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齿轮加工的现状与发展趋势

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齿轮加工的现状与发展趋势

摘要：

齿轮是机械传动中重要的元件，在机械传动中数量最大，运用最广泛，齿轮的加工与制造也形成了一个庞大的产业。

随着科技的进步，新型材料的应用与数控加工设备的不断改进，齿轮的加工工艺正日趋完善。

关键字：

齿轮；加工；发展现状；趋势 

前言：

齿轮是机械传动中数量最大，应用最广泛的元件。

大到船舶上的减速器，小到瑞士手表的传动装置，还有随处可见的各种车型（齿轮是汽车减速系统以及传动系统的重要元件），齿轮传动真是无处不在，已经成我现代机械行业中不可缺少的元件之一。

此外社会上对工业通用齿轮，工业专用齿轮[1]的需求也是有增无减，对于齿轮加工的质量、精度和生产效率的要求也越来越高，所以很有必要对齿轮的加工现状与发展趋势做进一步的研究。

齿轮传动具有悠久的历史，据考证，三千年前中国的指南车上就已经用到了齿轮传动。

到了17世纪末，人们才开始研究齿轮的啮合传动：

什么样的齿形能较好的实现传动。

18世纪欧洲工业革命后，齿轮传动开始大量的运用，齿轮的发展也先后出现了摆线齿轮，渐开线齿轮，圆弧齿轮等。

由于渐开线齿轮传动平稳，制造相对简单，运用也是最广泛的。

齿轮是工业发展的催化剂，在工业发展中起到了至关重要的作用，即使是在电气、液压传动装置广泛使用的今天，我们对齿轮的需求还是有增无减[2]。

特别是中国经济发展对齿轮传动产品的旺盛需求，更是带动了齿轮产业的兴盛。

随着科技的发展，人们对齿轮的要求也是越来越高。

从生产效率，加工精度，齿轮的强度，承载能力，复杂形状的齿轮加工等，都提升到了不同的高度。

1.齿轮常见的加工方法与现状

1.1.滚齿加工

滚齿加工是一中高效的、应用广泛的齿廓加工方法，是依照交错轴斜齿轮啮合原理进行加工的。

如今通过提高齿轮机的刚性，采用高性能的高速钢、硬质合金和先进的涂层技术，可以加工模数在2-40、硬度为HRC40-64.的硬齿面齿轮。

滚齿加工可以做为磨齿前的预加工，可以去掉淬火的变形量，缩短磨齿的工时，降低成本，减少了因磨削过量造成的烧伤火裂纹。

国外滚齿精度可以达到6级，而国内也可以达到7-8级[3]。

滚齿的缺点是不能切内齿轮和多联齿轮，而这些通常是考插齿加工来完成的。

1.2插齿加工

插齿加工也是被广泛应用的齿轮加工方法，它使用的是形状为齿轮或齿条的刀具，与被加工齿按一定的速度做啮合运动的同时，刀具沿齿长方向做往复运动城切削加工。

插齿的优点有：

1）对于硬齿面的直齿外齿轮、内齿轮，多联火带台阶齿轮都能方便的进行加工；2）工艺过程简单、操作方便、效率高、成本低。

插齿除了能切削与相邻突缘紧靠着的轮齿的基本优点外，许多缺点随着插齿而产生。

插齿机的进刀是和轴平行，也就是不在齿轮的回转平面里。

当然齿轮在精加工（如剃齿、磨齿）之前进行插齿，上述之点关系就不很大[4]。

插齿的精度一般为7~9级，最高6级，相对没有滚齿的精度高。

随着科技的发展，计算机控制的运用，齿轮加工设备功能的扩展，插加工效率不断提高。

国外如美国的插齿机冲程次数已经达到2500冲程/min，欧洲1200冲程/min，已经很普遍了[5]。

1.3剃齿加工

剃齿加工是一种齿轮的精加工方法，可以加工直齿火斜齿轮，加工出来的齿面质量较好，精度可达5-7级。

剃齿可分为平行轴剃齿，对角剃齿和径向剃齿。

径向剃齿因效率高，精度能满足要求，近年来被这种剃齿方法得到广泛的使用。

传统剃齿由于接触压力大，一般用于软齿面的加工，德国Hurth公司推出一种硬齿面剃齿法，是利用精密齿轮状基体涂镀金刚石的刀具与热处理后的齿轮是利用精密齿轮状基体涂镀金刚石的刀具与热处理后的齿轮作高速啮合运动。

