汽車齒輪加工的新技術(shù)和發(fā)展動(dòng)向

摘要：伴隨我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，汽車制造行業(yè)也隨之飛速發(fā)展。在汽車行業(yè)加工生產(chǎn)中，汽車齒輪不斷進(jìn)步。在汽車的傳統(tǒng)系統(tǒng)中，汽車齒輪屬于非常重要的零件之一，因此汽車齒輪自身質(zhì)量對傳統(tǒng)系統(tǒng)質(zhì)量具有直接的影響。不僅如此，汽車齒輪還會(huì)對汽車整體功能與噪聲產(chǎn)生直接的影響，所以對汽車齒輪的新型加工技術(shù)與發(fā)展動(dòng)向進(jìn)行分析至關(guān)重要。

關(guān)鍵詞：汽車齒輪加工；新技術(shù)；發(fā)展動(dòng)向

中圖分類號(hào)：U461? 收稿日期：2023-02-17

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.05.019

1 前言

如今，汽車在人們現(xiàn)實(shí)生活中作為不可或缺的交通工具，其功能方面?zhèn)涫荜P(guān)注。在汽車加工生產(chǎn)中，齒輪屬于基礎(chǔ)的傳動(dòng)構(gòu)件。伴隨人們對于汽車越來越高的要求，齒輪質(zhì)量及其功能備受重視。齒輪加工技術(shù)的逐漸提升，有利于齒輪強(qiáng)度的積極改善，在保證齒輪具備降噪以及耐久性功能基礎(chǔ)上，也確保汽車穩(wěn)固性提升，從而延長汽車的使用周期與整體舒適性［1］。

2 齒輪加工的干切技術(shù)

一直以來，汽車齒輪的切削加工都在運(yùn)用切削油，這不僅會(huì)污染到工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，還會(huì)對操作者本身健康產(chǎn)生重大威脅。此外，使用切削油還會(huì)增加相關(guān)成本，如處理廢油成本、切削油成本、分離油霧設(shè)備等。這些都會(huì)進(jìn)一步增加加工成本，有些國家在處理切削油成本方面甚至超過了總加工成本的10%～30%。所以在環(huán)保要求下，很多國家的汽車齒輪加工廠提倡使用無切削油類干切技術(shù)。為確保干切削切實(shí)可行，首先要加強(qiáng)研發(fā)干切基礎(chǔ)所需的機(jī)床與刀具。在干切技術(shù)中所需刀具，確保其壽命維持穩(wěn)定，機(jī)床也要將高溫下產(chǎn)生的切屑快速排出［2］。汽車齒輪加工伴隨機(jī)床設(shè)計(jì)技術(shù)的提升及刀具鍍層與材料技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，為很多國家的齒輪干切技術(shù)提供了飛速發(fā)展的空間，從而實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益的不斷提升。

2.1 滾齒干切技術(shù)

20世紀(jì)70年代初期，日本研發(fā)出硬質(zhì)合金滾刀圓柱齒輪干切技術(shù)（圖1），并在市場上廣泛投放，例如三菱重工與某公司分別加工出硬質(zhì)類合金齒輪設(shè)備。20世紀(jì)80年代我國研究工具行業(yè)、齒輪加工總廠、機(jī)床廠、材料研究廠等諸多單位同時(shí)肩負(fù)著硬質(zhì)類合金滾刀工具的研發(fā)任務(wù)，并以此開始對硬質(zhì)類合金滾刀干切技術(shù)進(jìn)行加大使用，有些技術(shù)和產(chǎn)品甚至獲得過科技成果的研究獎(jiǎng)項(xiàng)，如某倒擋齒輪（m=3.175），但由于諸多因素尚未堅(jiān)持研究下去。當(dāng)前此類技術(shù)在同步加工變速箱中的小模數(shù)、小齒輪等產(chǎn)品中使用，在中國未實(shí)現(xiàn)大力推廣。就算日本率先推出此類技術(shù)也并未實(shí)現(xiàn)廣泛運(yùn)用，硬質(zhì)合金類滾刀工具容易形成崩刃現(xiàn)象，導(dǎo)致刀具應(yīng)用周期縮短，是其生產(chǎn)尚未廣泛運(yùn)用的根本因素［3］。

