適合于中國(guó)國(guó)情的等高齒錐齒輪制造技術(shù)
河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 鄧效忠
目前汽車驅(qū)動(dòng)橋螺旋錐齒輪主要采用兩種齒制：圓弧漸縮齒和延伸外擺線等高齒。隨著銑齒加工技術(shù)的不斷提高，螺旋錐齒輪的切齒技術(shù)也經(jīng)歷了從五刀法到兩刀法，從濕切到干切，從銑齒、研齒、磨齒的發(fā)展過程，本文簡(jiǎn)要介紹漸縮齒錐齒輪和等高齒錐齒輪的特點(diǎn)、國(guó)內(nèi)外兩種齒制的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析等高齒制造技術(shù)在中國(guó)的應(yīng)用前景。
一、 延伸外擺線等高齒錐齒輪的特點(diǎn)
1. 延伸外擺線等高齒錐齒輪（以下簡(jiǎn)稱等高齒）相對(duì)于漸縮齒弧齒錐齒輪（以下簡(jiǎn)稱漸縮齒）在以下方面有不同之處：
|
齒形特征
|
加工
方法
|
設(shè)備數(shù)量
|
加工效率
|
強(qiáng)度
|
噪聲
|
能否磨齒
|
|
|
漸縮齒
|
從齒的大端到小端齒高是逐漸收縮的，面錐角、根錐角、節(jié)角錐不等，齒線為圓弧
|
五刀法，五臺(tái)機(jī)床
|
5
|
使用機(jī)床多，工序多，調(diào)機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，效率相對(duì)低
|
較低
|
較高
|
可以磨齒
|
|
等高齒
|
從齒的大端到小端齒高相等，面錐角、節(jié)錐角、根錐角相等。齒線為延伸外擺線
|
兩刀法，
大小輪各在一臺(tái)機(jī)床上粗精加工 |
2
|
連續(xù)滾切加工，效率高
|
較高
|
較低
|
不能磨齒
|
綦江齒輪有限公司運(yùn)用美國(guó)格里森公司CAGE4 Win軟件對(duì)三組具有代表性的斯太爾系列橋齒輪分別采用等高齒和漸縮齒設(shè)計(jì)所得出的噪聲、接觸強(qiáng)度結(jié)論是：
a、 等高齒齒輪的噪聲比漸縮齒齒輪低，降噪效果明顯。
b、 等高齒設(shè)計(jì)的齒輪接觸強(qiáng)度比漸縮齒設(shè)計(jì)提高10%左右。
2．漸縮齒與等高齒加工特點(diǎn)比較：
|
優(yōu)點(diǎn)
|
缺點(diǎn)
|
|
|
漸縮齒
|
1、粗精切分開，精切刀具耐用度提高
2、齒面粗糙度好 3、接觸區(qū)在小輪的兩面分別修正，互不影響 |
1、機(jī)床、刀具品種多，不利于管理
2、一套齒輪需裝卸五次，勞動(dòng)強(qiáng)度大 3、國(guó)外某公司做過干切試驗(yàn)，每對(duì)齒輪累積生產(chǎn)時(shí)間為10～15分鐘，加工效率提高幅度不大 |
|
等高齒
|
1、由于采用連續(xù)分度法（即端面滾切法），只需2臺(tái)機(jī)床，大輪和小輪分別采用一把刀具完成切齒加工，生產(chǎn)效率高，干式切削每對(duì)齒輪的時(shí)間不超過10分鐘
2、一套齒輪只需裝卸一次，加工效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低 3、由于嚙合軌跡與切齒刀紋呈一定的角度，噪聲和平穩(wěn)性好 |
1、粗精切一次完成，齒面粗糙度不如漸縮齒好
2、由于凹面、凸面同時(shí)加工，兩面接觸區(qū)的調(diào)整和修正互相影響的，因而接觸區(qū)的調(diào)整和修正不如漸縮齒方便 3、刀具平均刃磨周期短，刀具成本高
|
3．關(guān)于磨齒與研齒問題：
a．等高齒雖然不能磨齒，但自1995年開始，奧利康公司已成功發(fā)明了研齒技術(shù)，這種技術(shù)沒有破壞淬火硬化表層，齒面共軛性好，噪聲低，且價(jià)格低廉，進(jìn)而大大地解決了汽車后橋齒輪噪聲問題。
