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1、圆柱齿轮加工技术及装备的发展现状及方向,重庆大学机械学院 2009.12,主讲人：张济生教授,说明,齿轮传动元部件包含的内容很广泛，有圆柱齿轮、锥齿轮、螺旋及准双曲面齿轮等。以下的研讨仅涉及圆柱齿轮部分制造及装备技术发展现状及方向有关的问题。,齿轮在机电产品中的重要地位,不论汽车、摩托车、飞机、轮船、坦克、发动机、航天器、钢铁采矿设备等机电设备，齿轮被广泛获得应用，齿轮技术上也在不断发展。,从将来的发展来看，齿轮会被淘汰吗？,有一种观点认为，随着机电一体化技术和电力电子技术的进步，电机直接驱动将会逐渐甚至全部替代齿轮的地位。这种观点显然是片面的。 电机驱动任何机械运动时，必须满足该机械要求的大
2、小不同的驱动力矩（从零点零几Nm到几万Nm）。在通常情况下，虽然转速极高的电动机或发动机能够为设备提供足够大的动力（功率），但它们难以提供足够大的力矩。而齿轮传动利用齿轮减速加速功能，通过改变传动比，可以方便将电机的输出力矩转换成该机械装置所要求的任何力矩。齿轮传动也是实现改变,不同旋转方向的基本措施。另外，电力直接驱动的成本很高，即使某些情况下技术上可以替代齿轮，但从成本来看多数也是难以接受的。可以预料：,重 物,实例：卷扬机电机通过齿轮减速器，增大了滚筒的输出力矩，从而使钢丝绳吊起数吨至数十吨重物,将来齿轮传动的应用范围可能有所减少，但在多数传统领域（如车辆等）百年之内将会继续得到发展！,
3、风电齿轮箱制造产业是齿轮装备发展的一个增长极,风力发电机需要大功率升速传动将叶轮的低速升高至发动机要求的高速，主要依靠齿轮传动解决问题,齿轮产品及归属的行业,齿轮产品主要分为车辆齿轮和工业齿轮两大类。工业齿轮又分为工业通用齿轮和工业专用齿轮两大类。不同类的齿轮服务于不同的工业产品和相应的行业，参看下表：,据中国齿轮专业协会(CGMA)统计，2004年中国齿轮全行业的产品构成为：车辆齿轮传动产品占60%，工业齿轮由工业通用、专用、特种齿轮构成，其市场份额分别为18% 、12%、8%；而齿轮装备占2%。在整个齿轮行业中，中国车辆齿轮与工业齿轮所占的比例与欧、美、日本的情况是一致的。 目前，汽车手动
4、变速箱(含重、中、轻、微、轿)、工程机械换挡变速箱、大/中型农机变速传动的配套、摩托车齿轮已经基本立足国内生产，基本满足了主机厂的配套需要，已经有部分齿轮件或变速箱出口，但在汽车自动变速箱方面，目前仍由进口产品控制。在车辆驱动桥、主被动螺旋锥齿轮、直齿锥齿轮及轮边减速机方面，大部分能满足国内配套需要。,齿轮产品构成比车辆齿轮占60,齿轮产品市场情况,中国齿轮工业在“十五”期间得到了快速发展：2007年1-12月，中国全部齿轮、传动和驱动部件制造企业实现累计工业总产值1365.4亿元，比上年同期增长30.96；2008年1-10月，中国全部齿轮、传动和驱动部件制造企业实现累计工业总产值1445.
