汽車齒輪加工的新技術和發(fā)展動向

1、汽車齒輪加工的新技術和發(fā)展動向莊中齒輪總廠當前國外汽車齒輪的制造工藝還是以切削加工為主，以變速器圓柱齒輪為例，主要仍是采用傳統(tǒng)的滾、插、剃齒工藝；在過去國曾介紹的，如美國Gleason公司開發(fā)的G-TRAC軌道式切齒機、美國 Sipco公司開發(fā)的雙刀盤高效切齒法(Tan gear)、圓柱齒輪外齒拉削法(Pot Broachi ng )、美國Michiga n Tool公司 開發(fā)的多刀頭插齒法(Shear-Speed Shaping)以及德國Carl-Hurth 公司和日本 三菱重工先后開發(fā)的熱后硬齒面精加工(Hard Gear Fini shi ng )等加工工藝至 今并沒有得到推廣應用。而近

2、來隨著汽車工業(yè)中高速和重型汽車的發(fā)展，特別是齒坯 切齒(滾、插)對汽車齒輪降低噪聲要求的不斷提高，磨齒和珩齒作為齒輪熱后精加工工藝的應 用正日益增多，為此當今變速器圓柱齒輪采用的加工工藝可歸納如下：-剃齒一熱處理-剃齒_熱處理珩齒-剃齒F處理一磨齒-剃齒一熱處理一磨齒-珩齒匸切齒(滾、插)熱處理 熱處理 熱處理珩齒一磨齒磨齒珩齒F面想就國外汽車齒輪加工技術的新發(fā)展做一介紹,從中也可看出和國的差一、齒輪加工的干切技術在齒輪切削加工中長期以來一直使用著切削油，它不僅造成工廠作業(yè)環(huán)境的 污染，同時也會危及操作者的健康；另外切削油的使用而發(fā)生的相關費用，如： 廢油處理費、切削油費、油霧分離器和切削油循

3、環(huán)系統(tǒng)的耗電費等等也會增加制 造成本，在一些國家有關切削油處理的費用甚至達到了加工總費用的15%30%為此，對環(huán)保要求越來越嚴的歐、美、日等國的一些齒輪機床生產(chǎn)廠大力主推進無切削油的干切技術。 為了實現(xiàn)真正的干切削， 首先要研制開發(fā)出用于干切技術 的刀具和機床。 用于干切技術的刀具要能夠保持穩(wěn)定的壽命， 相應的機床要能夠 將高溫的切屑迅速排出。 在齒輪加工領域隨著機床設計技術的提高以及刀具材料 和鍍層技術的飛速發(fā)展， 當今國外齒輪干切技術已經(jīng)得到了快速的發(fā)展并收到了 較好的社會效益。1. 滾齒干切技術日本于 20世紀 70年代初開發(fā)出了用硬質(zhì)合金滾刀生產(chǎn)圓柱齒輪的干切技術 并投放市場，如三菱重

4、工和 Kashifuji 公司 分別生產(chǎn)的硬質(zhì)合金滾齒機。我國 在 20 世紀 80 年代初由工具研究所、 齒輪總廠、 機床廠和材料研究所等單位共同 承擔了開發(fā)硬質(zhì)合金滾刀高速滾齒這一課題， 成功應用硬質(zhì)合金滾刀的干切技術 來加工北齒生產(chǎn)的212變速器中m=3.175的一倒檔齒輪，為此獲得了當時一機部 的科技成果獎， 但因多種原因未能堅持， 目前該項技術還只是應用在變速箱同步 器齒轂這種小模數(shù)、 短齒的產(chǎn)品生產(chǎn)加工中， 在國尚沒有普遍推廣應用。 即使在 最先推出該項技術的日本也沒有能得到普及， 硬質(zhì)合金滾刀易產(chǎn)生崩刃從而影響 刀具的使用壽命是其在實際生產(chǎn)中沒有能夠普及應用的主要原因。為了解決硬

