密成型。但國(guó)內(nèi)長(zhǎng)期依賴模具設(shè)計(jì)與成型工藝經(jīng)驗(yàn)，模具型腔齒廓精密加工困難，成為制約我國(guó)小模數(shù)齒輪成型制造規(guī)模和質(zhì)量的瓶頸。

3小模數(shù)齒輪檢測(cè)試驗(yàn)

由于小模數(shù)齒輪齒槽間隙小、幾何尺寸小，其精確檢測(cè)一直是目前行業(yè)共性難題。日本TT1、美國(guó)Gear Inspection等國(guó)外測(cè)量中心針對(duì)光學(xué)投影和采用CCD的非接觸式視覺測(cè)量技術(shù)開展大量研究，開發(fā)了較為規(guī)范的測(cè)量系統(tǒng)，在技術(shù)先進(jìn)性、市場(chǎng)占有率和產(chǎn)品可靠性等方面占據(jù)當(dāng)前領(lǐng)先地位[6]。國(guó)內(nèi)在0.5～1mm模數(shù)齒輪采用測(cè)頭接觸式測(cè)量已經(jīng)成為常規(guī)測(cè)量，但0.2～0.5mm模數(shù)齒輪檢測(cè)采用成像法或光纖測(cè)頭測(cè)量仍然有一定難度，模數(shù)0.2mm以下的齒輪更加困難?；A(chǔ)試驗(yàn)方面，歐美先進(jìn)國(guó)家掌握了小模數(shù)齒輪表面完整性表征手段、加速疲勞試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，支撐制定VDI2736、BS6168等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[7]。國(guó)內(nèi)針對(duì)高性能小模數(shù)齒輪專用材料的疲勞試驗(yàn)研究和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匱乏，難以有效指導(dǎo)我國(guó)高性能小模數(shù)齒輪的設(shè)計(jì)制造。

4結(jié)論與展望

我國(guó)小模數(shù)齒輪行業(yè)年產(chǎn)值已超過130億元，齒輪傳動(dòng)產(chǎn)品精密化、微型化、智能化為小模數(shù)齒輪行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了廣闊的市場(chǎng)空間，預(yù)計(jì)2025年年產(chǎn)值達(dá)到800億元。小模數(shù)齒輪正向設(shè)計(jì)、高效精密加工、成型模具智能化設(shè)計(jì)、光學(xué)非接觸快速精確測(cè)量是小模數(shù)齒輪傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。在面向中國(guó)制造2025和日益激烈的經(jīng)濟(jì)、國(guó)防安全嚴(yán)峻形勢(shì)下，針對(duì)國(guó)內(nèi)外小模數(shù)齒輪技術(shù)差距，結(jié)合前沿發(fā)展趨勢(shì)，需要進(jìn)一步開展高性能小模數(shù)齒輪設(shè)計(jì)制造檢測(cè)試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)研究，支撐我國(guó)小模數(shù)齒輪行業(yè)自主創(chuàng)新能力和基礎(chǔ)件保障能力提升。

參考文獻(xiàn)

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