5、2亿元，比上年同期增长32.92。已成为中国机械基础件中规模最大的行业。就市场需求与生产规模而言，中国齿轮行业在全球排名已超过意大利，居世界第四位。 从生产区域来看，华东地区齿轮业发展最快，2007年其产量占到全国总量的52.8%。华东地区齿轮企业相对比较集中，尤其是江浙两省，民营企业数量较多。其他地区依次为：华北地区占19.1%，西南占8.7%，华中占8.1%，西北占6.7%，东北为4.7%。 中国齿轮制造业与发达国家相比还存在自主创新能力不足、新品开发慢、市场竞争无序、企业管理薄弱、信息化程度低、从业人员综合素质有待提高等问题。现阶段齿轮行业应通过市场竞争与整合，提高行业集中度，形成一批拥
6、有几十亿元、5亿元、1亿元资产的大、中、小规模企业； “十一五”末期，中国齿轮制造业年销售额预计可达到1300亿元，人均销售额上升到65万元/年，在世界行业排名中达到世界第二。2006-2010年将新增设备约10万台，即每年用于新增设备投资约60亿元，新购机床2万台，每台平均单价30万元。到2010年，中国齿轮制造业应有各类机床总数约40万台，其中数控机床10万台，数控化率25（高于机械制造全行业平均值17%）。 （取材自2009年中国齿轮市场研究报告和2009-2012年中国齿轮行业投资分析及前景预测报告 ）,由于工艺技术和齿轮制造装备的发展，使得许多过去难以实现的设计要求现在却变得轻而易举
7、;反过来它又推动了机械传动结构的飞速发展。在传动系统设计中，电子控制、液压传动，齿轮、带链的混合传动，将成为变速箱设计中优化传动组合的方向。例如，具有燃油消耗低、安全、舒适等优点的汽车自动变速箱，将成为现有轿车手动变速箱的换代产品；输入转矩700- 2000N m的客车传动全自动变速箱，因其换档轻便、安全、舒适、重量轻、噪声小、与发动机匹配好等优点，将是今后豪华客车的主要传动配套产品。,世界各主要工业国，都把推广自动变速箱，改进性能，降低其制造成木作为重点。我国汽车齿轮和变速箱行业在制造一般汽车齿轮变速箱没有困难，汽车自动变速箱产品配套则大部分需要依靠进口。,两款奔驰汽车变速器,自动变速器,我
8、国制齿装备尚不能较好解决自动变速器等若干特殊齿轮加工的要求,齿轮加工的难题之一 内斜齿轮的精密加工,国际上，动力传动齿轮装置技术主要沿着小型化、高速化方向发展；齿轮箱产品朝着系列化、标准化、模块化方向发展。技术上各国普遍采用的措施： 普遍采用硬齿面技术，提高齿轮强度和耐磨性； 应用以圆弧齿轮等为代表的特殊齿形替代渐开线齿形（如英法合作研制的舰载直升飞机主传动系统），提高承载能力，由于工艺困难而未得到推广； 在大型船舶、冶金、矿山、水泥一轧机等大型传动装置中，行星齿轮传动以其体积小、同轴性好、效率高的优点而应用愈来愈多； 提高齿轮的工作参数，如高速齿轮的传递功率达到1000-30000kw，齿轮
9、圆周速度达到20200ms，传递扭炬达l00200t.m，要求使用寿命在2030年以上，有些齿轮的精度等级要求达到36级； 由于对高速齿轮平稳性与噪声有较高的要求，广泛采用齿轮齿面修形。特别对于圆周速度超过100ms（如透平齿轮等）的高速齿轮，由于运转中的发热和弹性力效应 要求在设计始对产生的热变形和齿面的弹性变形进行齿形修正。 （主要取材自2006-05-19 中国机械资讯网） 随着国内外市场竞争的加剧，在保证产品质量前提下如何进一步降低齿轮制造成本，成为齿轮制造技术发展的核心议题！,齿轮传动装置技术的发展趋势小型化、高速化,齿轮制造中两类典型的工艺路线,1、欧美路线（齿轮精度高，制造成本高
10、） 滚齿（插齿、锻齿）热处理磨齿； 2、日本路线（齿轮精度满足需要，成本低） 滚齿（插齿、锻齿）剃齿热处理； 3、为了降低齿轮制造成本，中国基本采用日本路线,由于热处理引起齿部的变形，一般要降低齿轮精度12级，为了使热处理后的齿轮精度保持在7级左右，需要通过剃齿工艺，将滚齿后的精度提高后，再经热处理，达到齿轮所需的精度。,汽车齿轮加工最常用的工艺方法及其特点 （1）滚齿（插齿、锻齿）剃齿热处理（珩齿）。特点：加工效率高、加工成本低，适合轿车及微型车齿轮加工；（精度78级） （2）滚（插齿）剃齿热处理。特点：加工效率高、加工成本低，适合于一般中重型汽车齿轮加工；（精度78级） （3）滚（插齿）热