5、質(zhì)合金滾刀崩刃的問題， 近年來歐、 美、日的一些著名齒輪機床 生產(chǎn)廠家如日本三菱重工和 Kashifuji 公司，美國 Gleason-Pfauter 公司，德 國Liebherr公司,意大利SU公司等均相繼開發(fā)出了用高速鋼滾刀進行干切滾齒 的技術，生產(chǎn)出適用于干切技術的機床和刀具投放市場并取得了較好的效果。干切削滾齒用的滾刀和切削比較日本三菱重工開發(fā)的干切滾刀是在提高耐磨性的特殊高速鋼材料（牌號為MACH7上進行耐熱、耐磨的特殊鍍層（TiAIN ）處理，被稱為“超級干切滾刀”（Super-dry Hot）,在進行切削工件為： m=2.05, z=49 , B =21.5 ° ,b=

6、40,材料 SCM415,170HB;滾刀為De=75 3頭，槽數(shù)16 ,切削速度v=200米/分，走 刀量S=2.4毫米/轉(zhuǎn)，同旋向順銑之干切和濕切（TiN涂層，V=100米/分）的比 較結果顯示： 干切比濕切可提高加工效率 2倍，刀具壽命可提高 5倍，同時由于 沒有使用切削油，干切的生產(chǎn)成本可降低 40%之多。干切滾齒加工機床日本三菱重工開發(fā)出的專用于干切技術的GE系列滾齒機，在機床切屑落下的位置配置有切屑輸送器， 同時利用壓縮空氣來將高溫的切屑幾乎和床身沒有接 觸就被迅速排出了，這樣就可以抑制由于熱切屑而引起滾齒機的熱變形。為此， 有的滾齒機就設計成臥式布局， 這樣更方便于切屑的下落和排

7、出， 如三菱重工的 GN系列滾齒機。有的公司更是推出了干、濕兩種切削方式均可應用的滾齒機，如日本Kashifuji 公司生產(chǎn)的KN KE KS等系列滾齒機。2. 插齒干切技術除滾齒外， 國外也開發(fā)了插齒干切技術， 如日本三菱重工、 唐澤鐵工均開發(fā) 出干切技術專用于插齒機。日本三菱重工生產(chǎn)的SE25A插齒機，使用高速鋼干切 插齒刀， 粗插切削速度可比濕插提高 1.52 倍，加工效率提高 1.31.5 倍，刀具 壽命可提高 35 倍，該插齒機在設計上除考慮機床的剛性和排屑外， 還采用平衡 軸來降低高速插齒時的振動和噪聲。3. 螺旋錐齒輪的干切技術在世界上生產(chǎn)螺旋錐齒輪和準雙曲面齒輪機床占主導地位的

8、美國Gleason公司近年來開發(fā)出采用硬質(zhì)合金刀具強力干切錐齒輪的加工技術(GleasonPower-dry-cutting )受到了世人的關注，并取得了較好的經(jīng)濟效益。 強力干切用的螺旋錐齒輪銑齒機Gleason公司的六軸全CNC空希9 Phoenix CNC準雙曲面齒輪銑齒機采用特 殊高速主軸，刀盤主軸最高轉(zhuǎn)速可達 2000r/min ，這在以往傳統(tǒng)的搖臺式切齒機 上是不可能實現(xiàn)的。 同時由于取消了復雜的齒輪傳動鏈等傳動機構， 保證了平衡 的刀軸運動以避免高速切削時主軸升溫。 Gleason 公司根據(jù)空氣動力學原理，在 機床加工區(qū)裝有自己獨創(chuàng)的切屑排出裝置， 即將刀軸頭和加工區(qū)圍在一切屑排

9、除 容器，利用 2 個高壓空氣噴嘴將切屑吹向機床后部的擋板處， 使其遠離刀具和工 件，加工中產(chǎn)生的熱約有 80%隨著切屑一起排出機外，切屑排除容器的正面可在 橫向很方便地回轉(zhuǎn)，這樣便于更換刀具。 強力干切用的刀具Gleason強力干切法采用 Gleason公司最新開發(fā)的PENTA(刀具，即整體 式棒狀硬質(zhì)合金刀頭。硬質(zhì)合金刀頭在Gleason公司的300CG刀盤磨床上用塗有 金剛石的砂輪進行刃磨，刀頭用的硬質(zhì)合金材質(zhì)為瑞典 Sandvik 公司的 H10F， 相當于ISO標準的“ K”牌號。刀頭切削面上進行 TiAlN鍍層。 強力干切的經(jīng)濟性比較Gleason公司在Phoenix 450HC切