这种方法主要用于硬度为HRC50左右的中硬齿面精加工，剃齿刀材料选用高性能高速钢进行表面化学处理。

1.4珩齿加工

珩齿加工是应用齿轮形或蜗杆形珩轮与被加工齿轮作自由啮合运动，利用其齿面间的相对滑动速度和压力来进行珩削的齿面加工方法。

珩齿加工分为外齿珩轮珩齿法和内齿珩轮珩齿法。

硬面珩轮不仅能光整，而且还有纠正齿轮齿形误差、基节误差、齿向误差，并将齿轮精度提高1级以上。

1.5磨齿加工

磨齿是获得高精度齿轮最有效和可靠的方法，磨齿能加工淬硬齿轮，纠正齿轮预加工产生的各项误差，消除热处理变形，提高齿轮加工精度。

当今磨齿工艺的状况是:

对中小规格齿轮，一般采用蜗杆砂轮磨齿,部分采用成形砂轮磨齿。

对大规格齿轮一般采用成形磨齿方法。

提高磨齿效率主要从三个方面着手。

一是采用CNC，二是采用新型磨削材料CBN，三是采用新的磨削原理主要是采用蜗杆砂轮和成形磨齿技术。

2.齿轮的加工工艺

2.1最常用的齿轮加工工艺

根据尺寸、材料和用途的不同，齿轮可用不同的方法制造。

目前齿轮加工最主要的工艺方案如下：

（1）滚齿（插齿、锻齿）→剃齿→热处理。

（2）滚齿（插齿、锻齿）→热处理→刮剃。

（3）滚齿（插齿、锻齿）→热处理→刮滚。

（4）滚齿（插齿、锻齿）→热处理→刮滚→珩齿（强力珩）。

（5）滚齿（插齿、锻齿）→热处理→磨齿。

（6）滚齿（插齿、锻齿）→热处理→磨齿→珩齿（强力珩）。

2.2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。

（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。

（3）滚（插齿）→热处理→磨齿。

特点：

加工精度高、加工效率较低、加工成本，适合于高速齿轮、大型客车、高档重型汽车齿轮的加工。

2.3齿轮加工应考虑的因素

（1）根据加工对象和要求，要选择适合的机床。

如适合的机床规格、数控轴数、性能，机床要有高的刚性、良好的热稳定性、高可靠性等。

（2）齿轮的加工精度和效率，还与刀具的材料、参数、涂层工艺、精度等级及刚性，夹具的定位方式、精度和刚性，齿坯的材料、硬度、精度和刚性，切削用量的合理选用以及切削液的选用有关[6]。

3.齿轮加工的发展趋势

3.1齿轮加工工艺的发展趋势

一、滚齿—磨齿的工艺发展

近年来，随着高技术的发展应用，磨齿机的结构得到简化，磨齿精度和效率大大的提高，1分钟课完成一个齿轮的磨削加工，滚齿—磨齿工艺得到长足发展。

二、高速、干切工艺

美国Gleason公司在Phonenix系列滚齿机以及新近推出GenesisTM130H滚齿机和锥齿轮铣齿机上，采用硬质合金滚刀或铣刀盘干滚圆柱齿轮，具有极高的生产效率（提高30%）和精度，刀具成本下降28%。

