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我国齿轮生产技术的研究进展概述 摘要：随着机械设备技术参数的不断改进和环境问题的日益严重，不仅要求齿轮具有更加优良的使用性能，更从使用寿命、用户感受、能源节约等方面提出了越来越高的要求。文章主要从齿轮材料、热处理工艺、机加工工艺和新型成形工艺这四个角度阐述了近年来齿轮生产技术为适应需求而取得的研究成果与突破，为后续齿轮生产技术的不断革新提供一定参考依据。 下载 关键词：齿轮生产技术；热处理；切削加工；成形方法 中图分类号：TH132文献标识码：A文章编号：1009-2374（2014）23-0005-03 1概述 齿轮作为机械工业中最基础的传动零件之一，它能利用齿面接触连续传递动力。齿轮传动是机械传动中应用最广泛的一种传动形式，它具有效率高，结构紧凑、工作可靠、使用寿命长，传动比恒定等优点。仪器仪表、 汽车、机床、重工机械等许多自动化设备都离不开齿轮。 齿轮在运作过程中，齿部和齿面将受到较大的摩擦力、弯曲应力和接触应力，甚至在啮合不均匀时还会受到较大的过载冲击力，这会造成齿轮不同形式的损伤和失效，从而影响齿轮使用寿命。若要延长齿轮使用寿命，就要求齿轮在工作过程中要能够承受多种形式的损伤，其基本要求为表面具有较高的硬度及耐磨损性，而心部能够抵抗较大的冲击，整体上能够抵抗较大的弯曲变形。不仅如此，随着工业生产及国民生活水平的提高，机械设备的技术参数正向着高速、高载重量、低噪声和轻量化发展，这对其中如齿轮等基础零部件的使用性能提出了更高的要求。而且在环境保护和能源高效利用的时代背景下，齿轮生产中的材料与能源利用率也成为了齿轮生产中需要重点关注的指标。 虽然，我国目前的齿轮生产制造技术仍然存在许多不足，如齿轮钢含氧量过高、淬透带太宽，齿轮机加工精度不够高，材料利用不够充分等。但研究学者们已经针对齿轮生产过程的各个环节做了许多研究工作，也取得了一些有价值的突破和进展。本文主要从齿轮材料、齿轮热处理工艺、齿轮机加工工艺和齿轮成形新工艺这四个角度，阐述近年来齿轮生产技术的发展和突破，为后续齿轮生产技术的进一步革新提供参考依据。 2齿轮材料和热处理技术的研究进展 目前我国自产的钢还存在含氧量过高，淬透性带宽离散度大、冶金工艺不够成熟造成硫化物夹杂级别过高等问题。研究学者对我国齿轮材料的改良主要从优化已有齿轮材料和创造新型齿轮材料这两个角度寻求突破。 西安科技大学的尚可超学者所研究开发的低Cr-Ni钢，是基于现有渗碳钢成分的基础，通过对其中的合金元素含量进行微调并做了相关研发工作所得，这种新型钢材对Cr、Ni合金元素需求相对较低，而这两种元素又是我国的稀缺合金元素。该钢从性能上来讲，与Cr-Mn-Ti系列钢材料对比，淬透性优势明显。辅以适当的热处理工艺，可以提高塑性、冲击韧性和强度指标值。从现有的实践结果上看，性能好、寿命长、耗资低等特点是该钢种用与生产齿轮产品的显著优势。 杨延辉等实验证明了Ti-Nb微合金化的20CrMnTiNb钢更适合用于齿轮生产。他借助热模拟渗碳方法，将Ti-Nb微合金化的两种渗碳齿轮钢20CrMnTi和20CrMnTiNb进行了对比试验，从试验结果中能够得到它们在9301200保温时，奥氏体晶粒长大的规律。研究表明，在加入了0.048%的铌和0.038%的钛之后，20CrMnTiNb钢中粒子间距较含0.054%的钛的20CrMnTi钢中的粒子间距明显更低，且经1000奥氏体化十小时后，该钢种的奥氏体晶粒未出现显著长大和混晶现象，说明对它适合采用高温渗碳工艺。 西安工业大学研发的新型贝氏体钢，具有较强的淬透性，经轧制、锻造或模锻后并采用空冷的方式即可得到新的贝氏体组织。