干切技術(shù)在螺旋錐齒輪加工上的應(yīng)用

1、干切技術(shù)在螺旋錐齒輪加工上的應(yīng)用謝耀 張俊 王志 陳書 劉贛 張明1 株洲齒輪有限責(zé)任公司 湖南株洲 412000 2 中南大學(xué) 湖南長(zhǎng)沙 4110003 重慶工學(xué)院 重慶 400050摘要：本文結(jié)合企業(yè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，主要介紹干切技術(shù)（Power Cutting）在螺旋錐齒輪方面的應(yīng)用，包括將干切技術(shù)應(yīng)用在螺旋錐齒輪的干切切齒、小輪螺紋加工兩個(gè)方面關(guān)鍵詞：螺旋錐齒輪 干切 長(zhǎng)期以來，螺旋錐齒輪的切齒一直使用“濕切”方法。隨著機(jī)床、刀具、材料的發(fā)展，尋求一種高效、高精度、節(jié)能、環(huán)保、低成本制造高性能螺旋錐齒輪的切齒方法是行業(yè)的一個(gè)夢(mèng)想。上世紀(jì)80年代未期，美國格里森公司推出螺旋錐齒輪PowerCU

2、TTINGTM技術(shù)（干切技術(shù)）、UMCULTIMA TM 、Free Form技術(shù) ，使得這一夢(mèng)想成真，其中PowerCUTTINGTM、UMCULTIMA TM技術(shù)獲得2000年美國汽車工業(yè)最高的榮譽(yù)PACE大獎(jiǎng)。自此以后，國外螺旋錐齒輪圍繞這一切齒技術(shù)進(jìn)行了大規(guī)模的技改，使得該技術(shù)在國外得到了廣泛地應(yīng)用。從上世紀(jì)90以來，國內(nèi)也有企業(yè)進(jìn)行過螺旋錐齒輪的干切切齒嘗試，但效果都不太理想。 2007年12月12日，株洲齒輪有限責(zé)任公司在美國格里森工廠預(yù)驗(yàn)收新訂購的兩臺(tái)鳳凰600HC時(shí)，使用國產(chǎn)齒坯、美國刀具，干切齒數(shù)比為21/29、大端模數(shù)為10.173的螺旋錐齒輪，取得了刀具修磨后一次切齒超過

3、80套以上的理想結(jié)果。隨后，株齒公司在國內(nèi)又進(jìn)行多次的干切切齒試驗(yàn)，產(chǎn)品大端模數(shù)從10.10813.25，齒數(shù)從1741，使用的齒形加工方法包括滾切法、成形法。到目前為止，株齒公司使用干切技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品已達(dá)數(shù)千套以上。 2008年8月，株洲齒輪有限責(zé)任公司成功將干切技術(shù)應(yīng)用在螺旋錐齒輪切齒后，又研發(fā)了螺旋錐齒輪小輪螺紋熱后干切技術(shù)（熱后硬車螺紋）。一、 螺旋錐齒輪干切齒的優(yōu)勢(shì)1、 干切的高效率優(yōu)勢(shì)國外的相關(guān)資料顯示：干、濕切的切齒時(shí)間為1.5min/6min，即干切的切齒效率為濕切的4倍；當(dāng)采用手動(dòng)上下料時(shí)的綜合加工時(shí)間為3.0min/7.5min，即手動(dòng)上下料時(shí)干切的切齒工序效率為濕切的2.

