新能源汽車高精度齒輪加工技術分析

宋建科，劉利，李厚裕，來秋月，吳振威，云昊，歐陽毅騏

（天津理工大學 機械工程學院，天津300384）

0 引 言

近幾年，新能源汽車得到快速的發展和應用，但是其高速和長途續航里程依然不能滿足出行的需求，而提升新能源汽車傳動系統效率是減少運行能耗和延長續航里程的有效途徑之一[1]。新能源汽車相對于燃油汽車對整車的噪聲、振動和舒適性要求更加嚴格，對傳動系統的NVH問題更加敏感。采用高精度齒輪的多擋位自動變速器對提高新能源汽車動力性、延長新能源汽車續駛里程、優化新能源汽車電驅動系統總成性能、降低新能源汽車整車質量和成本、改善新能源汽車駕乘感受等都具有重要作用。因此，新能源汽車對傳動齒輪的精度和加工質量具有更高的要求。如圖1所示，高精度漸開線圓柱齒輪是新能源汽車傳動系統關鍵零件，其加工技術復雜，對加工設備、加工精度和工件表面質量要求高，此類齒輪的制造工藝尚不成熟、效率低、成本高，甚至需要大量進口。因此，有必要針對新能源汽車高精度傳動齒輪加工工藝進行分析，為高效加工工藝研究提供基礎。

圖1 漸開線圓柱齒輪

1 汽車齒輪典型加工工藝分析

目前，汽車齒輪機械加工過程中，通常采用的加工工藝為：車削鍛造毛坯→切齒（滾齒/插齒）→剃齒→滲碳淬火→磨齒[2]，滾齒和磨齒工藝過程如圖2所示。齒輪毛坯為模鍛而成；采用數控車床在一次裝夾的條件下完成毛坯的外圓表面、內孔表面和端面的車削，保證齒坯具有較好的精度，為后序的高質量加工提供基礎；采用滾齒的方法進行齒形的粗加工(滾齒機的加工精度為IT10～IT7級)；剃齒一般應用于未進行淬火熱處理齒輪齒形的精加工(精度可達IT7～IT6級)，但是剃齒不能修正分齒誤差，剃齒后的精度只能比剃齒前提高一級；汽車齒輪的工作任務比機床齒輪要繁重得多，因此在耐磨性、疲勞強度、心部強度和沖擊韌性等方面的要求均比機床齒輪要高，選用滲碳鋼制造并經滲碳熱處理才能滿足其性能要求；最后以磨削加工的方法對經過熱處理的齒輪內孔、端面、軸的外徑等部分進行精加工，進而提高尺寸精度和減小形位公差，磨削加工可達的經濟精度為IT6～IT4級，表面粗糙度為Ra0.2～0.8 μm。珩磨作為一種特殊的磨削加工技術，是精加工中的一種高效加工方式，可以安排為最后加工工序，劃分為光整加工階段，具有加工精度高、表面質量好、加工效率高等特點，可將表面粗糙度降低到Ra0.20～0.05 μm[3]。但是，汽車齒輪典型的加工工藝已經無法滿足綠色節能的新能源汽車對傳動齒輪加工過程提出的高精度、高質量和高效率的要求，因此，必須進行新的高效高質量加工工藝研究。

圖2 齒輪加工過程

2 高精度齒輪加工技術及措施

1)硬齒面加工技術。

硬齒面加工技術主要應用于熱處理后齒面硬度高于45 HRC的齒輪精加工，目的是提高齒輪精加工的效率、質量和降低加工成本，主要加工方法是針對硬齒面的剃齒、精滾(刮研)、磨齒和珩齒等，相對于傳統加工工藝，硬齒面加工方法對機床、刀具材料和涂層、工具技術等提出更高的要求。

隨著刀具材料、刀具設計和制造技術的提升，硬齒面刀具得到快速發展，促進了硬齒面加工技術在高精度齒輪加工中的應用。滾齒和剃齒過程主要應用具有涂層的高速鋼與硬質合金刀具；珩齒和磨齒可以使用CBN或金剛石超硬磨料的電鍍或燒結磨具，CBN砂輪成形磨齒如圖3所示。并且在刀具設計時將粗、精加工刀具設計成組合刀具，減少工序數量。采用涂層高速鋼或硬質合金刀具進行硬齒面剃齒和精滾，齒輪精度可以達到IT6～ IT5級；采用超硬刀具材料砂輪進行硬齒面珩齒和磨齒，相對于傳統工藝，可以明顯降低表面粗糙度，提高表面質量，提高精度1～2級，加工效率是常規齒面磨齒的25倍以上[4]。為了適應硬齒面齒輪加工的需求，所用加工機床更加注重數控技術、高速加工和多功能性。

2)強力珩齒技術。

由于齒輪加工常用的“滾齒→剃齒→熱處理→磨齒”工藝在高精度汽車變速箱齒輪加工中存在的局限性，其難以滿足齒輪技術要求。對熱處理后的硬齒面進行磨削，進而采用珩齒的方法提高質量，加工成本較高。但是，采用強力珩齒直接對硬齒面加工，是高精度齒輪加工的高效方法。強力珩齒技術可以使齒輪精度達到IT5級以上，當制造成本與傳統工藝接近的條件下，可以獲得更高的加工精度、表面質量和加工效率，展現出良好的經濟效益。

圖3 CBN砂輪磨削硬質面及所用砂輪

強力珩齒的齒形齒向修正量可以大于0.05 mm，可以修正熱處理變形和微缺陷，表面粗糙度可以達到Ra0.2 μm以下，加工過程如圖4所示。熱處理后采用強力珩齒的工藝，可以減少磨齒導致的表面磨紋，避免變速器齒輪嚙合過程中產生的諧振和噪聲[5]；齒面具有較大的殘余壓應力，顯著增大了齒輪強度、耐磨性及抗點蝕性能；強力珩齒過程中刀具相對齒面滑動同時去除工件材料，切削速度較低，避免了磨齒過程中高速磨削產生的齒面燒傷；相對于磨齒，珩齒能對帶臺肩的齒輪進行加工；雖然精度略低于磨齒加工，但強力珩齒成本和綜合效率明顯優于磨齒工藝。珩齒成本大約為剃齒的50%和磨齒的20%。因此，在汽車變速器高精度齒輪加工中應用強力珩齒工藝具有很大的優勢，并提高變速器運行可靠性和穩定性，延長大修周期，減少汽車NVH問題。汽車變速器高精度齒輪加工工藝路線可以 簡 化 為滾→剃→珩，甚至可以在滾齒后直接進行強力珩齒。此技術也是依賴于數控 機 床 和CBN 超硬材料砂輪的應用。

圖4 強力珩齒過程

3 結 論

典型的“切齒→剃齒→滲碳淬火→磨齒”的齒輪加工工藝已經無法滿足汽車工業的需求，需要進一步開發新的加工技術和工藝。可以將傳統加工工藝與硬齒面加工技術和強力珩齒技術融合，在縮減加工成本和提高加工效率的前提下加工出高精度和高質量的傳動齒輪。