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1、精密齿轮工艺与测试Precision Gear Technology and Testing齿轮技术的研究现状及发展趋势*（大连理工大学 机械工程学院 辽宁 大连 116024）摘要：齿轮是现代机械传动中的重要组成部分。大至宇宙飞船, 小至手表、精密仪器,从国防机械到民用机械， 从重工业机械到轻工业、农业机械, 无不广泛地采用齿轮传动。本文根据当前国内外齿轮技术的发展状况,主要对齿轮的加工技术进行综述,并简单地对齿轮的发展趋势进行预测。关键词：齿轮 精密仪器 传动 加工技术 The Research Situation and Development Trend of Gear Technol
2、ogyWANG Wei(School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, 116024)Abstract: Both the spacecraft, watch or precision instrument, gear is the important part of modern mechanical drives. Gear drive is widely adopted from defense machinery to civil machinery, and from industr
3、ial machinery to light industrial and agricultural machinery. In this paper, according to the current domestic and international gear technology development, the gear processing technology was mainly reviewed, and the gear trend was forecasted simply. Key Words： Gear Precision Instrument Gear drive
4、processing technology 0 前言齿轮传动是机械传动中的主要形式之一,由于它具有速比范围大、功率范围广、结构紧凑可靠等优点,已广泛应用于各种机械设备和仪器仪表中,成为现有机械产品中所占比重最大的一种传动。齿轮从发明到现在经历了无数次更新换代,主要向高速、重载、平稳性、体积小、低噪等方向发展。本文将主要介绍齿轮的发展历程，对齿轮的加工技术进行全面综述，并简单预测齿轮的发展趋势。1 齿轮的发展历程齿轮的发展要追溯到公元前,迄今已有3000年的历史。远古时代人们为了传递动力,发明了齿轮,这一发明实现了转动的传递, 在我国汉代发明的指南车上就有齿轮的传动装置, 当时的齿轮是用木料制造
5、或用金属铸成的, 只能传递轴间的回转运动, 不能保证传动平衡性, 同时齿轮的承载能力也很小。在国外, 机械传动的记载始于古罗马时代, 人们在水力碾磨中也用到了木制齿轮传动, 但齿轮的齿形是直线形, 同样不能保证运动的平稳性, 并且木制齿轮的承载能力也受到限制。在瑞典, 人们在谷物碾磨中使用石头做成斜齿轮传递动力, 虽然比木制齿轮承载能力高, 但加工困难。到了14世纪, 钟的发明使人们开始研究金属齿轮传动以减小尺寸, 以便在钟中得到应用。18世纪初, 蒸汽机问世, 并被很快运用, 这进一步促进了齿轮传动的发展。此外, 这一时期水力纺织机械、冶金机械的发明与运用, 又促使大功率、高质量的木制、金属
