高精齿轮制造需要先进技术工艺

在齿轮行业高精度制造升级的趋势下以及新能源汽车产业快速发展的大背景下，“高精齿轮制造技术发展研讨会” 在宝鸡召开。近二百余位与会嘉宾共同探讨了齿轮加工中的齿轮修形设计加工、切削过程的稳定性、热效应的控制等相关议题，与会专家就高精齿轮制造带来的新挑战作了精彩的技术报告。

高精齿轮制造需要新设计新工艺
高精齿轮制造必须设计合理的修形，以控制噪音。西安交通大学教授、秦川机床工具集团股份公司技术总顾问毛世民在谈及齿轮修形方面归纳了3个主要原因：
1、传动系统以及齿轮本身在工作载荷作用下的弹性变形，如齿轮支承变形导致的错位、齿变形、啮合刚度无规律变化；
2、高速齿轮传动系统热变形及离心力引起的变形，如齿宽方向的温度分布不均、离心力导致的压力角变化；
3、制造装配精度。此外毛世民教授通过例举齿轮在实际应用中各种失效形式及电动车减速器齿轮修行的实例，形象的阐述了齿轮修行在齿轮设计中参数的优选、合理的传动布局、齿顶倒角和齿端倒棱的规范设计等。

 “齿轮的关键技术是涉及设计、制造、热处理、原材料等方方面面的一个系统工程。需要设计、工艺等多部门的紧密配合，根据实际需求制定合适的流程、标准。”法士特集团公司副总工程师孙峰讲道。孙峰分享了法士特变速箱齿轮在设计中的一些特殊细节，如采用非标的小压力角、小模数、大齿顶高的细高齿设计法可以实现三齿、两齿交替啮合代替传统的单齿、双齿交替啮合；采用曲率半径更大的单圆弧齿根设计，不仅有利于抑制渗碳淬火的裂纹扩展，更提高齿轮的抗弯强度；法士特特定的‘齿形K修行’设计，可有效增强抗点蚀能力，降低啮合冲击。在齿轮的加工工艺方面，孙峰总工程师与参会代表共同分享了法士特集团现采用的先进加工工艺方法如：高速干式切削、精密磨削、强力滚插、强力珩齿以及法士特正在研究的平衡剃齿加工技术等。

航空领域的齿轮零件由于其高可靠性、长寿命的特点，精度要求之高，使其在生产制造中必须以质量第一，效率成本次之。中国航发西安动力控制科技有限公司研究员级高级工程师杜改梅以航空发动机中油泵齿轮为例，介绍了超硬齿面齿轮的加工制造的工艺。近年随着国产航空发动机的发展，设计对油泵齿轮提出了更高、更严格的要求，以及新材料的应用，与之相适应的加工工艺需要及时开发与验证。同时对刀具、夹具、设备等要求相应提高，所以不论是齿轮制造企业还是齿轮制造装备提供商，可谓机遇与挑战并存。

高效装备助力高精齿轮加工
随着国内齿轮制造的升级，对夹具的要求越来越高，新型齿轮夹具也在不断的应用在生产制造中。本次会议西安东龙精密工具有限公司王春林总经理介绍到，东龙公司产品可满足自动化生产中夹具的快速换产；0.003μm的夹持精度可保证被加工齿轮的高精度；在小批量、多品种生产企业中针对工件定制的具有有柔性化、模块化成组夹具，以此来降低企业生产成本；并且其公司专利产品硫化橡胶涨套实现进口夹具国产化。

低成本是一个企业在行业内的竞争优势，所以，在保证质量的前提下，低成本是每个企业都在追求的目标。在全球切削刀具制造商一直都在努力寻求降低成本的有效方法，来自伊斯卡刀具公司的周浩磊经理介绍了伊斯卡通过大量的实验研究和数据分析，采取通过改进切削刀具的构架来降低单件成本。伊斯卡设计的立装夹持可转位铣刀片实现更高效、更经济、更高生产率的齿轮铣削加工。其可转位铣刀片多个切削刃有效利用可大大降低单件加工成本。