同时GenesisTM130H滚齿机主轴最高转速4000r/min，工作台最高转速1000r/min。

德国Liebherr公司的LC60滚齿机，主轴最高转速7500r/min，工作台最高转速达1400r/min。

机床刀具转速提高满足了环保高速干切加工对机床的要求，从而使符合环保要求的干式加工技术得到长足发展。

三、齿轮齿轮齿面滚挂—刮削工艺

目前，国际汽车变速箱齿轮的主要加工技术可分为软齿面精加工技术和硬齿面精加工技术两种。

其中欧洲汽车变速箱齿轮的加工工艺以硬齿面精加工为主流，以滚齿—热处理—硬刮削或磨齿为主。

四、磨齿—珩磨联合工艺

瑞士Reishuaer公司的RZF环面蜗杆砂轮磨齿机采用新型的磨齿—珩磨联合工艺，可在1.5min左右的时间内磨出1个5级精度的低噪声齿轮，每台RZF的年生产率可达15万个齿轮,特别适用于轿车变速箱齿轮的磨削加工[7]。

3.2国内外齿轮加工机床现状和发展方向

（1）齿轮装备制造业的兼并、重组与战略合；

（2）磨齿机成为齿轮精加工机床的发展重点。

3.3.国内外磨齿机发展趋势

（1）全数控化

机床哥主轴运动均采用CNC控制以及部分骤减联动控制，宠儿使机床具有了一下优点：

1.增加了机床的功能，使滚削小锥度及鼓形齿轮等变得极为简单。

2.缩短了传动链，同时采用半闭环或全开环控制，通过补偿提高各轴的定位精度和重复定位精度，提高机床加工的可靠性。

3.更换加工产品无需计算及更换挂轮，减少了辅助加工时间，通提高了机床的柔性。

4.由于机床结构简化，提高了机床的刚性，降低了热变形，便于模块化设计。

（2）高精度化

随着CNC水平的快速提高及电子齿轮箱、滚动导轨、高速陶瓷轴承、高速电主轴、力矩电机等伺服系统制造技术的飞速发展,Reishauer公司开发的RZ300E及8RZ301S磨齿加工精度已可达DIN3962标准的1～2级,稳定到3级。

（3）高速、高效化

齿轮加工机床的高速化主要反应在刀具主轴转速和工作台转速的提高。

传统的机械滚齿机，其滚刀主轴转速通常最高为500r/min，工作台最高转速为32r/min。

目前，数控滚齿机的主轴转速可达5500r/min，最高可达12000r/min，工作台转速达800r/min。

（4）功能复合化

要求在一次装夹中，可完成多道工序加工，如滚齿、倒棱、磨齿,粗滚、倒角、精滚等。

Reishauer公司的RZF磨齿—珩磨复合齿轮加工机床及RZ400数控蜗杆砂轮磨齿机等许多新产品，已将工件自动上下料，在线测量，自动对刀、磨齿及修整砂轮，砂轮磨损自动补偿等诸多功能集于一身，使得磨齿加工变得更为精确和快捷。

2.4齿轮新材料的发展与应用

随着材料性能的提高,塑料齿轮不仅用于传递运动,在动力传动中逐渐代替了钢制齿轮。

尤其是磁性材料的加入，使塑料齿轮可制成无侧隙啮合和非接触啮合，取得了齿轮啮合史上重大突破，这不仅使齿轮的传动精度大大提高，消除反行程中的空回现象,而且使齿轮传动的噪声大大降低,是很有发展前途的齿轮。

高强度球墨铸铁（ADI）作为齿轮的新材料,具有重量轻（为钢的91%）、加工工艺性好、滚齿精度高、缓冲吸振能力强、弹性系数小、传动效率高、噪声低、韧性好、强度高等一系列优点,正在得到日益广泛的应用.