a.干切削滾齒用的滾刀和切削的比較。

三菱重工在進(jìn)行干切滾刀的開發(fā)中，為提升刀具的耐熱性、耐磨性進(jìn)行特殊鍍層的處理，開發(fā)出超級干切滾刀，在對m=2.05、z=49、β=21.5°、b=40等工件切削中，選擇170HB、SCM415；滾刀頭數(shù)為3個(gè)，即De=75，槽數(shù)需控制在16個(gè)，切削速度控制在1 min/v=200 m，走刀轉(zhuǎn)速控制在1轉(zhuǎn)/s=2.4 mm。比較旋向順銑之干切與濕切結(jié)果發(fā)現(xiàn)，干切較濕切加工效果可以提升2倍，可讓刀具的應(yīng)用周期提升5倍，且因并未運(yùn)用切削油，干切成產(chǎn)費(fèi)用會(huì)下降超過40%。

b.干切滾齒加工機(jī)床。

三菱重工在GE滾齒機(jī)專項(xiàng)干切技術(shù)的研發(fā)過程中，在機(jī)床切削的適當(dāng)位置配備專項(xiàng)的切屑輸送器，并采用壓縮空氣將高溫切屑在未接觸到機(jī)床時(shí)就快速排出，因此能防止因熱切屑造成的滾齒機(jī)熱變形。所以有些滾齒輪格局設(shè)計(jì)為臥式，如此才能方便切屑排出，比如三菱重工的GN型滾齒機(jī)，有些行業(yè)還相繼推出干濕兩類切削技術(shù)都能運(yùn)用的一種滾齒機(jī)。有關(guān)干切滾齒加工機(jī)床如圖2所示。

2.2 插齒干切技術(shù)

在汽車齒輪加工技術(shù)中，不僅有滾齒，還有抽齒干切技術(shù)，如唐澤鐵工、三菱重工等都相繼研發(fā)出一種插齒機(jī)，采用干切技術(shù)。三菱重工加工的插齒機(jī)型號(hào)為SE25A，采用干切插齒刀的材料為高速鋼，粗差切削的速度高于濕差切削速度的1～2倍，加工效果可以提升1.3～1.5倍，刀具使用周期可以延長3～5倍。在設(shè)計(jì)此類插齒機(jī)時(shí)，不僅需要對機(jī)床排屑與剛性充分思考，還要使用均衡軸促進(jìn)高速插齒噪音與振動(dòng)的降低。

2.3 螺旋錐齒輪的干切技術(shù)

a.強(qiáng)力干切用的螺旋錐齒輪銑齒機(jī)。

某公司六軸全控制CNC準(zhǔn)雙曲面齒輪銑齒機(jī)CNC選擇了速度較快的特殊主軸，刀盤主軸的轉(zhuǎn)速最快可以達(dá)到1 min/2 000 r，這在傳統(tǒng)搖臺(tái)式切齒機(jī)方面根本無法實(shí)現(xiàn)。因復(fù)雜齒輪傳動(dòng)鏈已經(jīng)取消，可以確保刀軸均衡運(yùn)動(dòng)，從而規(guī)避了高速切削動(dòng)作時(shí)主軸溫度上升。公司需要按照空氣動(dòng)力學(xué)的相關(guān)原理，在加工機(jī)床區(qū)域裝載獨(dú)特的排出裝置，將刀軸頭與加工區(qū)融入所有排出切削的容器中，通過兩個(gè)高壓空氣噴嘴將切屑吹至機(jī)床后擋板位置，讓其和刀具及工件遠(yuǎn)離，加工生產(chǎn)形成的80%熱力會(huì)伴隨切削同步向機(jī)外排出，排出切削的容器正面需要橫向回轉(zhuǎn)，如此才能給更換刀具提供便利。螺旋錐齒輪如圖3所示。