在不回火、低温回火操作下得到的新型贝氏体钢具有更好的力学性能，这个工艺流程相对简单，在实际生产过程中，可以将热成型和热处理过程合并起来。热处理变形应力大和淬火裂纹现象不会出现在这种新型贝氏体钢的热处理工艺中。它具有强度高、韧性强、成本低、易焊接易钢合金化的特点。 3热处理技术的改良 在对汽车齿轮的品质提高的研究中，优先考虑选材，其次是严格规范热处理工艺，在现有的基础上进行不断创新，推广热处理新设备和采用新技术工艺。热处理作为齿轮品质控制过程中的一个关键工序，在我国的应用还有很大的进步空间，我国汽车齿轮的质量与先进国家的同类产品差距较大，平均使用寿命低、能耗大、劳动生产率低。 3.1热处理设备的改良 我国热处理设备还面对着许多技术问题，如渗碳炉不能实现对碳势的自动控制，产品表面有明显碳浓度波动现象，渗碳齿轮质量差以及效率低、能耗大、成本高等。近年来在这个问题上取得了一些改善，目前国内气体动态软件成功应用在了渗碳炉上，但控制水平还需进一步提高。一些制造难度大的设备，如IGBT晶体管超音频电源，这种便携式电源能自给并有出口，卧式大型船用曲轴淬火机、全自动曲轴淬火成套装置、无软带滚道淬火装置与CVJ数控淬火机等均已能自主设计与生产。甚至有些设备如齿轮多用渗碳炉、连续渗碳炉、等温正火炉以及直径达4m的大型井式渗碳炉及相应配套的冷却介质、淬火冷却装置和测试仪器，齿轮感应加热固态电源和淬火机床，齿轮渗氮炉，特别是脉冲离子渗氮炉等，基本上达到了国际先进水平。 3.2热处理工艺的改良 随着机械工业对齿轮质量和承载能力要求不断提高，我国齿轮热处理工艺逐步发展起来。我国齿轮生产在20世纪70年代齿轮设计参数指标较低，以软齿面调质工艺为主，大规模的硬齿面制造技术研究开始于80年代，主要包括感应淬火大齿轮工艺、齿轮渗氮工艺的研究、齿轮渗碳碳势控制工艺的研究。 张国政等针对汽车变速箱中硬齿面齿轮要求耐磨性高、寿命长和传动噪声低等特点，以20CrMnTi钢为例，深入分析了热处理工艺中温度、冷却速度、时间和渗碳碳势等因素对20CrMnTi钢齿轮的热后变形影响。 国内外的生产实践表明，等温退火处理解决了渗碳钢冷加工性能不良的问题，而且渗碳淬火后的变形也明显减少。许多汽车生产厂家对不同材料的齿轮锻坯规定了不同的等温退火工艺。不断扩大应用的感应淬火工艺，如轴类纵向感应加热淬火，已在汽车和拖拉机行业拓宽了应用范围。许多先进的淬火工艺也已在国内众多企业中得到使用并正在不断改进中，如回转支承滚道无软带淬火、双频齿轮淬火、三柱滑套件淬火等。 覃莉莉实验研究了渗碳及碳氮共渗热处理工艺在汽车齿轮生产中的实用效果，结果表明该工艺结合齿轮挂具技术不仅可以实现组织易控操作简单的目的，还可以获得一定数量的表层残余奥氏体和碳化物的混合物，提高车用齿轮的强度得到优良的材料塑形和韧性，从而提高了车用齿轮的抗疲劳寿命。 4机加工工艺的改良 随着工业全球一体化进程的不断深入，环保问题是摆在制造业面前的又一项突出而艰巨任务。齿轮产品的质量除了可靠性要求外，齿轮传动产生的噪声对环境的影响，齿轮生产中能源与材料的利用率的最大化，都成为齿轮生产企业面临的又一类新课题。 传统加工齿坯内孔的方法是靠拉床拉出来，由于拉刀工作状况是要进行多次刀刃磨，大约拉削一、两千件齿坯后要刃磨一次。加上拉刀在拉削过程中会产生磨损，造成内孔尺寸不统一。为此，林茂提出在齿轮冷加工的过程中，使用同一基准（内孔基准），以此基准来进行齿坯精车加工和滚剃加工，齿坯内孔的尺寸统一为保证齿轮产品质量做了重要的前提准备工作。 电子计算机的应用，使各类数控机床得以迅速发展。通过数控车床的运用，减少了齿轮加工工序，提高生产效率，降低了生产成本，保证了产品的加工质量。杨勇在其博士学位论文中采用理论、实验及有限元研究方法，建立了大型滚齿机滚削变形、动力学振动位移及热变形的理论计算新模型。