11、处理磨齿。特点：加工精度高、加工效率较低、加工成本较高，适合于高速齿轮、大型客车、高档重型汽车齿轮的加工。（精度67级）,（取材自现代零部件2009年第1期廖绍华文章：“汽车齿轮加工技术和典型装备”）,根据齿轮生产厂家的介绍，在齿轮精度项目中，周节和齿向误差较容易控制，而齿形误差最不容易控制，而齿形误差对齿轮箱的噪声影响很大，如何经济方便解决齿轮修形，提高齿形精度，是齿轮制造中需要解决的一项重要问题。,齿轮热处理后，精度将降低1级甚至2级。热处理变形的主要类型有内孔畸变、齿廓变形、齿向扭转、轴向弯曲和端而挠曲等。其主要变形原因是齿轮急剧冷却时产生的热应力和马氏体相变时的相变应力造成的。由于淬火
12、后齿轮零件要发生变形，为了保证齿轮精度满足图纸要求，需要通过齿部的精整加工提高其精度。淬火前齿部精整加工的方法主要有剃齿和挤齿，剃齿方法使用最为普遍。,齿轮热处理后的变形是影响齿轮精度最重要的因素,日本汽车为了降低成本，放弃了磨齿工艺，为了减小热处理后的变形，采取以下措施： 1、与钢厂签订协议，严格控制齿轮钢材料成分； 2、采用选用可控气氛一类先进热处理炉等措施，严格控制热处理工艺；,3、通过大量工艺实践，积累收集齿轮变形数据，修改剃齿刀齿形，进行变形补偿。,剃齿是利用斜齿轮啮合齿面会产生相对滑动的原理，在与被加工齿轮啮合运转过程中，剃齿刀齿面上众多的切削刃将从被切齿轮齿面上切下极薄金属层，剃
13、齿后齿轮精度一般可达6、7级，Ra为0.80.4m。剃齿生产率高，加工一个中等尺寸的齿轮一般只需24 min，与磨齿相比较，可提高生产率10倍以上。刀具寿命长。为了提高生产率，开发了多种剃齿工艺，如切向剃齿、径向剃齿、对角剃齿等。,剃齿是目前我国使用最普遍的齿轮精加工工艺,剃齿刀,几种剃齿方法的比较,70年代初，继纵向、对角和切向剃齿法之后, 西德的Carl Hurth公司又研制出径向剃齿法。径向剃齿取消了纵向走刀运动使加工时间成倍缩短。为了扩大齿长方向的接触范围和克服剃齿中凹问题, 需要沿齿向和齿高两个方向进行修形，将剃齿刀的接触线从直线修成反鼓形，径向剃齿刀的制造变得复杂和困难。径向剃齿法
14、的优点简单归纳如下： 1、提高生产率可提高约1倍。 2、提高齿面光洁度被剃齿轮齿面粗糙度比以往剃齿法降低一半左右。 3、提高了剃齿刀寿命 为了适应径向剃齿要求提高机床刚度，如今已经有一些径向剃齿机和径向剃齿刀产品问世。但由于径向剃齿刀制造不易，而且只适合特定模数和齿数的齿轮，目前使用不多。,推广径向剃齿法是剃齿工艺的主要发展趋势,图5 齿部齿形中凹现象及修缘,剃齿后齿面出现中凹和齿轮修缘的需要，必须对剃齿刀进行修形,剃齿刀与齿轮啮合的重叠系数在12之间，当轮齿刚进入和脱出啮合期间属于两齿同时啮合，齿面接触压力较小；当轮齿转到中间附近时，只有一齿啮合，齿面接触压力增大，从而造成齿面中部金属被多剃
15、除一些，出现齿面中凹现象。,由于滚刀、机床调整、热处理等引起的齿形误差，有些也可用剃齿刀修形（反变形技术）克服,加工出高精度齿轮的方法是一个不断试验修改的过程,标准渐开线齿形的剃齿刀，剃出来的齿轮齿形会发生“中凹现象”，为了剃削出符合图纸规定齿形的齿轮，要求磨出中凹齿形的剃齿刀，为此要对磨削剃齿刀的大平面磨齿机砂轮进行精密修形。为了剃削出合格的齿轮，应配套提供经过修形的剃前滚刀。而不论剃齿刀和滚刀齿的修形是一个不断试验修改的过程。,图5 齿部齿形中凹现象及修缘,从保证产品质量的角度，除滚齿机、剃齿机和配套刀具应具有必要精度外，从技术和装备保证上能否对剃齿刀和剃前滚刀刀齿实现快速精确修形？也是制
16、约齿轮加工上水平的重要因素。,剃出高精度齿轮的方法是一个不断试验修改的过程确定剃齿刀磨床合理砂轮修形曲线包含两类迭代试验过程,硬齿面主要精加工方法,1、硬齿面精滚（刮滚） 2、硬齿面剃齿、车齿（刮剃、刮车） 3、珩齿（外珩齿、内珩齿） 4、研齿、跑合 5、展成磨齿 6、成形磨齿,精加工后的齿轮，因为热处理而是其精度降低12级。因此，为了保证齿轮产品质量常常需要增加硬齿面精加工工序。硬齿面精加工主要的加工方法如下：,通常齿面硬度在HBS300350 的称为中硬齿面，齿面硬度大于HBS350的则称为硬齿面。中硬齿面及硬齿面的预加工大多采用硬质合金滚刀（硬质合金插齿刀）进行精加工。采用硬质合金滚刀刮削加工的方法是近年来齿轮制造业的技术进步和重大的技术革新。精度可达78级，齿面粗糙度Ra6.3 1. 25m 。齿面刮削技术主要用于较高精度硬齿面齿轮的精滚（插）齿和高精度硬齿面齿轮齿形的磨削前半精滚（插）齿。,关于硬齿面刮滚工艺,1、刮滚工艺对滚齿机的要求：机床的结构刚度要高