b.強(qiáng)力干切用的刀具。

強(qiáng)力干切時(shí)選擇新研發(fā)的型號(hào)為PENTAC刀具，整體形狀為棒型硬質(zhì)類合金刀頭。硬質(zhì)類合金刀頭在某公司300CG型刀盤磨床上使用涂抹金剛石砂輪刃刀，刀頭使用硬質(zhì)類合金材料H10F型材料，等同于ISO標(biāo)準(zhǔn)K牌號(hào)［4］。刀頭切削面使用TiAIN鍍層。

c.強(qiáng)力干切的經(jīng)濟(jì)性比較。

某公司對450HC切齒機(jī)的兩類切削技術(shù)進(jìn)行了對比，結(jié)果顯示，強(qiáng)力干切方法較傳統(tǒng)切削技術(shù)可以取得良好收益，例如，相同切削的齒輪，原先每一個(gè)齒輪的切削都要耗費(fèi)電力119.85 kW/min，而強(qiáng)力干切削僅需30.75 kW/min，等同于原先使用1/4。而在同等切削基礎(chǔ)下進(jìn)行大小齒輪的加工，對比強(qiáng)力干切與傳統(tǒng)加工技術(shù)，其加工時(shí)間約為傳統(tǒng)的1/3～1/2。雖說強(qiáng)力干切技術(shù)采用鍍層硬質(zhì)類合金刀頭容易增加成本，但因刀頭應(yīng)用周期可以延長，降低刀磨次數(shù)及節(jié)約切削油，尤其是因生產(chǎn)效果提升而減少成本，因此有利于經(jīng)濟(jì)效益的提升，通常還能讓齒輪整體成本大約減少28%。

3 無斜齒導(dǎo)套的斜齒插齒機(jī)

插齒機(jī)在進(jìn)行直齒輪或斜齒輪加工時(shí)，需采用導(dǎo)套確保切削操作的順利進(jìn)行，插斜齒輪應(yīng)該對螺旋導(dǎo)套進(jìn)行合理運(yùn)用。插斜齒輪對插齒刀螺旋角與工件螺旋角提出了相等的要求。而對螺旋導(dǎo)套導(dǎo)程與插齒刀導(dǎo)程提出了相同的要求，一般在斜齒輪加工生產(chǎn)中，根據(jù)要求使用螺旋導(dǎo)套，對各類斜齒輪加工時(shí)，需要進(jìn)行導(dǎo)套的合理更換。但因?qū)椎募庸どa(chǎn)流程非常復(fù)雜，且具有很長的制造時(shí)間，導(dǎo)套更換非常麻煩，因此在開發(fā)新型產(chǎn)品時(shí)，插斜齒變成新產(chǎn)品研發(fā)的重大阻礙，所以可以改變插斜齒輪結(jié)構(gòu)為兩體，如在加工MSB五十鈴中間軸時(shí)選擇此類方法，另一種方法就是在現(xiàn)有導(dǎo)套基礎(chǔ)下，改變工件的螺旋角參數(shù)，在設(shè)計(jì)1 252分動(dòng)器中的齒圈時(shí)，應(yīng)該使用此類方法，但上述辦法都具有制約性。因此多年以來，人們始終希望研發(fā)出無需使用斜齒導(dǎo)套即可進(jìn)行插斜齒輪的一種插齒機(jī)床。

4 同步式剃齒機(jī)

在精加工齒輪中，剃齒也是方法之一。在剃削過程中，因?yàn)楣ぜ梢栽谔挲X刀的帶動(dòng)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，二者并無傳動(dòng)鏈，通過剃齒刀與工件無側(cè)向縫隙螺旋齒輪進(jìn)行副嚙合，二者接觸點(diǎn)速率會(huì)伴著不同方向讓齒輪加工齒側(cè)面沿著剃齒刀向齒側(cè)面移動(dòng)，剃齒刀側(cè)面存在諸多小凹槽，凹槽和齒側(cè)面交線即為切削刃，齒輪側(cè)面在自身滑移中可將細(xì)小切屑切下。剃齒在修正剃齒齒形、減小齒向誤差和齒面粗糙度等方面效果較好，尤其是在提升剃齒的生產(chǎn)效果方面，明顯低于磨齒費(fèi)用，因此至今在精加工齒輪方面還在廣泛使用。

