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1、 高性能齿轮关键制造技术及发展建议 随着我国经济的不断发展，应用于航空、军工、风电、舰船、煤炭及石化行业的高性能齿轮数量呈快速增长之势，其应用性能要求不仅包括了高速、高承载能力、高可靠性、长寿命等特征，而且在一些特殊应用条件下还要求其具有良好的高、低温性能和短时间的缺油运行能力，这就要求此类齿轮不仅在新材料的开发和选择上要有良好的适应性能，而且在制造过程中的热处理技术方面也要有新的思路和突破。多年来，国内外在对高端齿轮的关键制造技术方面进行了多方面的研究和探索，取得了许多积极的进展。尤其在国外，许多高端热处理应用技术已十分成熟，并已广泛应用于高性能齿轮的制造过程，产品性能也都有了十分明显的改进
2、和提高。在国内，尽管相关的研究也进行了不少，但在研究的广度、深度、系统性和应用性方面还存在诸多问题，和国外先进水平相比仍有不小的差距。这就使得国内的高性能齿轮制造水平受到极大制约，产品性能和国外先进水平相比差距很大，远不能满足国内高端装备的配套要求。随着我国“十二五”计划的推进，我国将在航天、军工、海洋工程及新材料等新兴战略性产业发展上对高端齿轮有更多、更高的需求，高端传动件产品的性能将对上述行业的发展有着十分重大的影响。因此尽快开发与高性能齿轮制造相关联的关键制造技术已变得十分必要和迫切，这也正符合国家基础件振兴规划中对基础制造工艺进行开发的要求，本文将对几项关键制造技术的现状及具体要求予以
3、简略讨论。1、齿轮深冷处理技术齿轮材料的深冷处理是高性能齿轮材料热处理的重要延续和补充，是提升其综合性能的重要手段，目前在国外高速齿轮及航空航天齿轮制造中应用已十分普遍。国内一些单位也进行了许多探索，但由于缺乏系统性及指导性的工艺数据，其应用尚不够普遍。众多的机理性试验研究已表明，在对经过渗碳、淬火处理的齿轮再进行一次或多次的温度最低可达零下190的低温处理，可有效促进齿面残余奥氏体向马氏体的转变，同时使得马氏体组织中分解析出弥散状超细碳化物组织，因而使得齿轮齿面金相组织更为细密、均匀、稳定，表面强度及硬度提高，耐磨性也明显改善，有害残余应力大大减小，精度稳定性提高，可大大延长齿轮使用寿命。为
4、使该项处理技术能更为广泛得以推广应用，除进一步深入研究冷处理的各项作用机理外，尚应加强其应用性方面的系统研究，如应对常用齿轮材料的冷处理工艺参数和处理程序进行全面试验研究，以确定不同材料适用的处理工艺参数和方法，明确冷处理后金相组织的评定标准及要求。在此基础上，对经过冷处理后齿轮各项主要性能的改善，如表面强度的提高，耐磨性的改善、尺寸稳定性的提高有一个量化的评定指标，以有效指导齿轮应用者进行恰当的设计和应用。对进行齿轮冷处理适用的设备也应进行开发，并能满足处理过程操作的自动化、智能化和低成本及环保要求，以便于能大面积推广应用该项技术，使其不仅在高性能齿轮制造中得以应用，而且在通用齿轮产品的生产
5、中也能得以应用。2、齿面离子注入改性技术为提高传动齿面的综合性能，如提高其抗腐蚀、抗氧化及抗疲劳性能，提高表面硬度和耐磨性能，降低齿面摩擦系数，改善齿面微观结构的低温或高温性能等，目前已证明行之有效的方法之一是采用齿面的各类离子注入技术。注入的元素类别视具体要求的不同，可选择一种或多种不同的元素。齿面通过各类离子的注入，可有助于析出金属化合物和合金相，形成离散强化相，减少粘着和互扩散，增强氧化膜，提高润滑性能。如为提高直升机齿轮的短时缺油运转能力，对齿轮齿面采用了Mo离子注入的处理技术，试验表明取得了积极的效果。为加快离子注入技术在齿轮齿面处理中的应用，应加强对各类常用齿轮材料在不同应用环境和