高精齿轮对齿面质量提出更高要求
高精齿轮传动的发展趋势是轻量化、低噪声、更高传递功率的效率。这种情况下就需要对齿轮热处理要有严格的变形控制措施，磨削等冷加工更需要采取必要的手段控制其变形。
“齿轮渗碳淬火件的自然失效变形现象（这对高精度保存较久再服役的齿轮很重要）”重庆义扬机电设备有限公司失效分析专家李志义谈到，“自然失效变形现象主要原因如下：1、自然失效过程中氢的逸出，应力的松弛；2、齿轮磨削或者线切割引起的应力诱导残余奥氏体相变，以及去应力回火不足，而引起延迟应力松弛；3、自然失效过程中应力的松弛择放，有可能引起非常少量的残余奥氏体相变。解决方法：对校正、磨削、线切割等加工应即时去应力回火；采用制造量具的措施增加深冷处理。深冷处理后也需即时回火，一般讲残余奥氏体量控制在3%左右为宜。”81岁高龄的他与大家分享了多年失效分析工作总结的经验。

齿轮热处理中的变形“大”与“小”决定这齿轮精加工的质量。南京科润工业介质研究院高级研发经理李晓栓讲道：“齿轮的热处理变形控制是个“系统工程”问题，从技术角度考虑，涉及多学科；从生产角度考虑，涉及多工序。 影响变形的因素太多、太复杂。科润齿轮渗碳淬火产品KR498对于变形的控制可在0.03-0.04。齿轮淬火油品的合理选择，能在一定程度上优化齿轮件的变形控制，实现产品质量的提升。”

为了获取更高的轮齿齿面质量，通常情况下都进行磨削加工。“齿轮磨削过程中，由于齿轮齿面硬度大，砂轮在高速转动下，切削液在高压下冲击到砂轮与齿轮齿面的磨削面上，极有可能产生气泡，造成磨削面烧伤。好富顿针对不同的磨削工况研发出与不同配方的磨削油产品，满足磨齿、滚齿等加工的冷却与润滑。”好富顿工业介质（上海）有限公司技术经理陈有顼介绍到。

另外，齿轮的残余应力问题也在此次会议中进行了热烈的讨论。爱思特应力技术有限公司技术经理程时美说：“受各种制造工艺的作用和影响，齿轮零件发生了不均匀的塑性变形，外力作用和影响消失后，这些不均匀的弹性变形，让齿轮等零件应力达到平衡。与这些弹性变形对应的就是内应力，宏观上内应力在工程上被称为残余应力。”对于残余应力在齿轮零件中不可避免的会存在，西安欧仪仪器有限公司经理毕海滨也对此表示了肯定。各种工艺的作用和影响在零件上产生了不均匀的塑性变形，这是产生残余应力的根源。比如，焊接造成齿轮零件极端的不均匀温度变化，必然产生残余应力。值得庆幸的是，虽然残余应力看不见摸不着，但是两家企业都给出了检测残余应力的解决方案，根据X射线衍射法生产的残余应力检测仪器已经成功应用在生产制造中，西安欧仪仪器有限公司还介绍了磨削烧伤的检测仪器。有个以上先进的检测仪器，对高精齿轮的齿面质量起到保驾护航的作用。

先进技术提升齿轮表面处理
 齿轮设计按照ISO标准，其主要指标便是弯曲疲劳强度。西安交通大学何家文教授以渗碳齿轮为对象对ISO标准中弯曲疲劳因素分为明确的量化规定、定性或半定量的提示等4类，指出弯曲疲劳各因素的分析对改进工艺及失效分析更具有现实性，采用喷丸技术对齿轮齿面进行处理，其残余压应力及均匀化的正面作用，可使齿轮增强抗弯曲疲劳的实际抗力。对于齿轮齿面喷丸强化处理，昌宇应力技术（上海）有限公司白涛博士补充到喷丸和接触疲劳有相同的硬化机理，握“度”是成为利弊的关键。强化伴随损伤：喷丸强度高，残余压应力高，损伤大。低强度喷丸也难避免微裂纹，故要限制残余压应力上限。消除、抑制黑色组织的影响、减少前期加工表面的分散性可控制喷丸强化的负作用。

