適合于中國國情的等高齒錐齒輪制造技術(shù)
河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院 鄧效忠
目前汽車驅(qū)動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，本文簡要介紹漸縮齒錐齒輪和等高齒錐齒輪的特點、國內(nèi)外兩種齒制的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析等高齒制造技術(shù)在中國的應(yīng)用前景。
一、 延伸外擺線等高齒錐齒輪的特點
1. 延伸外擺線等高齒錐齒輪（以下簡稱等高齒）相對于漸縮齒弧齒錐齒輪（以下簡稱漸縮齒）在以下方面有不同之處：
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齒形特征
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加工
方法
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設(shè)備數(shù)量
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加工效率
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強度
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噪聲
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能否磨齒
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漸縮齒
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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
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五刀法，五臺機床
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5
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使用機床多，工序多，調(diào)機時間長，效率相對低
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較低
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較高
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可以磨齒
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等高齒
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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
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兩刀法，
大小輪各在一臺機床上粗精加工 |
2
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連續(xù)滾切加工，效率高
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較高
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較低
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不能磨齒
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綦江齒輪有限公司運用美國格里森公司CAGE4 Win軟件對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)計所得出的噪聲、接觸強度結(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)計的齒輪接觸強度比漸縮齒設(shè)計提高10%左右。
2．漸縮齒與等高齒加工特點比較：
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優(yōu)點
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缺點
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漸縮齒
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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、機床、刀具品種多，不利于管理
2、一套齒輪需裝卸五次，勞動強度大 3、國外某公司做過干切試驗，每對齒輪累積生產(chǎn)時間為10～15分鐘，加工效率提高幅度不大 |
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等高齒
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1、由于采用連續(xù)分度法（即端面滾切法），只需2臺機床，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，干式切削每對齒輪的時間不超過10分鐘
2、一套齒輪只需裝卸一次，加工效率高，勞動強度低 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
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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，且價格低廉，進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)達的國家，整個汽車齒輪行業(yè)擁有的弧齒錐齒輪磨齒機總共才幾臺，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汽車齒輪來說不是缺陷。
二、 等高齒在國外的應(yīng)用現(xiàn)狀
等高齒與漸縮齒相比有強度高、噪聲低、加工效率高、工人勞動強度低等諸多優(yōu)點，因此在發(fā)達國家已普遍得到應(yīng)用。國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：德國大眾公司原來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；美國車橋公司在2007年就全部淘汰漸縮齒采用等高齒，美國克萊斯勒公司目前已全部采用等高齒。美國最大的車橋生產(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。美國是漸縮齒弧齒輪的發(fā)源地，但目前在美國汽車齒輪行業(yè)已經(jīng)見不到其蹤影。
三、國內(nèi)等高齒的生產(chǎn)現(xiàn)狀
我國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)動橋主被動齒輪，也有少量應(yīng)用于工業(yè)齒輪。但當(dāng)時限于經(jīng)濟發(fā)展水平，只有少數(shù)工廠擁有為數(shù)不多的幾臺奧利康設(shè)備，產(chǎn)品也較單一，當(dāng)時奧利康機床的精度不高，但技術(shù)復(fù)雜程度很高，所以等高齒錐齒輪的生產(chǎn)在中國沒有形成規(guī)模。中美建交以后，美國解除格里森設(shè)備對中國的出口禁令，格里森設(shè)備（包括二手設(shè)備）大量進入中國，形成了國內(nèi)汽車驅(qū)動橋螺旋錐齒輪普遍采用漸縮齒的局面。近年來隨著我國汽車工業(yè)大量引進歐洲先進技術(shù)和制造裝備，奧利康設(shè)備進口逐漸增多，同時由于格里森鳳凰Ⅱ代也能夠加工等高齒，我國一些骨干企業(yè)開始對等高齒的優(yōu)良性能進行嘗試和研究，等高齒的優(yōu)越性在中國逐漸被人們所認識。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，同時一些知名民營企業(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)也紛紛引進奧利康老式SKM機械系列等高齒機床和S30、S35等二手設(shè)備，準(zhǔn)備上馬等高齒項目。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)在國內(nèi)的發(fā)展前景和需要注意的問題
目前國內(nèi)加工等高齒的機床主要是奧利康公司的六軸聯(lián)動數(shù)控銑齒機，例如C20、C28、C50等系列產(chǎn)品，同時格里森公司也推出了鳳凰Ⅱ代全數(shù)控六軸聯(lián)動銑齒機，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，所以對刀具壽命提出了苛刻的要求。受國內(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不到設(shè)計要求，需重新磨刀、裝刀、調(diào)刀。由于磨刀、換刀效率很低，所以一臺銑齒機需要一臺昂貴的磨刀機和裝刀機與其配套，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。對于生產(chǎn)廠家來說，要進口大量的六軸銑齒機和磨刀機、調(diào)刀機是不現(xiàn)實的，由于設(shè)備數(shù)量少，刀具磨損快，目前在中國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)有的進口設(shè)備多產(chǎn)出，這是擺在國內(nèi)齒輪同行面前的一道難題。全部采用進口齒輪材料延長刀具的刃磨周期目前在中國是不可能的，因為在國內(nèi)生產(chǎn)的齒輪大幅度上調(diào)價格不能被車橋制造企業(yè)所接受。為此，河南科技大學(xué)、洛陽科大越格數(shù)控機床有限公司與株洲齒輪有限公司達成共識，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)刀的時間和勞動強度倍減，粗切對齒面質(zhì)量無特別要求、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。國產(chǎn)等高齒粗加工設(shè)備價格低廉，可以完全滿足粗加工的要求，也不需要增加磨刀機和調(diào)刀機就能滿足生產(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，進口國外的等高齒加工設(shè)備是必要的，但不可照搬國外的工藝采用兩刀法加工。投入少量的資金購買國產(chǎn)等高齒粗加工設(shè)備與國外進口的精加工設(shè)備配套使用，可達到基本不增加投資、產(chǎn)量翻番的目標(biāo)，是一條非常適合中國國情的等高齒生產(chǎn)線升級改造方案。