6、使用要求下的各种适用性应用研究，以便为实际应用操作提供技术指导。如为提高齿面的抗胶合、抗微点蚀、抗疲劳性能等不同要求时，各种相应离子注入类别的操作工艺参数和处理结果评定的研究，各种不同的离子注入方法及相应硬件手段的开发等，均应系统全面筹划并尽快进行。3、齿面磷化、硫化、镀镍及沉积涂层技术为改善齿面的摩擦润滑特性，提高齿面抗冷、热胶合和微点蚀能力，多年来在高性能齿轮齿面的处理中还采用了锌系或锰系磷化处理、表面镀镍、低温电解渗硫及表面沉积涂层技术等，这些也都在不同程度上取得了一定效果。如国外曾通过PVD技术形成齿面涂层，采用的涂层厚度为1-4，硬度8003000HV。试验表明其抗微点蚀能力有了明显
7、的提高4 5，几乎未观察到微点蚀现象发生，齿形精度也未下降。目前表面涂层技术在风电轴承中也已开始被采用，FAG及TIMKEN公司均推出了旨在提高轴承性能及使用寿命的带涂层轴承并已投放市场。我国汽车齿轮生产中目前也有采用齿面磷化技术来改善其齿面摩擦性能，但范围还很有限。上述几种方法的一个共同点是均涉及到新生的表面层问题，因而对其表面层与母体的结合力、组织致密性、应力状况、硬度、抗疲劳性能、耐温性能、耐冲击能力、耐磨性、耐蚀性等，均应在不同的环境与载荷条件及不同的转速条件下进行系统全面的试验研究，确定出其适宜的应用条件及验收或检验方法，以便能更广泛的推广应用。4、齿面振动光整技术采用齿面振动光整研
8、磨技术降低齿轮表面的粗糙度，已被证明是一种十分经济高效的处理方法，它对改善齿面间的润滑状况，有效避免齿面的胶合和微点蚀的发生有着十分显著的效果。与此同时，齿轮疲劳强度也将得以提高，齿面磨损也大大减轻，运行温度及噪音也明显下降。齿面振动光整研磨技术一般应用于重载低速齿轮的深度处理。国外进行齿面超精加工的设备及工艺技术已较为成熟，它是采用将工件置于直径为3-5mm的非磨蚀性高密度陶瓷研磨颗粒中，同时施以高频振动，在颗粒与齿轮的多次往复运动中，使得齿面微小波峰得以进一步的平滑。在上述研磨的过程中，研磨颗粒中还加有专用的液态化学助磨剂,它可在工件表面不断生成氧化层，这一氧化层不断被磨去，又不断再生成，
9、借此可以加速齿面的磨合。由此可知，超精加工是一个工艺性较强的精磨过程，其最终效果不仅取决于各相关工艺参数的控制，也和齿面的初始粗糙度有很大的关系。经过超精加工工艺处理过的齿面，其粗糙度一般可达 齿面超精加工已被国外风电齿轮箱制造行业作为低速级齿轮精加工的常规加工工艺而普遍采用。在我国，由于处理工艺技术研究及硬件设施的缺失，目前这一工艺的应用还尚不普遍，亟待进行改变。5、传统处理工艺技术升级及复合应用技术在关注并采用各种新的处理技术的同时，对应用多年的传统技术也要进行开发升级，以适应新的条件下对各类产品的热处理质量所提出的更高要求。近些年来，传统的热处理技术已逐渐发展了真空低压渗碳、真空离子深层
10、氮化、真空碳氮共渗技术和稀土催渗等新技术，喷丸强化技术也有新的发展，如激光喷丸强化和超声波喷丸等。如法国正在开发超声波喷丸技术，通过试验，表明这种工艺对提高齿面接触强度和抗微点蚀能力有着积极影响，并可使得对齿面粗糙度的影响大大降低。通过进一步更系统的研究开发，有可能为我们提供一个有效的提高轮齿表面抗微点蚀能力及综合性能的技术方法。各种热处理复合技术也是包括重载、高速行星传动技术在内的高端齿轮制造的需要。如包括风电增速箱在内的高端行星传动齿轮箱中大型内齿圈的热处理问题，就遇到了传统渗碳工艺变形过大且难控制，而亟待采用快速深层氮化技术或新一代的无害排放的真空碳氮共渗技术来解决这些难题，上述这些相关