4、5倍；當(dāng)干切應(yīng)用在自動(dòng)線上而濕切使用手工上下料時(shí)，綜合切齒時(shí)間為4.75min/6.75min，即干切的效率為濕切的1.4倍。下表為實(shí)際使用時(shí)，干濕切的生產(chǎn)效率對(duì)比數(shù)據(jù)齒數(shù)大端模數(shù)大輪濕切（端面銑削法）大輪干切（端面滾切法）效率比較粗切精切合計(jì)大輪粗精切齒濕切/干切Z=2910.173211940752”912”5.14.3倍Z=2810.357201838745854”4.94.3倍Z=3713.25249331352”2.4倍Z=4010.875228301101”2.7倍Z=4011.40228301400”2.1倍Z=3911.131228301525”1.9倍Z=3711.75722

5、8301154”2.5倍Z=4110.61228301453”2.0倍從上表可以看，干切的加工效率為濕切的25倍（表中僅一個(gè)數(shù)據(jù)未達(dá)到2倍），變化的范圍比較大。若濕切時(shí)采用滾切法，干切生產(chǎn)效率的優(yōu)勢(shì)是非常明顯的；若濕切采用成形法，由于濕切時(shí)成形法本身的效率就比較高，干切的效率優(yōu)勢(shì)則體現(xiàn)得不那么明顯；若能使用成形法的螺旋錐齒輪濕切時(shí)使用滾切法，則干切的生產(chǎn)效率將是濕切5倍以上。2、 干切的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)螺旋錐齒輪濕切的電力消耗計(jì)算如下：大輪粗切：7.5Kw*(2024)min/60=2.53Kw.h大輪精切：7.5Kw*(819)min/60=12.375Kw.h小輪粗切：7.5Kw*(1224)

6、min/60=1.53Kw.h小輪兩面精切：7.5Kw*(1221)min/60*2=35.25Kw.h每套產(chǎn)品切齒工序，使用滾切法濕切的電力消耗為：(2.53)+2.375+3+5.25=13.12513.625Kw.h /套每套產(chǎn)品切齒工序，使用成形法濕切的電力消耗為：(2.53)+1+1.5+3=88.5Kw.h /套螺旋錐齒輪干切的電力消耗計(jì)算如下：使用滾切法干切，大、小輪粗精切的電力消耗為：20Kw*(7.869.2)min/60*2=5.246.13Kw.h /套使用成形法干切，大、小輪粗精切的電力消耗為：20Kw*(11.0115.42)min/60*2=7.3410.28Kw.

7、h /套從上述計(jì)算可以看出，都使用滾切法時(shí)，干切的電力消耗要比濕切低很多；若都使用成形法，從理論計(jì)算的角度上看，其電力消耗差別不大。由于干切不使用任何冷卻劑（油、液、氣），所以也不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生任何不良影響。3、 干切的低成本優(yōu)勢(shì)從目前情況看，雖然實(shí)現(xiàn)螺旋錐齒輪干切齒存在有設(shè)備投資大、刀具首期投入大、國內(nèi)在技術(shù)存在斷層等缺陷，但螺旋錐齒輪干切齒的低成本優(yōu)勢(shì)還是能通過以下幾方面體現(xiàn)出來：a、 由于不需要使用切削液，這部分制造成本就沒有了，根據(jù)初步測(cè)算結(jié)果，僅切齒工序的油料消耗就可節(jié)省612元/套。若計(jì)入由于使用了切削液，從而必須增加的清洗、排污處理等附加費(fèi)用，其成本優(yōu)勢(shì)就明顯些。b、 單套產(chǎn)品的刀

8、具消耗低。國外的資料和經(jīng)驗(yàn)證明，干、濕切的單套產(chǎn)品刀具消耗成本為1.1/2.16，即單套產(chǎn)品干切的刀具消耗成本不到濕切的50%。株洲齒輪有限責(zé)任公司的使用經(jīng)驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。另外，干切刀條的可重磨次數(shù)一般是原濕切使用刀片的兩倍左右，這也會(huì)攤薄干切刀條的成本。c、 單套產(chǎn)品的電力消耗低。株洲齒輪有限責(zé)任公司做過詳細(xì)測(cè)算，雖然干切齒的電力需求容量比濕切要高，但由于其切齒效率非常高且工序短，其單套產(chǎn)品的電力消耗反而比濕切低。株洲齒輪有限責(zé)任公司對(duì)17/28、8/39兩種產(chǎn)品的電力消耗作過測(cè)算，同一產(chǎn)品其單套產(chǎn)品的干、濕切電力消耗為2.6元/3.69元，即干切比濕切節(jié)能30%。國際先進(jìn)水平的干濕切電力