将齿轮加工工艺与实验测试、数控加工与计算机软件技术相结合，建立了滚齿机主轴中心距变化量的热误差补偿模型，成功地进行了热误差补偿试验研究。 目前国内外螺伞齿轮塑性成形技术研究存在一些问题，如碾环制坯、坯料制备效率低、设备投入高、材料利用率不高；模具结构复杂，压力机能量不能全部应用于齿形成形，模具容易出现应力集中。梁好等开发了一种采用“镦粗预锻冲孔终锻”流程成形从动螺伞齿轮的热精锻工艺方案，针对该工艺方案设计了中心分流的闭式精锻模具，并通过模拟和实验验证了工艺方案的可行性及有限元模拟的正确性，为螺伞齿轮精锻成形批量生产提供了借鉴。 5新型成形工艺在齿轮生产中的应用 虽然传统的齿轮制造工艺得到了不断的改良，但是它始终存在一些固有弊端，有许多学者完全摆脱固有传统成形工艺的约束，提出了一些新型的齿轮成形工艺同时提高产品质量、尺寸精度、材料和能源利用率。 在传统工艺中，杯形薄壁内齿轮采用切削制齿与焊接工艺相结合的方式进行生产。孙凌燕在其博士学位论文中介绍了旋压成形技术在该类齿轮生产中的应用，它有效地弥补了传统工艺复杂、产品质量稳定性差等不足，是齿轮加工领域内的一项技术创新。其研究工作主要围绕杯形薄壁内齿轮旋压变形机理、工艺参数间的制约关系、成形工艺以及工艺参数的优化展开。建立了一个能够兼顾计算精度和计算效率的内齿轮旋压三维弹塑性数值模拟模型并对模拟分析的结果进行了试验验证。模拟和试验结果显示，内齿轮（齿根处）齿厚与齿高比的差异会导致成形过程中的材料流动发生变化，据此按制件的齿厚与齿高比大小将旋压成形内齿轮分为渐开线内齿轮和直廓内齿轮两类提出了工艺方案。工艺试验表明，上述工艺优化方案是可行的。 直齿圆柱齿轮是一个基础的机械零件，量大面广，目前国内主要生产方法生产效率低且材料浪费严重。孙红星等采用数值模拟和试验相结合的方法研究了直齿圆柱齿轮成形的过程，分析了不同成形工艺下的充填和载荷，研究了摩擦因子对成形过程的影响，认为保持充填的均匀性是成形成功的关键。在此基础上提出了一种全新的直齿圆柱齿轮成形的新工艺：双向挤镦一步均匀成形新工艺。 为了解决准双曲面齿轮冷摆辗技术存在的模具结构复杂、摆辗力相对较大等缺陷，党玉功等提出了一种新型冷摆辗方案，它简化了模具结构，采用局部线接触连续塑性成形；为了证明这种方案的可行性，对梯形模具与轮齿的接触线进行了研究，发现其与成形法磨齿加工中砂轮与齿面的接触线完全重合。 6结语 近年来，我国在齿轮制造技术方面取得了一些可喜的改进和突破。许多新的工艺方案已经广泛投入生产，并实现了预期改良效果，这为推进我国齿轮制造技术的发展和应用迈出了坚实一步。但与西方发达国家相比依然存在着较大的差距，我国还应该在以下方面做进一步研究和探索：继续研究和开发新型齿轮用钢材料；进一步改善热处理齿面强化技术，提高齿轮的承载能力和可靠性；研究开发齿轮热处理新工艺，如齿轮锻坯等温正火工艺、低压（真空）渗碳技术、直生式渗碳技术、齿轮渗碳催渗技术、齿轮渗碳预氧化处理工艺、齿轮淬火控制冷却技术等；加强现代化技术在齿轮生产中的应用，例如齿轮热处理质量在线控制技术、齿轮柔性制造技术、智能化精密齿轮热处理技术、齿轮集成热处理制造技术等。相信在不久的未来，我国的齿轮生产技术会有更大提高，进一步推动我国基础零件制造业的发展。 参考文献 尚可超基于绿色制造的采煤机齿轮新材料的研究与应用J机床与液压，2011，39（4） 杨延辉，王毛球，王春芳，等钛铌微合金化齿轮钢的奥氏体晶粒长大研究J钢铁研究学报，2012，24（12）. 苗静新型贝氏体钢J西安工业大学学报，2011，（5） 张国政，韩江，刘有余，等硬齿面齿轮的热处理与精加工工艺研究J机械传动，2013，37（12） 覃莉莉渗碳工艺在汽车车身齿轮中的应用J