但此類剃齒手法仍有不足之處，因其屬于自由傳動(dòng)，在反向加工剃齒旋轉(zhuǎn)中，容易發(fā)生轉(zhuǎn)速丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這對修正齒形的能力產(chǎn)生直接的影響，尤其是輪齒圈徑向修正中產(chǎn)生跳動(dòng)誤差，容易被轉(zhuǎn)換成切向誤差，還會(huì)讓齒距誤差增加。

目前國外研發(fā)出同步剃齒機(jī)，如三菱重工研發(fā)的FS型同步剃齒機(jī)。按照公司介紹，此類剃齒機(jī)齒刀與工件存在強(qiáng)制性傳動(dòng)鏈，通過對剃刀軸與工件軸嚙合傳動(dòng)同步控制，不僅可以對齒形及齒向加以修正，又能對齒距誤差與齒圈跳動(dòng)加強(qiáng)修正，且因剃刀旋轉(zhuǎn)方向僅有一個(gè)，無需反轉(zhuǎn)即可讓加工操作完成，可讓加工時(shí)間縮減30%，保證剃齒操作效果不斷提升。

此外，現(xiàn)有的傳動(dòng)剃齒機(jī)開啟及切換正反轉(zhuǎn)中，形成的加減速度容易形成大負(fù)荷，導(dǎo)致剃刀磨耗并損傷工件齒面，而同步剃齒機(jī)能夠完全規(guī)避這種問題。一些國家經(jīng)過研發(fā)后，經(jīng)過試驗(yàn)證明同步剃齒機(jī)容易提升剃齒刀的磨損速度，還會(huì)讓剃齒面的粗糙度變大。

5 磨齒加工的應(yīng)用

5.1 圓柱齒輪磨齒加工

在精加工變速器的圓柱齒輪時(shí)，關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是磨齒與剃齒，但是磨削齒輪側(cè)面的粗糙程度與精度明顯較剃齒高，尤其是熱變形的修正。20世紀(jì)80年代中期，某公司從日本汽車制造行業(yè)專門引進(jìn)了生產(chǎn)變速器的技術(shù)，在精加工齒輪中開始廣泛運(yùn)用磨齒技術(shù)，自此以后，加工汽車齒輪企業(yè)開始對磨齒工藝加大介紹力度，對當(dāng)下齒輪加工行業(yè)產(chǎn)生熱議［5］。

限于當(dāng)下條件，部分廠家以為齒輪的生產(chǎn)效果不高、成本投入較高不會(huì)而推廣大量汽車齒輪的加工行業(yè)。但目前伴隨NC磨齒機(jī)飛速發(fā)展，磨齒效果逐漸提升，齒輪的修正程度也更簡約，CBN磨輪廣泛運(yùn)用，尤其是汽車提升了變速齒輪精度要求及重汽變速器在核心距離未變的前提下，為促進(jìn)齒輪強(qiáng)度不斷提升而增加齒面的寬度時(shí)，提升齒向的精度，需要選擇磨齒技術(shù)，因此通過熱后磨齒替代熱前的剃齒加工技術(shù)是必然選擇。

很多國家重型變速器的齒輪及高級轎車變速器都會(huì)選擇磨齒，尤其是歐洲國家將磨齒當(dāng)成汽車齒輪高精度生產(chǎn)優(yōu)選運(yùn)用的一種技術(shù)。我國近幾年的變速器齒輪廣泛使用磨齒技術(shù)，提升了加工效果。

5.2 螺旋錐齒輪磨齒加工

汽車傳動(dòng)質(zhì)量的要求逐漸提升，對汽車螺旋錐齒輪與準(zhǔn)雙曲面齒輪的傳動(dòng)副提出了磨齒要求。以往國外公司在機(jī)械傳動(dòng)圓弧齒錐形齒輪磨齒機(jī)的生產(chǎn)加工中，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、價(jià)格高昂，加工效果不好，并未對磨齒技術(shù)加以運(yùn)用，該技術(shù)僅在生產(chǎn)一些小量精準(zhǔn)度較高的石油機(jī)械、航空及精密機(jī)床等螺旋錐形齒輪的企業(yè)中使用［6］。