6、的齿轮传动问世。在齿轮材料没有改进的情况下, 19世纪末期, 人们开始研究齿轮的齿形,并向小型化、长寿命、更可靠的齿轮传动装置发展, 促进了对齿轮传动的研究, 20世纪初摆线齿轮和渐开线齿轮相继出现。但由于摆线齿轮制造和安装较困难, 限制了发展, 目前只在钟表领域应用。渐开线齿轮传动的类型有直齿轮、斜齿轮、锥齿轮和蜗杆传动,20世纪60-70年代我国渐开线齿轮主要采用滚齿加工工艺, 用这种方法生产的齿轮硬度不高, 接触强度低、寿命短, 而用在船舶、电厂涡轮机的大型高速齿轮传动由于其节线速度高, 要求这些齿轮有高精度,于是加速了磨齿加工工艺的发展。斜齿轮是在直齿轮的基础上发展起来的, 由于直齿轮
7、寿命短, 承载能力有限等缺点, 从而在后来的机械传动装置中, 人们开始尝试在同样厚度的齿轮上, 增加接触线长度的斜齿, 即斜齿轮, 它无论在性能上还是加工上, 都较直齿轮复杂, 但在斜齿轮的传动过程中, 存在着对传动系统不利的啮合力的轴向分力,为此又发明了人字齿轮, 但人字齿轮的加工更复杂。21世纪随着材料科学的发展, 齿轮由金属材料逐渐向高分子材料转变, 如塑料齿轮已被广泛应用, 以减轻齿轮的重量。随着生活质量的提高, 对使用工具也越来越追求完善, 为了实现传动性能的优化, 人们对齿轮的认识逐渐深入。20世纪40年代, 渐开线理论开始出现,到50年代为了提高承载能力, 提出了齿轮齿廓和齿向修
8、形的设计方法。60年代, 人们开始研究直齿、斜齿和锥齿轮等的表面疲劳强度和可靠性, 研究表明渐开线齿轮传动在啮合点是纯滚动, 因此其传动平稳性、效率、使用寿命受到限制。在国际齿轮会议上Essen提出圆弧齿轮具有润滑性能好的特点, 啮合摩檫损失减小, 提高了齿轮的寿命。70年代, 出现了曲线锥齿轮、环面蜗杆、点接触蜗杆以及圆弧齿轮等新型传动装置。80年代, 齿轮传动系统中又增加了少齿差行星传动、新型伺服传动、新型蜗杆传动等新类型。这时的设计理论有弹性变形、热变形、制造误差的啮合理论、局部共轭、失配啮合理论等。90年代国外的产品在技术上普遍经历了一次新的更新换代, 使承载能力大幅提高, 模块化设计
9、程度更高, 更容易实现零件的批量化生产, 此外进一步采取降噪措施, 改进了密封和外观。2 齿轮常用材料及其选择齿轮是现代机械中应用最广泛的一种机械传动零件，合理地选择和使用金属材料尤为重要。大致上讲，应主要满足齿轮材料所需的机械性能、工艺性能和经济性要求三个方面： 1、满足齿轮材料的机械性能材料的机械性能包括强度、硬度、塑性及韧性等，反映材料在使用过程中所表现出来的特性。齿轮在啮合时齿面接触处有接触应力，齿根部有最大弯曲应力，可能产生齿面或齿体强度失效。齿面各点都有相对滑动，会产生磨损。齿轮主要的失效形式有齿面点蚀、齿面胶合、齿面塑性变形和轮齿折断等。因此要求齿轮材料有高的弯曲疲劳强度和接触疲
10、劳强度，齿面要有足够的硬度和耐磨性，芯部要有一定的强度和韧性。 2、满足齿轮材料的工艺性能 材料的工艺性能是指材料本身能够适应各种加工工艺要求的能力。齿轮的制造要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此选材时要对材料的工艺性能加以注意。一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般工作条件的要求。但强度不够高，淬透性较差。而合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工性能较差。我们可以通过改变工艺规程、热处理方法等途经来改善材料的工艺性能。 3、满足齿轮材料的经济性要求所谓经济性是指最小的耗费取得最大的经济效益。在满足使用性能的前提下，选用齿轮材料还应注意尽量降低零件的总成
11、本。我们可以从以下几方面考虑： 从材料本身价格来考虑。碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢和铸铁，不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。从金属资源和供应情况来看，应尽可能减少材料的进口量及价格昂贵材料的使用量。从齿轮生产过程的耗费来考虑：采用不同的热处理方法相对加工费用也不一样；通过改进热处理工艺也可以降低成本；所选钢种应尽量少而集中，以便采购和管理；我们还可以通过改进工艺来提高经济效益。3 齿轮的加工技术3.1 齿轮制造现状随着汽车制造业的发展，齿轮行业通过大量引进高端设备使加工能力有了长足的进步与国际先进水平已相当接近。国产齿轮加工机床已基本形成了较完