b．磨齒技術(shù)面臨的問題：在日本這樣發(fā)達(dá)的國(guó)家，整個(gè)汽車齒輪行業(yè)擁有的弧齒錐齒輪磨齒機(jī)總共才幾臺(tái)，汽車用弧齒錐齒輪根本不磨齒，原因是：從產(chǎn)品性能上講，磨齒加工磨掉了齒輪熱處理后齒面硬化質(zhì)量最好的一層，正是這一層硬殼決定了齒輪的使用壽命。從降噪方面看，研齒的噪聲比磨齒的噪聲還要低3dB左右。
c．研齒效率高。研磨一對(duì)齒輪只需3~5分鐘，磨齒至少需30分鐘以上，因此有人說磨齒工藝是一種既貴又浪費(fèi)的工藝。從目前的情況看，磨齒適用于高轉(zhuǎn)速、高精度的航空齒輪和高精度的工業(yè)齒輪，而汽車行業(yè)則不必采用此工藝。研齒效率高，又適合大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本低，因而等高齒不能磨齒的問題對(duì)汽車齒輪來(lái)說不是缺陷。
二、 等高齒在國(guó)外的應(yīng)用現(xiàn)狀
等高齒與漸縮齒相比有強(qiáng)度高、噪聲低、加工效率高、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在發(fā)達(dá)國(guó)家已普遍得到應(yīng)用。國(guó)外已基本淘汰五刀法加工漸縮齒的工藝，紛紛改用兩刀法加工等高齒錐齒輪，如：德國(guó)大眾公司原來(lái)使用的幾十條五刀法生產(chǎn)線現(xiàn)已全部改為兩刀法加工等高齒；美國(guó)車橋公司在2007年就全部淘汰漸縮齒采用等高齒，美國(guó)克萊斯勒公司目前已全部采用等高齒。美國(guó)最大的車橋生產(chǎn)企業(yè)洛克威爾公司在新建的工廠也全部采用等高齒；許多世界知名的大公司如通用、福特以及豐田、本田都開始轉(zhuǎn)向等高齒加工。美國(guó)是漸縮齒弧齒輪的發(fā)源地，但目前在美國(guó)汽車齒輪行業(yè)已經(jīng)見不到其蹤影。
三、國(guó)內(nèi)等高齒的生產(chǎn)現(xiàn)狀
我國(guó)從七十年代開始就采用等高齒加工技術(shù)，主要用于加工乘用車的驅(qū)動(dòng)橋主被動(dòng)齒輪，也有少量應(yīng)用于工業(yè)齒輪。但當(dāng)時(shí)限于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，只有少數(shù)工廠擁有為數(shù)不多的幾臺(tái)奧利康設(shè)備，產(chǎn)品也較單一，當(dāng)時(shí)奧利康機(jī)床的精度不高，但技術(shù)復(fù)雜程度很高，所以等高齒錐齒輪的生產(chǎn)在中國(guó)沒有形成規(guī)模。中美建交以后，美國(guó)解除格里森設(shè)備對(duì)中國(guó)的出口禁令，格里森設(shè)備（包括二手設(shè)備）大量進(jìn)入中國(guó)，形成了國(guó)內(nèi)汽車驅(qū)動(dòng)橋螺旋錐齒輪普遍采用漸縮齒的局面。近年來(lái)隨著我國(guó)汽車工業(yè)大量引進(jìn)歐洲先進(jìn)技術(shù)和制造裝備，奧利康設(shè)備進(jìn)口逐漸增多，同時(shí)由于格里森鳳凰Ⅱ代也能夠加工等高齒，我國(guó)一些骨干企業(yè)開始對(duì)等高齒的優(yōu)良性能進(jìn)行嘗試和研究，等高齒的優(yōu)越性在中國(guó)逐漸被人們所認(rèn)識(shí)。目前，一汽、株齒等已擁有等高齒生產(chǎn)線，成批供應(yīng)等高齒產(chǎn)品，同時(shí)一些知名民營(yíng)企業(yè)如青特、廣東富華等紛紛上馬鳳凰Ⅱ代和奧利康C系列等高齒生產(chǎn)線，而一些規(guī)模較小的企業(yè)也紛紛引進(jìn)奧利康老式SKM機(jī)械系列等高齒機(jī)床和S30、S35等二手設(shè)備，準(zhǔn)備上馬等高齒項(xiàng)目。等高齒產(chǎn)品替代漸縮齒已成為多數(shù)企業(yè)家的共識(shí)和企業(yè)技術(shù)改造最求的目標(biāo)。