10、齒機上進行了兩種切削方式的比較，結果 表明強力干切法比原來的切削方式顯示出較好的效益，如切削相同齒輪 , 原來每 切一個齒輪需消耗電力，而強力干切削只需30.75KW.min,相當于 用原來電力的 1/4 就可以加工出 ,而在相同的切削條件下加工大、 小輪,強力干切 法和原來加工方法相比 , 其加工時間分別為原來的 1/2 和 1/3。雖然強力干切法使用鍍層硬質(zhì)合金刀頭的成本增加了， 但由于提高了刀頭的壽命， 減少了刃磨的 次數(shù)以及節(jié)省了與切削油相關的費用，特別是由于提高了生產(chǎn)效率而降低成本， 所以總的來講還是提高了經(jīng)濟效益，一般可降低齒輪的總成本約28%左右。由于干切技術必將是今后發(fā)展的趨勢

11、， 隨著國對環(huán)境污染的要求也會愈來愈 嚴以及干切技術顯示的優(yōu)越性， 該項技術也引起國不少齒輪生產(chǎn)廠家的興趣， 為 此也引進了該項技術，如為國現(xiàn)代汽車獨家配套變速器的 Mobis 公司在 2007 年 初投產(chǎn)的二期工廠中就全部引進了美國 Gleason-Pfauter 公司和德國 Liebherr 公司的干切滾齒機進行滾齒加工 ; 又如中馬和長城變速器廠也分別引進了日本 Kashifuji 公司的多臺干切或干濕式兩用滾齒機。在 2007年 4 月國際機床展覽 會上齒輪廠購買了 Gleason公司Phoenix鳳凰第二代275HC干切和濕切兩用的錐 齒輪銑齒機， 據(jù)稱株洲汽車齒輪廠也正在引進中。

12、目前國也有不少單位對該 “綠 色制造”的干切滾齒技術進行開發(fā)研究， 如大學等單位進行的滾齒機干切適應性 技術的研究，機床廠開發(fā)的 YK3160干切滾齒機等，但國在干切切齒技術的開發(fā) 應用方面與國際水平相比還存在著明顯的差距。二、無斜齒導套的斜齒插齒機插齒機在加工直齒或斜齒輪時均通過導套來完成切削運動，在插斜齒輪時 要用螺旋導套。 插斜齒輪要求插齒刀的螺旋角和工件螺旋角相等， 而螺旋導套的 導程和插齒刀的導程要求相等，通常在加工一種斜齒輪時就要求用一種螺旋導 套，加工不同斜齒輪時就要更換不同的導套。 但由于導套一是制造復雜、 制造周 期長，二是更換導套也比較麻煩， 所以在新產(chǎn)品開發(fā)時， 插斜齒就

13、成為開發(fā)新產(chǎn) 品的制約瓶頸口， 為此一種方法是將插斜齒的齒輪在結構允許下改成兩體， 如我 廠在五十鈴MSB中間軸加工時就采用此辦法，另一種方法是在已有導套的前提下 更改工件螺旋角等參數(shù)來湊導套的導程，如我廠 1252分動器齒圈設計時就用此 辦法，但這兩種方法都有其局限性， 所以多年來人們一直期望能開發(fā)出不用斜齒 導套就能插斜齒輪的插齒機床。21世紀初日本三菱重工在世界上首先開發(fā)出了不用螺旋導套的用CNC空制，即用伺服電機（稱為電子導軌）來實現(xiàn)插斜齒齒輪的 ST系列插齒機，它可以說 是一劃時代的產(chǎn)品， 最方便于新產(chǎn)品的開發(fā)和小批量多品種插斜齒齒輪， 其優(yōu)點 是不言而喻。目前還有美國 Gleaso