近幾年，伴隨CNC技術(shù)持續(xù)發(fā)展，汽車加工行業(yè)都持續(xù)研發(fā)出同類磨齒機(jī)，并在磨削圓弧齒螺旋錐形齒輪中使用。還有一些行業(yè)研發(fā)出CNC系列圓弧齒螺旋錐形齒輪磨齒機(jī)及磨削技術(shù)，推動(dòng)了磨齒效果最大化提升。圓弧齒錐形齒輪單件的磨削時(shí)間已經(jīng)和切削時(shí)間相等，尤其是通過瓦古力方法的開發(fā)磨削成形進(jìn)行螺旋錐形齒輪的加工，讓汽車齒輪圓弧齒錐形齒輪磨削技術(shù)在大量生產(chǎn)企業(yè)中實(shí)現(xiàn)了廣泛運(yùn)用。

6 強(qiáng)力珩齒技術(shù)的發(fā)展

20世紀(jì)60～70年代，選擇圓盤形或蝸桿形衍輪當(dāng)成熱后修成齒面的精加工工藝，曾用于國外汽車加工齒輪行業(yè)之中，當(dāng)下我國仍有很多加工齒輪的企業(yè)正在使用此類技術(shù)，如筆者所在企業(yè)在60年代開始引入英國公司生產(chǎn)的圓盤形珩輪珩齒機(jī)。實(shí)踐證明，此類技術(shù)只能在淬硬齒輪齒面的粗糙度方面使用，且無法提升齒形及齒向的精度，珩削時(shí)間很長相反還會(huì)讓齒輪的精度受到破壞，因此這個(gè)技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)廣泛推廣。雖說磨齒可讓熱后的齒輪精度提升，但按照國外相關(guān)學(xué)者的試驗(yàn)研究顯示，齒輪表面波紋也就是波紋振幅，波長與方向幾個(gè)方面都會(huì)對齒輪噪聲特征產(chǎn)生影響。磨齒對降低噪聲極其不利，還有很多廠家在完成磨齒操作后選擇衍齒，這樣容易增大制造成本。

7 齒輪自動(dòng)分選檢驗(yàn)機(jī)

a.用齒輪配對機(jī)檢查。在配對設(shè)備上使用能夠嚙合的齒輪來高速運(yùn)行，通過人類感官視聽評判齒輪檢查對象有無毛刺與磕碰噪聲。

b.用齒輪雙面嚙合檢查儀檢查。通過對齒輪檢查與齒輪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行雙面嚙合的同時(shí)，被檢測的齒輪向中心距離轉(zhuǎn)換變動(dòng)，以此判斷其有無毛刺與磕碰噪聲。

c.人工目測檢查。通過人工目測檢查齒輪有無毛刺與磕碰噪聲。以上幾種檢查方法雖說有利有弊，但是仍有共同的問題存在，也就是配置專項(xiàng)人員完成操作，不僅成本較高而且還需依賴人類感官進(jìn)行判斷，無法規(guī)避不合格的變速器裝配后會(huì)讓齒輪產(chǎn)生毛刺及磕碰噪聲而進(jìn)行再次拆裝。

8 結(jié)語

本文對汽車齒輪加工行業(yè)新型技術(shù)介紹，包括螺旋錐形齒輪磨齒機(jī)干切滾齒工藝等，我國已有很多單位對此類技術(shù)開展了研發(fā)工作，但仍有很多新型技術(shù)在我國處于空白，所以我國制造廠家需要對該類新技術(shù)與發(fā)展動(dòng)向高度重視，并推動(dòng)中國汽車齒輪制造水平朝著新型臺(tái)階邁進(jìn)。

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作者簡介：

吳玉慶，女，1987年生，工程師，研究方向?yàn)樽兯倨麇懺旒熬庸ち慵?/p>