12、整的系列已开发出技术含量具有国际水准的螺旋锥齿轮六轴数控磨床，但齿轮机床总体制造水平在精度、寿命、稳定性、数控技术应用等方面与欧美相比存在较大差距目前国内齿轮加工行业的精加工特别是数控齿轮机床仍然以进口设备为主。如德国普发特公司、瑞士莱斯豪尔公司的圆柱齿轮滚齿、磨齿机等，美国格里森公司、德国克林贝格公司（含原瑞士奥利康）的螺旋锥齿轮铣齿、磨齿、研齿机以及齿轮测量中心在国内仍居显著的优势地位。机械传动具有恒功率输出、承载能力大、规率高、寿命长、可靠性高、结构紧凑等优点，广泛用于各种机械设备和仪器仪表中。齿轮传动是机械传动的主要形式。齿轮是机器的基础件，其质量、性能、寿命直接影响整机的技术经济指标
13、，齿轮因其形状复杂、技术问题多，制造难度较大，所以齿轮制造水平在较大程度上反映一个国家机械工业的水平。我国在发展齿轮生产方面，到70年代末，已基本形成齿轮制造工业的完整体系。齿轮制造技术是获得优质齿轮的关键。齿轮加工的工艺，因齿轮结构形状、精度等级、生产条件可采用不同的方案，概括起来有齿坯加工、齿形加工、热处理和热处理后精加工四个阶段。齿坯加工必须保证加工基准面精度。热处理直接决定轮齿的内在质量，齿形加工和热处理后的精加工是制造的关键，也反映了齿轮制造的水平。在齿轮加工工艺上，对软齿面和中硬齿面齿轮（300-400HBS），一般工艺方法为调质后滚齿或插齿。对大模数齿轮则采用粗滚齿调质精滚齿。对
14、汽车、拖拉机、机床等齿轮，批量大，要求精度高，采用滚齿或插齿后，再进行剃齿或珩齿。齿面感应淬火的齿轮（42-52HRC），其工艺为滚齿或插齿、剃齿、感应淬火，再剃齿或珩齿。对于硬齿面齿轮，一般先滚齿或插齿，有时还剃齿，热处理后精整基准面，轮齿变形大时，进行磨齿。轮齿变形较小，且精度要求在7 级和7级以下的齿轮，热处理后可采用珩齿或研齿。要求精度高且载荷不太大，且要求硬齿面的齿轮，可采用精滚齿后离子渗氮工艺。齿轮制造工艺的发展，很大程度上表现在精度等级与生产效率的提高两方面。近年来，随着齿轮装置向小型化、高速化、低噪声、高可靠性发展。硬齿面齿轮制造技术日益显示其重要性。高生产率的超硬刮削技术，高
15、效和高精度的立方氮化硼（CBN)砂轮磨齿等一系列新技术得到应用与推广。与硬齿面加工技术相适应，齿轮的热处理工艺越来越显得重要，例如齿轮渗碳采用气体渗碳法，尤其是采用离子真空渗碳法，对齿轮进行深层渗碳并能减少变形，缩短渗碳时间。电子计算机的应用，促进了齿轮制造技术的发展，应用计算机编制工艺过程进行质量控制，使制造质量稳定可靠。用数控微机系统改造切齿机床，使机床实现所需的切齿运动，提高机床的运动精度，以及实现轮齿的修形。为了齿轮在工作状态下正常啮合，对于圆周速度超过100m/s的高速齿轮，由于运转中的热效应，应对齿面热变形进行修形。对于低速重载齿轮，采用硬齿面齿轮由于跑合性能不好，齿面负荷系数增加
16、，导致整个齿轮装置系统产生一定的弹性变形，会产生沿齿向载荷分布不均，因此，必须齿向修形。总之，国内外对齿面修形技术已作为齿轮制造中的一项重要工作内容，尤其是在减小体积，提高承载能力方面更是如此。3.2 常用齿形加工方法齿轮齿形的加工方法包括无切屑加工和切削加工两大类。无切屑加工方法有：热轧、冷挤、模锻、精密铸造和粉末冶金等。切削加工方法可分为成形法和展成法两种，其加工精度及适用范围见表1。表1 齿轮齿形的常用切削方法加工方法刀具机床加工精度及适应范围仿形法成形铣盘形铣刀铣床加工精度和生产率都较低指形铣刀滚齿机或铣床同上，是大型无槽人字齿轮的主要加工方法拉齿齿轮拉刀拉床加工精度和生产率较高，拉刀专用，适用于大批生产，尤其是内齿轮加工更是适宜展成法滚齿齿轮滚刀滚齿机
