齒輪制造技術創新及發展趨勢思考與建議

■ 寧夏天地奔牛實業集團有限公司 （石嘴山 753001） 喬燕芳

正高級工程師 喬燕芳

1.齒輪制造技術總體發展趨勢

自20世紀80年代以來，隨著一大批先進的制造技術和計算機技術廣泛應用，我國的齒輪制造技術取得了突飛猛進的發展，一些技術達到甚至超過了發達國家的水平。從近兩年來各地舉辦的國際機床展覽、數控機床展覽及工博會等各種專業展會及其他渠道獲得的信息來看，現代齒輪制造技術及設備呈現出以下發展趨勢和特點：

（1）數控化和高精度。無論是圓柱齒輪還是圓錐齒輪，目前所有的加工設備都實現了CNC控制和各軸聯動的高度數控化，大質數齒輪加工已經不再是難題；同時，齒輪制造精度不斷提高，一些低速重載硬齒面齒輪制造精度達到了國際標準5級。無論是軟齒面、中硬齒面還是硬齒面齒輪，設備的數控化和產品的高精度幾乎是整個齒輪制造行業不斷追求的目標。

（2）高速高效。隨著齒輪加工刀具材料及性能的提高，齒輪加工設備的高速、高效切削得到了飛速發展，且技術趨于成熟。傳統的齒輪滾齒機逐步被主軸轉速達到5 500r/min、工作臺轉速達800r/m的高效滾齒機取代，磨齒機大功率主軸系統使機床可使用直徑和長度均較大的砂輪進行磨削，高效率的齒輪成形磨削技術已全面替代了展成磨削，基本消除了磨削裂紋缺陷，極大地提高了齒輪磨削品質。

（3）運動復合。由于一些多品種、小批量精密齒輪制造業務的需求，一些高精度的復合加工設備應運而生，其特點是在1臺設備上或1次裝夾中就可以完成齒輪的外形車、銑加工和齒形的加工以及其他多道工序，不但提高齒輪的加工效率，更重要的是避免了多次裝夾造成的人為誤差，從而提高了齒輪精度。通過這種高精度的復合機床實現了高品質人字齒輪無退刀槽的技術創新。

（4）智能制造技術飛速發展。隨著“工業4.0”概念的提出及“中國制造2025”的重大決策和部署，智能制造、智能檢測及機器人智能化已成為國內外制造業新的時代趨勢。

2. 國內齒輪制造技術及創新的發展狀況

盡管目前國內齒輪制造技術及設備取得了不菲的創新業績，但是在國內一些有實力的制造企業生產現場，看到的幾乎是清一色的進口設備，尤其是一些高精尖的制造技術，很難看到國產設備的身影。例如，齒輪制造技術含金量最高的磨齒和圓錐齒輪制齒技術方面，以德國Hofler公司為代表的圓柱磨齒技術和Klingelnberg公司的螺旋錐齒輪加工技術、美國的Gleason漸縮齒加工技術仍然占據了國內齒輪制造領域的大部分江山，Hofler磨齒機、Klingelnberg切齒機及Gleason銑齒機幾乎成為重載齒輪、汽車齒輪等行業的標配技術，一臺進口設備動輒幾千萬元對許多企業來說只是一件奢侈品，先進的齒輪加工品質和穩定的設備性能使得擁有進口設備的數量成為國內企業對外宣傳引以為豪的實力。這也從一個側面證實了國內外齒輪尖端制造技術及制造設備的差距所在。

令人欣喜的是，從2005年底到現在，國內以曾韜教授為學術帶頭人的科研團隊和中大創遠公司等單位破解了國外齒輪設計理論，在螺旋錐齒輪數字化生產技術方面取得了重大突破。自主研發的螺旋錐齒輪專家系統包括設計計算軟件、齒坯分析、切齒調整軟件、測量中心、磨刀系統及齒面反調系統等，形成一個智能制造的閉環系統。他們生產的高端數控錐齒輪銑齒機（見圖1）能夠同時加工Gleason和Klingelnberg（見圖2）兩種齒制的產品，在CIMT2017國際機床展覽會上，現場演示采用干切削方式生產一件模數mn=10的錐齒輪產品，僅5min時間就完成了加工。機床的某些性能甚至超越了德國產品。

但是，國內能夠取得如此創新成績的企業依然是鳳毛麟角。而且，國產螺旋錐齒輪制造設備在切齒刀盤研發質量上還需要進一步完善改進，雖然切齒效率達到趕超進口的水平，但機床配備的英寸制刀盤還沿用Gleason技術，與Klingelnberg切齒刀盤相比，存在的缺點是刀盤的通用性差，現場切齒調整工藝復雜。同時由于原理不同，加工出的齒輪產品不能與國外設備加工的同一產品互換，動搖了一些已配備國外同類機床用戶的采購決心，市場競爭力還需要加強。

3. 對國內齒輪制造技術發展的建議

作為一名從業20多年的齒輪制造技術人員，筆者認為，國內的齒輪制造技術除了要在高性能、高精度及智能制造方面緊跟世界前沿技術，還應考慮國內的國情，從企業實際需求出發，在磨齒機、螺旋錐齒輪制齒技術、檢測技術和設備等方面攻克技術難題，徹底打破國外企業在中國一枝獨秀的局面，變跟跑為領跑，提高高端設備的國產化率。

圖1 國產數控錐齒輪銑齒機刀盤及齒輪裝夾方式

圖2 Klingelnberg切齒機加工過程

據了解，國內的許多工程機械及重載設備領域，圓柱內齒輪的制造品質及效率一直是制約產品品質和效率的瓶頸。以筆者所在企業為例，大量的內齒輪制造需要傳統的插齒技術實現。效率低、刀具成本高，部分產品因熱處理變形的制約，精度受到限制且不穩定。制約了企業產品質量的進一步提升。廣大企業迫切需要一種先進、高效的創新技術替代傳統的插齒技術。目前，國內市場上已經出現了一些創新性的內齒銑齒、車齒技術，且刀具也已經實現了國產化，但是機床規格不全，只是考慮到了汽車齒輪等大批量生產領域，多品種、小批量生產的其他行業仍然無法實現效率和制造品質的全面提升。

車齒（又叫刮齒）工藝早在20世紀初就已經實現，Wilhelm von Pittler在1910年就已經注冊了這項專利，但是該技術由于對機床控制和切削刀具具有非常高的要求，使得這項本身展現了生產力和靈活性的先進工藝在那個時代并不具有可行性。隨著切削材料及涂層技術、機床設計及控制技術的不斷提升，使得車齒工藝成為現代齒輪加工中一個有趣的替代工藝。可以濕式及干式條件下制造，環保高效。目前，國內的秦川機床集團等單位研發的車齒機（見圖3），與同類型的插齒機相比，效率能夠達到4～8倍甚至10倍的提高，且可以消除熱處理變形對制造精度的影響。相信在不久的將來，這項創新性的先進工藝必將全面替代傳統的插齒技術成為內齒加工及雙聯齒輪加工領域的新寵。

圖3 秦川機床集團生產的車齒機

4. 結語

國內的齒輪制造技術及創新能力與德、日、美等發達國家相比，未來還有很長的一段路要走，相信在不久的將來，中國人一定能用自己的智慧，在世界齒輪制造尖端技術領域，贏得該有的世界地位。廣大的企業技術人員，也期盼著能早一天用我們自己的國產設備，制造出一流品質的產品。

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