14、n-Pfauter公司生產(chǎn)的GP系列不用螺旋導套 的插齒機， 所以至今還只有這兩家公司推出這種插齒機。 國現(xiàn)有 Mobis 公司、杭 維克公司引進了美國 Gleason-Pfauter 公司生產(chǎn)的這種插齒機， 據(jù)說齒輪廠、奇 瑞變速器廠和上汽齒則購買了日本三菱重工的無斜齒導套插齒機。 而對國插齒機 生產(chǎn)廠家來說，該項技術還屬于是一空白。三、同步式剃齒機剃齒是齒輪精加工的一種方法， 剃削時由剃齒刀帶動工件旋轉(zhuǎn)， 兩者之間是 沒有傳動鏈， 利用剃齒刀和工件無側(cè)向間隙的螺旋齒輪副嚙合， 兩者在接觸點的 速度方向不一致使被加工齒輪的齒側(cè)面沿剃齒刀的齒側(cè)面滑移， 而剃齒刀的齒側(cè) 面上有許多小槽， 槽與齒

15、側(cè)面的交線就是切削刃， 齒輪齒側(cè)面沿它滑移時就切下 極細的切屑。剃齒在修正齒形、 齒向誤差以及提高齒面粗糙度方面具有較好的效 果，特別是剃齒生產(chǎn)效率高， 比磨齒成本低， 所以至今在齒輪精加工中應用較廣 泛。但這種剃齒方法也有一定的缺點， 由于是自由傳動， 在剃齒加工反向旋轉(zhuǎn)時 容易造成轉(zhuǎn)速波動 （丟轉(zhuǎn)） 而影響齒形修正能力， 特別是修正輪齒齒圈徑向跳動 誤差時會轉(zhuǎn)化為切向誤差， 即加大了齒距誤差， 所以目前國外開發(fā)了一種同步式 剃齒機，如日本三菱重工開發(fā)的 FS 系列同步式剃齒機，據(jù)三菱重工介紹，該剃 齒機的剃齒刀和工件之間有強制傳動鏈， 通過同步控制剃刀軸和工件軸的嚙合傳 動不但可修正齒形、

16、 齒向， 同時更可以修正齒距誤差和齒圈徑向跳動， 同時由于 剃刀只要一個方向旋轉(zhuǎn)，不需反轉(zhuǎn)則可完成加工，所以可縮短30的加工時間，進一步提高了剃齒效率； 另外現(xiàn)有自由傳動剃齒機在旋轉(zhuǎn)啟動以及正、 反轉(zhuǎn)切換 時產(chǎn)生的加、減速會產(chǎn)生過大的負荷而使剃刀容易磨耗且會造成工件齒面損傷， 而同步式剃齒機可完全避免這種現(xiàn)象。 但國外也有公司開發(fā)后， 經(jīng)試驗認為同步 式剃齒機會使剃齒刀磨損過快，剃后齒面粗糙度較差。四、磨齒加工的應用磨齒是齒輪精加工的一種方法， 目前不但變速器圓柱齒輪采用磨齒工藝愈來 愈廣，在汽車行業(yè)螺旋錐齒輪生產(chǎn)中也開始推廣應用磨齒工藝。 磨齒其最大優(yōu)點 是能加工淬硬齒輪，特別對國由于材料、

17、 鍛件正火以及熱處理變形等因素的影響， 雖然熱前保證了輪齒的精度， 但熱后由于變形就不易保證了， 這是磨齒工藝越來 越引起人們重視的重要原因。1圓柱齒輪磨齒加工變速器圓柱齒輪的精加工方法主要是剃齒和磨齒， 但磨削齒輪的齒面粗糙度 和精度要高于剃齒，特別可修正熱后的變形。 20 世紀 80年代中期，一汽從日本 日野汽車公司引進了變速器的生產(chǎn)技術， 其齒輪精加工就采用了磨齒工藝， 為此 一汽在汽車齒輪行業(yè)中曾大力介紹采用磨齒工藝， 當時在汽車齒輪行業(yè)中討論非 常熱烈。限于當時的條件， 大多數(shù)廠家認為磨齒效率低、 成本高不易在大批量汽 車齒輪行業(yè)中推廣應用。但當今隨著 NC磨齒機的發(fā)展，磨齒效率的不