四、等高齒制造技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展前景和需要注意的問題
目前國(guó)內(nèi)加工等高齒的機(jī)床主要是奧利康公司的六軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑齒機(jī)，例如C20、C28、C50等系列產(chǎn)品，同時(shí)格里森公司也推出了鳳凰Ⅱ代全數(shù)控六軸聯(lián)動(dòng)銑齒機(jī)，能勝任于等高齒加工。但存在的問題前面已經(jīng)提到：由于等高齒加工采用一把刀具完成切齒加工，不像五刀法那樣采用粗、精分開工藝，所以對(duì)刀具壽命提出了苛刻的要求。受國(guó)內(nèi)齒坯材質(zhì)不均勻和等溫正火硬度不穩(wěn)定的影響，刀具刃磨周期很短。刀具磨損后雖然能切齒但齒面的粗糙度已達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，需重新磨刀、裝刀、調(diào)刀。由于磨刀、換刀效率很低，所以一臺(tái)銑齒機(jī)需要一臺(tái)昂貴的磨刀機(jī)和裝刀機(jī)與其配套，導(dǎo)致齒輪的制造成本隨之提高，出現(xiàn)目前等高齒“好供貨、不賺錢”的尷尬局面。對(duì)于生產(chǎn)廠家來(lái)說，要進(jìn)口大量的六軸銑齒機(jī)和磨刀機(jī)、調(diào)刀機(jī)是不現(xiàn)實(shí)的，由于設(shè)備數(shù)量少，刀具磨損快，目前在中國(guó)等高齒錐齒輪還沒有形成大批量生產(chǎn)的規(guī)模。
如何基于現(xiàn)有的進(jìn)口設(shè)備多產(chǎn)出，這是擺在國(guó)內(nèi)齒輪同行面前的一道難題。全部采用進(jìn)口齒輪材料延長(zhǎng)刀具的刃磨周期目前在中國(guó)是不可能的，因?yàn)樵趪?guó)內(nèi)生產(chǎn)的齒輪大幅度上調(diào)價(jià)格不能被車橋制造企業(yè)所接受。為此，河南科技大學(xué)、洛陽(yáng)科大越格數(shù)控機(jī)床有限公司與株洲齒輪有限公司達(dá)成共識(shí)，提出了等高齒加工粗、精分開的制造方案，其基本框架是在現(xiàn)有的兩刀法生產(chǎn)線上增加粗切機(jī)改為四刀法加工：
或
由于粗、精加工分開，精加工的刀具磨損大大減小，磨刀、調(diào)刀的時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度倍減，粗切對(duì)齒面質(zhì)量無(wú)特別要求、刃磨一次切齒件數(shù)大大增加，困擾企業(yè)磨刀、調(diào)刀的瓶頸問題迎刃而解。國(guó)產(chǎn)等高齒粗加工設(shè)備價(jià)格低廉，可以完全滿足粗加工的要求，也不需要增加磨刀機(jī)和調(diào)刀機(jī)就能滿足生產(chǎn)需要。
綜上所述，等高齒錐齒輪具有嚙合性能優(yōu)良、制齒效率高的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)口國(guó)外的等高齒加工設(shè)備是必要的，但不可照搬國(guó)外的工藝采用兩刀法加工。投入少量的資金購(gòu)買國(guó)產(chǎn)等高齒粗加工設(shè)備與國(guó)外進(jìn)口的精加工設(shè)備配套使用，可達(dá)到基本不增加投資、產(chǎn)量翻番的目標(biāo)，是一條非常適合中國(guó)國(guó)情的等高齒生產(chǎn)線升級(jí)改造方案。