现代表面涂层，近来也趋于成熟并大量应用于齿轮加工工艺中。

有些涂层可使齿轮表面硬度达到75HRC，而且有自我润滑、防止磨损和擦伤、耐高温的特点，适用于任何金属材料[8]。

2.5齿轮热处理工艺

热处理新工艺也朝着低温低压热处理、渗碳渗氮的方向发展（如低压渗碳LPVC、离子/等离子氮化、真空气体渗氮渗碳、低温氮化和渗碳），可以更加有效地控制变形量[9]。

2.6齿轮加工刀具的发展

TiC镀层高速钢刀具寿命比普通高速钢提高（3~7）倍，切削速度提高50%~100%，从而节省了材料,降低了生产成本,提高了劳动生产率和产品质量，采用超硬滚刮刀精滚代替传统的磨齿是提高齿轮精加工效率的可靠途径。

这种刀具可加工高硬度脆性材料，耐磨性好，可连续加工大型齿轮而不需中途磨刀，大大提高了加工精度和加工效率，对淬火变形量可修正（0.1~0.5）mm，切削速度可达（25~85）m/min，进刀量可达（2~2.5）mm，表面粗糙度为Ra=1μm，加工精度可达JIS（2~3）级。

立方氮化硼（CBN）砂轮及滚刀的应用,为超精密高效磨齿开辟了新途径.CBN砂轮可实现镜面磨齿,加工效率是氧化铝砂轮的（6~7）倍.该砂轮系采用超硬磨料,单层电镀于钢质磨轮基体上,形成精确的磨齿截形,且磨削性能和截形精度保持性极佳,磨齿过程中无需修整,从而简化了工艺操作,稳定了磨具精度。

3我国齿轮技术发展的方向

3.1齿轮加工刀具的发展

我国齿轮加工刀具普遍存在切削速度低的问题,一般多采用普通高速钢滚刀滚齿,切削速度仅为TiC镀层滚刀的一半,且刀具耐用度较低,加工大直径齿轮中途需磨刀,影响了齿轮加工精度。

TiC镀层高速钢刀具有寿命长，加工速度快，精度高等特点，不仅提高了效率，提高了产品的精度质量，还减少浪费，节约了成本，是一种理想的齿轮加工刀具。

而TiC镀层高速钢的普及也将是齿轮刀具未来发展的趋势。

3.2硬齿面齿轮将取代软齿面齿轮

由于我国对硬齿面齿轮加工效率低,成本高，很多机械产品仍以软齿面齿轮为主,这是造成我国机械产品体积大、承载能力低、使用寿命短的主要原因,硬齿面齿轮代替软齿面齿轮是今后齿轮传动发展的趋势。

3.3加工精度的提高

由于我国机械产品中齿轮的精度低、噪声高，严重影响到了产品在国际市场上的竞争能力。

我国齿轮精度在JB（6-9）级范围最多，而国外普遍采用了JB（4-6）级精度的齿轮。

在传动噪声方面，我国产品与国际同类产品相比，存在噪声大等缺点。

增加齿轮的精度，减少传动过程中发出的噪音是我国齿轮制造也努力的方向[10]。

3.4数控设备的普及

近年来我国开始广泛普及CNC齿轮加工机床，这使得我国齿轮生产效率提高了不少，但是这些机床与国外先进机床相比，仍然处于落后阶段。

目前国外已经使用多轮组合齿轮加工机床。

这种数控机床可以加装滚刀、花键推刀；可以在齿坯加工完之后，便滚齿和推出花键；可以在加工中心上加工出锥齿轮的齿坯，然后再加工出弧齿锥齿轮齿部；更可以在磨齿机上直接磨出端面和内外圆再磨削齿面，一气呵成。

还有粗精加工一体化机床，它可以有一个磨齿库，储备六七把不同的砂轮，类似加工中心的刀具库，可以边加工边修整砂轮而无需工件退出。

这也是未来我国机床智能化发展的方向。

小结：

随着科技的发展，技术的创新，新型材料的不断开创，齿轮的加工工艺会日趋成熟，但我国想要打到世界先进制造水平还有很长的路要走，这就需要我们这一代人的不断努力和锐意进取，敢于尝试创新，相信未来我国齿轮制造也会有一片更广阔的天空。

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