9、消耗達(dá)到過0.51KW.h/2KW.h，即干切的電能消耗僅為濕切的25%左右，節(jié)能效果更是達(dá)到了75%?？梢灶A(yù)見的是，隨著技術(shù)水平的提高，國內(nèi)使用干切技術(shù)的節(jié)能效果將會(huì)進(jìn)一步提高。d、 較低的人工成本、較低的在制品資金占用成本。4、 干切的高性能優(yōu)勢(shì)成本降低了、效率提高了，產(chǎn)品的質(zhì)量會(huì)怎樣呢？由于干切時(shí)使用的機(jī)床傳動(dòng)鏈非常簡(jiǎn)單，刀具系統(tǒng)的精度非常高，所以其制造的產(chǎn)品精度也非常高。在同等條件下，使用端面滾切法加工的螺旋錐齒輪其加工精度一般都能達(dá)到AGMA 1213級(jí)（DIN或GB 5級(jí)左右），比國內(nèi)傳統(tǒng)方法加工的產(chǎn)品要高出幾個(gè)精度等級(jí)。實(shí)際上，其使用壽命、噪聲等指標(biāo)也要好于按傳統(tǒng)工藝方法加工的產(chǎn)

10、品。二、 國內(nèi)螺旋錐齒輪干切技術(shù)的回顧自螺旋錐齒輪干切技術(shù)問世以來，國內(nèi)同行就對(duì)此技術(shù)給予了高度關(guān)注，并進(jìn)行過許多有益的嘗試。最早進(jìn)行干切演示的是湖北車橋，在上世紀(jì)九十年代，湖北車橋向當(dāng)時(shí)在場(chǎng)的許多專家、技術(shù)人員演示了在奧利康機(jī)床上進(jìn)行螺旋錐齒輪干切時(shí)驚人的效率，讓許多人切身感受到了“削鐵如泥”的真實(shí)效果，遺憾的是除了進(jìn)行干切演示外，并沒有進(jìn)行批量生產(chǎn)。在機(jī)床展覽會(huì)上，也可以見到螺旋錐齒輪的干切。2007年4月的北京機(jī)床展覽會(huì)期間，格里森公司使用鳳凰275HC機(jī)床為江鈴底盤試切過螺旋錐齒輪，當(dāng)時(shí)使用的是美國刀具、國產(chǎn)齒坯、大端端面模數(shù)約為6，試切的結(jié)果為刀具修磨后切削螺旋錐齒輪大輪24件，小輪

11、19件，效果不是十分理想。2008年以來，齒輪行業(yè)興起了一股干切熱潮，各種干切的消息層出不窮，有在非常簡(jiǎn)易的國產(chǎn)機(jī)床上使用涂層高速鋼刀具進(jìn)行干切的；也有在天津機(jī)床上使用涂層高速鋼刀具進(jìn)行干切的；一汽底盤也在奧利康C系列機(jī)床上使用硬質(zhì)合金涂層刀具進(jìn)行過數(shù)次螺旋錐齒輪干切。株洲齒輪有限責(zé)任公司在引進(jìn)的鳳凰600HC機(jī)床于2008年4月到位后，進(jìn)行過許多次的干、濕切試驗(yàn)，部分產(chǎn)品已進(jìn)行了批量生產(chǎn)。三、 螺旋錐齒輪干切齒1、 已使用干切齒技術(shù)的螺旋錐齒輪產(chǎn)品參數(shù)及干切結(jié)果齒數(shù)大端模數(shù)重磨后平均每次切削產(chǎn)品數(shù)（件/次）生產(chǎn)效率（/件）備注Z=1710.35745.21017”小輪粗精切Z=2110.17