18、斷提高、 砂輪修整的簡約化以及CBN磨輪的應用，特別是對汽車變速器齒輪要求精度的提高以及重型汽車變速器在中心距不變條件下為提高齒輪強度而加大齒面寬時， 為 了保證齒向精度采用磨齒工藝也是必然的趨勢， 所以熱后磨齒代替熱前剃齒的加 工工藝應用會愈來愈廣。 在一些國家的某些重型車變速器齒輪以及日本、 歐洲一 些高級的轎車變速器都采用磨齒， 特別是在歐洲， 磨齒被作為生產(chǎn)高精度汽車齒 輪要優(yōu)先采用的工藝， 而在國近年來變速器齒輪采用磨齒工藝的也日趨增多， 如 一些廠家生產(chǎn)引進的德國ZF公司的5S 111GP重型變速器全部采用磨齒工藝， 又如 Mobis 變速器廠在 2007 年初投產(chǎn)的二期工廠生產(chǎn)的

19、現(xiàn)代轎車變速器除因結 構限制無法磨齒的齒輪外均采用磨齒工藝，為此其引進了6臺德國Kapp公司生產(chǎn)的KX-300P蝸桿式砂輪磨齒機。2螺旋錐齒輪磨齒加工隨著對汽車傳動質(zhì)量要求的提高， 現(xiàn)在對汽車車橋中的螺旋錐齒輪和準雙曲 面齒輪傳動副也有提出磨齒的要求。 過去，美國 Gleason 公司生產(chǎn)的機械式傳動 的圓弧齒螺旋錐齒輪磨齒機，由于結構復雜、價格昂貴，特別是生產(chǎn)效率低，在 螺旋錐齒輪大批量生產(chǎn)的汽車行業(yè)中還一直沒有采用磨齒工藝，而只能在航空、 石油機械和精密機床等一些小批量生產(chǎn)高精度螺旋錐齒輪行業(yè)中應用。近年來， 由于CNC技術的發(fā)展，Gleason公司和Oerlikon公司均相繼開發(fā)出CNC

20、磨齒機 用于圓弧齒螺旋錐齒輪的磨削。Gleason公司開發(fā)出的PHOEND系列CNC®弧齒 螺旋錐齒輪磨齒機以及相應的磨削技術使得磨齒效率大大提高， 磨削圓弧齒錐齒 輪的單件時間已和切齒時間相當， 特別是開發(fā)了瓦古利方法可用來磨削成形法加 工的螺旋錐齒輪大輪， 使得在大批量生產(chǎn)的汽車齒輪行業(yè)中圓弧齒錐齒輪的磨齒 工藝也開始得到了應用。有資料介紹，德國奔馳汽車公司在1 995年已有 65的螺旋錐齒輪采用了“銑齒熱處理磨齒”的工藝。近年來，國也有一些汽車齒 輪生產(chǎn)廠家引進了 CNC螺旋錐齒輪磨齒機以生產(chǎn)高精度等級的弧齒錐齒輪，如二 汽引進了 Gleason 公司生產(chǎn)的弧齒錐齒輪磨齒機，一

21、汽、榮城齒輪廠引進了 Oerlikon 公司生產(chǎn)的弧齒錐齒輪磨齒機。而由國創(chuàng)遠公司自主開發(fā)的弧齒錐齒 輪磨齒機也正式推向市場， 由于其價格低廉已被國數(shù)家弧齒錐齒輪生產(chǎn)廠家所采 用。五、強力珩齒技術的發(fā)展在 20 世紀六、七十年代，采用圓盤狀或蝸桿狀珩輪來作為熱后齒面修整的 精加工技術曾在國外汽車齒輪生產(chǎn)行業(yè)中風行一時， 當時國也有不少齒輪生產(chǎn)廠 家采用這一工藝，如我廠在 60 年代就引進了英國 Churchill 公司生產(chǎn)采用圓盤 狀珩輪的珩齒機， 但經(jīng)實踐應用表明這種珩齒技術僅能改善淬硬齒輪的齒面粗糙 度，并不能提高齒形、齒向精度，珩削時間稍長反而會破壞齒輪精度，所以該項 技術沒有得到推廣應