齿轮等金属零件锈蚀容易直接导致齿轮零件报废，造成不可挽回的损失。采取一定的除锈处理，可以挽回损失。如何对锈蚀的齿轮零件进行快速批量的除锈处理，又不破坏零件加工尺寸及其力学性能？这是许多厂家急于解决的问题。为此，上海斯瑞文特种油品科技有限公司销售总监陈安特意介绍了XA130中性除锈剂及配套的除锈技术。“XA130中性除锈剂与斯瑞文自主设计的超声波除锈设备结合，能够对齿轮等金属零件除锈、清洗和防锈实现批量一体化作业。一般工况下2-5分钟即可完成。XA130中性除锈剂具有优异的渗透性，仅对一些金属氧化物具有极强的吸附、溶解能力；具有很高的安全性，对人体、金属零部件均无不良影响。”陈安的介绍引起不少与会者的兴趣。

高精齿轮制造离不开优秀的装备供应商
齿轮精度等级对传动噪声有很大影响；通过严格控制某些精度参数，可以减小齿轮噪声，减少传动误差。这也需要高性能机床来保证。本次会议的协办单位秦川机床工具集团股份公司将基于已有的数字化车间建设及系统集成实力，针对中高档汽车自动变速器齿轮箱，为用户构建基于互联网技术的数字化装配车间，使产品以“实物+数据包”新形态输出，实现数字技术与产业生态的融合发展。

秦川机床工具集团股份公司党委书记、董事长龙兴元在会议开幕致辞中说道。“近年来，秦川机床工具集团始终坚持‘技术领先、模式取胜’的发展思路，以‘为用户赚钱而奋斗’为初心，以‘为企业降本提效’为根本，立足‘精密、复杂’的工艺装备制造优势，拓展中高档汽车自动变速器齿轮（箱）数字制造工艺装备链，其中包含精密复杂刀具、高效高精齿轮加工机床、齿轮测量仪器等在内的多个业务单元。发展模式也从‘以机床生产、机床销售为主’逐步向‘以提供基于工业互联网技术的故障预警、远程诊断等服务为主’进行转变，打造了以用户工艺为先导，以设计咨询为支撑的智能综合服务体系。”    

“中国汽车产业经过多年来的高速增长，已成为名副其实的汽车产业大国，对于齿轮制造企业而言，要认识到国内高端轿车市场仍旧保持增长态势，需要我们在发展模式上融合共享，在技术研发上突破升级，按照行业自有的发展规律来实现企业高质量发展。”龙兴元董事长说。

加快技术创新升级，提升自主创新能力

“齿轮行业目前面临的问题包括：齿轮行业自主创新能力较弱，高端齿轮产品大量依赖进口，核心技术受制于人；高端产品研发、制造能力不足，中低端产品产能严重过剩，同质化竞争加剧；齿轮产品质量及其稳定性差，产品早期故障率高，使用寿命短，可靠性低，不能满足主机配套需求；高层次研发和高技能人才普遍缺乏，整体人员素质亟待提升；齿轮行业不少中小型企业陷入融资困难、税费负担重等困境，抗风险能力很弱等诸多问题。”中国汽车工程学会齿轮技术分会副秘书长、安徽星瑞齿轮传动有限公司副总经理尹夕兵说。尹夕兵呼吁只要齿轮行业正确面对挑战，加快技术创新和技术升级，提升自主创新能力，大力开拓多样化的国内市场和多元化的国际市场，我们就一定能够迎来齿轮行业的新一轮快速发展。