12、393.5752”Z=2910.173104745”大輪粗精切，刀具為硬質(zhì)合金涂層刀條，產(chǎn)品使用了多種國產(chǎn)材料Z=2810.35737.5948”Z=3713.2542.51352”Z=4010.87537.21101”Z=4011.4046.671400”Z=3911.13115.331525”Z=3711.757661154”Z=4110.6117.331453”生產(chǎn)效率為門對(duì)門的時(shí)間 從上表可以看出，所加工的產(chǎn)品大端模數(shù)從10.10813.25，每次重磨后所生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量從15.33件104件，單件產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)間從745”1525”，這些數(shù)據(jù)說明在試驗(yàn)、生產(chǎn)的過程中存在不均衡性、不穩(wěn)定性

13、。分析其原因?yàn)椋涸谠囼?yàn)、生產(chǎn)過程中除使用的機(jī)床沒有變化外，其它因素都進(jìn)行了改變。因此，在重載螺旋錐齒輪干切齒時(shí)仍有下述因素對(duì)結(jié)果構(gòu)成影響。2、 螺旋錐齒輪干切齒的影響因素除了選擇合適的機(jī)床、刀具、材料外，下述因素，都會(huì)對(duì)螺旋錐齒輪干切的效果產(chǎn)生直接影響，在實(shí)際使用過程中需引起注意和重視：a、 原材料中硫的含量、雜質(zhì)含量；b、 原材料的低倍組織級(jí)別；c、 齒坯的硬度、顯微硬度及其均勻性、一致性；d、 齒坯的帶狀組織級(jí)別及粒度；e、 刀具的各切削角度；f、 刀具涂層；g、 切削參數(shù)及切削過程選擇；3、 螺旋錐齒輪干切齒刀具國產(chǎn)化使用高性能的刀具是實(shí)現(xiàn)螺旋錐齒輪干切齒的重要條件之一，也是國內(nèi)螺旋錐齒

14、輪干切齒技術(shù)遲遲不能得到推廣的主要影響因素之一。行業(yè)普遍擔(dān)心若長(zhǎng)期依賴進(jìn)口刀具，會(huì)存在定貨周期長(zhǎng)、價(jià)格高、關(guān)稅高、運(yùn)費(fèi)高等問題。為了解決這一問題，株洲齒輪有限責(zé)任公司從一開始就設(shè)想好如何較好地解決這問題，從刀具的選型、重磨、涂層等方面從項(xiàng)目一開始就考慮好了如何實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。數(shù)控切齒機(jī)到位后，株洲齒輪有限責(zé)任公司隨即就干、濕切刀具國產(chǎn)化項(xiàng)目與株洲天威硬質(zhì)合金工具有限責(zé)任公司開展合作，下表為國產(chǎn)刀具與美國刀具的使用結(jié)果對(duì)比情況。齒數(shù)大端模數(shù)重磨后平均每次切削產(chǎn)品數(shù)（件/次）生產(chǎn)效率(/件)刀具產(chǎn)地備注Z=3711.75762.331154”株洲天威大輪粗精切，刀具為硬質(zhì)合金涂層刀條70美國 試驗(yàn)的條

15、件為：在其它情況都不變的情況下，僅更改刀條的產(chǎn)地。具體的做法就是使用美國刀具裝一盤刀、使用國產(chǎn)刀具裝一盤刀。 從試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，在其它條件都完全一致的情況下，國產(chǎn)刀具的使用效果與進(jìn)口刀具的使用結(jié)果沒有明顯的區(qū)別。四、 螺旋錐齒輪小輪螺紋熱后干切加工如下圖所示，由于螺旋錐齒輪的小輪在使用時(shí)需防止螺帽松脫，國內(nèi)大多數(shù)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)都設(shè)計(jì)有十字（交叉）銷孔或多個(gè)銷孔、一個(gè)或兩個(gè)鎖緊槽，在加工螺紋的過程中，由于是斷續(xù)切削，這就給螺紋加工帶來了額外的困難，這也是熱后往往采取磨螺紋工藝的主要原因之一。螺旋錐齒輪中常用的小輪鎖緊螺紋有以下幾種結(jié)構(gòu)形式： I型 多銷孔鎖緊結(jié)構(gòu) II型 交叉或十字銷孔鎖緊結(jié)構(gòu)