22、用。 而在 1979 年由瑞士 F? ssler 公司開發(fā)推出了齒珩輪珩 齒機床，由于齒珩輪和工件有更大重疊系數(shù)， 修正能力比外齒珩輪要強， 同時該 機床配套采用瑞士 Diawal 公司生產(chǎn)的金剛石修正輪可對齒輪齒形進行修形，所 以當時作為熱后齒輪精加工方法被國外不少汽車變速器生產(chǎn)廠家所采用。 80 年 代國機床廠也引進了 F? ssler 公司的齒珩輪珩齒機，當時第二機床廠也開發(fā)生 產(chǎn)了這種機床。但由于這種機床齒珩輪和工件之間沒有傳動鏈，仍是隨動嚙合， 所以在修正工件齒形和齒距誤差上并不理想，這種珩齒技術并沒有得到推廣應 用。近年來，美國 Gleason-Hurth 公司和日本神崎鐵工在齒珩

23、輪珩齒機基礎上開 發(fā)出了強力齒珩，其最大特點是利用CNC數(shù)控軸控制實現(xiàn)齒珩輪和被珩齒輪間的 強制傳動， 它不僅能提高齒形、 齒向精度而且能大大提高工件的齒距精度， 所以 對降低齒輪的噪聲非常有效。 因為磨齒雖然也可提高熱后齒輪的精度， 但根據(jù)國 外有學者進行實驗分析指出， 齒輪輪齒表面的波紋， 即波紋的振幅， 波長和方向 這三個方面都會影響齒輪的噪聲特性， 它都直接與噪聲等級、 人耳朵的靈敏度有 關，而磨齒所形成的波紋正好在這方面較差， 所以磨齒不利于噪聲的降低， 從而 不少廠家在磨齒后再采用珩齒， 這樣就會加大制造成本。 為此， 目前國外正在大 力推廣采用滾齒熱處理強力珩齒這一加工新工藝，

24、如德國一家變速器制造公 司，建立了一全新的采用最新制造技術的齒輪生產(chǎn)廠， 熱前采用干式滾齒和干式 倒棱去毛刺加工工藝，熱處理采用真空爐進行滲碳淬火以獲得最小的齒輪變形， 再通過強力珩齒工藝（單邊珩量在 2530卩）。該公司生產(chǎn)的前輪驅(qū)動變速器中 只有兩種齒輪（倒檔齒輪和差速器齒圈） ，因熱處理變形復雜而沒有采用強力珩 齒外，其它齒輪均采用了熱處理后直接強力珩齒的這一新工藝， 其珩后齒輪精度 可達DIN6級，而加工成本卻只有磨齒的一半。據(jù)稱國雙環(huán)齒輪廠和秋田變速器 廠已引進了美國 Gleason-Hurth 公司的強力珩齒機， 而中馬購買了日本神崎鐵工 的強力珩齒機，當然這種新工藝在國尚屬試用階

25、段， 普及推廣應用還需有一過程。六、齒輪自動分選檢驗機從當前汽車發(fā)展來看，變速器噪聲大小已成為評定整車質(zhì)量的主要指標之 一，造成變速器噪聲的主要原因是齒輪噪聲， 而影響齒輪噪聲的一個重要因素是 由齒輪的毛刺和磕碰造成的， 所以在齒輪生產(chǎn)行業(yè)中如何防止毛刺和磕碰已成為 從事齒輪生產(chǎn)的人們所迫切期望的。 近年來， 隨著齒輪生產(chǎn)技術的發(fā)展， 在齒輪 生產(chǎn)過程中去除毛刺和防止磕碰的技術有了飛速的進步， 即使如此解決毛刺和磕 碰仍是齒輪生產(chǎn)中的一大難題， 至今仍是變速器總成裝配后由于毛刺、 磕碰造成 噪聲而不得不返修的主要原因。 從目前齒輪生產(chǎn)行業(yè)中看， 為解決這一難題， 一 是在生產(chǎn)過程中盡量減少毛刺和磕碰的