11、技术应尽快解决效率、成本及处理结果的可靠性和稳定性等方面的问题，使其能得以更好的应用和普及。除此之外，本文所述的各项处理工艺技术并不是孤立的，而是有着十分紧密的关联关系。不同的应用环境和条件，可能需要多种不同的技术复合使用，这样方能取得良好的效果。如航天、航空高速齿轮，可能需要渗碳、深冷处理、表面离子注入或表面磷化等技术复合应用。舰船和风电齿轮则可能需要喷丸、渗碳、齿面光整加工等方面的复合技术，等等。这些都需要进行不同类别复合处理技术的综合性应用研究，以对其在不同组合条件下满足特定载荷及应用环境的适用性进行全面研究，并形成指导性的推荐组合方法、处理工艺和技术参数等规范或标准。如一家英国公司采用
12、齿面渗碳、淬火、喷丸和超精加工工艺结合起来，在进行了两次不同粒径及强度的喷丸后，最后再进行齿面超精加工。这样不仅有效保留了喷丸形成的齿面残余应力，也使得齿面粗糙度大大降低，齿轮综合性能有效得以提升。6 、若干建议对齿轮产品性能要求的不断提升促使着新的技术和工艺在不断产生和发展，上面所述的几种方法只是目前应用较为普遍的一部分。由于种种原因，如同在基础研究方面整体滞后一样，我国在齿轮基础制造工艺的开发研究方面还存在许多空白，许多急需的关键制造技术的应用研究还非常不系统，缺乏为行业发展提供共性技术支撑的公共平台和数据库，这给相关技术的推广应用带来了极大的障碍，也直接导致我国在高端齿轮产品的制造质量方
13、面和国外相比差距仍较大。为改变这种状况，提出如下建议：（1）“十二五”期间国家应立题对相关专项进行持续性研究，集中材料、热处理、齿轮设计、制造及应用单位共同努力，协力攻关，尽管形成自主的高水平、低成本、低能耗、系统化、实用化及智能化的绿色热处理技术体系，建成我国的高性能齿轮制造技术公共服务平台。（2）整体工作目标应为对齿轮产品关键处理技术形成规范化的处理程序及工艺，自动化及智能化的处理设备或生产线，标准化的验收检验方法，保证高技术应用的便利稳定，充分保证产品的处理质量，为我国尽早步入齿轮制造强国提供坚实的技术支撑。（3）建设若干高水平示范性热处理中心，引领带动全国性的地域热处理中心建设，形成规
14、模化专业化的服务体系，便于高端处理技术推广应用，也有利于环保和排放物集中治理。参考文献1 赵玉良、徐鸿钧、姜永涛，风电齿轮的微点蚀研究J，能源工程，2010年第4期2 邹家生、许峰、卢龙，齿轮表面改性技术研究现状J，江苏科技大学学报，2009年4月，第23卷第2期，P1131163 包俊成、赵捷、王志奇等，表面强化对30CrMnSiA钢疲劳性能的影响J，机械工程材料，2010年6月，第34卷第6期，P71P73。4 Manfred Weck,Oliver Hurasky-Schonwerth,Christoph Bugiel. Service Behavior of PVD-Coated Ge
15、aring Lubricated with Biodegradable Synthetic Ester OilsJ. GEAR TECHNOLOGY, 2004,(1/2)5 Franz Joachim,Norbert Kurz, Bernhard GlatthaarInfluence of Coatings and Surface Improvements on the Lifetime of GearsJ. GEAR TECHNOLOGY, 2004,(7/8)6 L. Winkelmann, O. El-Saeed ,M. Bell. The Effect of Superfinishing on Gear MicropittingJ. GEAR TECHNOLOGY, 2009,(3/4)