16、 型 雙鎖緊槽結(jié)構(gòu) 型 單鎖緊槽結(jié)構(gòu)型 螺帽防松型按傳統(tǒng)的加工方法，螺旋錐齒輪小輪螺紋一般采用熱前銑螺紋、滾壓螺紋或車螺紋熱后修螺紋的工藝路線；另外一種工藝是熱后磨螺紋。這些工藝方法存在以下缺陷：1、 不論是銑（滾）螺紋、車螺紋還是熱后磨螺紋，都必須用到切削液，給環(huán)保帶來了一些影響。2、 若采取在熱前加工螺紋的工藝，在產(chǎn)品的轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，往往需加以保護(hù)，以減少磕碰，增加額外的成本，而且磕碰依然是不可避免的。3、 若采取熱后磨螺紋的工藝方法，存在制造成本高、設(shè)備投資高、換產(chǎn)也比較麻煩的問題。4、 若要布置生產(chǎn)線，不論是熱前銑（滾）螺紋、車螺紋還是熱后磨螺紋，都存在設(shè)備需求多，且往往出現(xiàn)不匹配的情況

17、。2008年，株洲齒輪有限責(zé)任公司在進(jìn)行數(shù)控切齒機(jī)生產(chǎn)線布置時(shí)為了解決上述存在的問題，進(jìn)行了多次工藝試驗(yàn)，最后選擇了螺旋錐齒輪小輪熱處理后在數(shù)控車床上使用不重磨涂層硬質(zhì)合金刀片車螺紋（干切）的工藝，取得了的成功，下表為試驗(yàn)過程中的產(chǎn)品參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果：被加工螺紋表面硬度（HRC）加工產(chǎn)品數(shù)量（件/刀尖）加工的產(chǎn)品數(shù)量（件/刀片）生產(chǎn)效率（秒/件）螺紋型式M36X1.5-6h2843HRC195388（未用完）45”51”II型M39X1.5-6h2843HRC168313745”51”II型M36X1.5-6h未檢320173345”51”I型 從上表可以看出，試驗(yàn)過程中，在效率基本不變的情況下

18、，單個(gè)刀尖或刀片的加工數(shù)量有很大的差別，上兩組數(shù)據(jù)取得的效果能令人滿意，而第三組數(shù)據(jù)則有些差強(qiáng)人意。分析其原因?yàn)檐嚶菁y前的工序未達(dá)到技術(shù)要求。從前兩組數(shù)據(jù)可以得出：在經(jīng)過改進(jìn)后，螺旋錐齒輪小輪螺紋采用熱后硬車的工藝是可行的，其生產(chǎn)效率、制造成本都是可以接受的。五、 結(jié)論隨著機(jī)床、刀具、材料、技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，可以預(yù)見，國內(nèi)螺旋錐齒輪的干切技術(shù)將會(huì)得到廣泛的廣用，而且其使用效果也會(huì)越來越好。需說明的是，由于作者主要從事汽車驅(qū)動(dòng)橋螺旋錐齒輪的設(shè)計(jì)、制造工作，文中很多觀點(diǎn)都是從汽車行業(yè)的角度出發(fā)考慮的，敬請(qǐng)注意。第一作者簡(jiǎn)介: 謝耀東（1966-）,男，湖南株洲人,高級(jí)工程師,現(xiàn)任株洲齒輪有限責(zé)任公司技術(shù)中心副主任，主要從事螺旋錐齒輪技術(shù)與研究工作。通信地址:湖南省株洲市新華西路119號(hào),電話【參考資料】1、Hermann J. Stadtfeld Advanced Bevel Gear Technology MRochester, New York 14692-2970: Gleason Corporation 20002、Hermann J. Stadtfeld Th