当前汽车齿轮制造中的问题和解决途径

当前汽车齿轮制造中的问题和解决途径一、前言：当前国家齿轮行业协会提出“中国要从齿轮生产大国到齿轮制造强国”的发展奋斗目标。我国的齿轮行业，从二十世纪末期到二十一世纪的初期发展的速度非常快，行业的信化管理，数控化技术装备的采用，制造技术水平的提高，齿轮制造标准国际化，齿轮制造材料标准的提高等等都充分证明了这一点，甚至美国贸易委员会都惊呼！“中国将成为美国齿轮制造业潜在的竞争对手！”近年来尤其是我国的汽车齿轮制造行业发展更为突出，主要大型国家合资企业和少数私营合资企业的齿轮制造技术水平和现代化管理水平通过技术引进已接近西方发达国家水平。但是总观我国汽车齿轮制造业的绝大多数企业，要达到“从齿轮制造大国到齿轮制造强国”的目标，不论是在企业的现代化管理的实际水平上还是在齿轮的制造水平上还有相当的差距。从2002年到2004年期间，我们和了解我国汽车齿轮制造的西方发达国家的齿轮专家对汽车齿轮制造方面的技术问题进行多次交流和探讨。现将情况详述如下供大家参考。二、西方发达国家汽车齿轮制造水平西方发达国家汽车工业界广泛采用滚齿/插齿/剃齿/热处理工艺以便降低制造成本。同时采用齿轮齿面修形技术提高齿轮承载能力和降低噪音。珩齿的目的不是改变齿轮齿面形状或几何形状，而是改善齿轮表面粗糙度，为了降低成本在热处理后极少再采用珩齿工艺。对于要求特别高的齿轮有时采用不破坏齿面修形的珩齿工艺或磨齿工艺。现今，西方发达国家的汽车齿轮制造，剃后的齿轮热处理变形量能够控制在一定范围内，不需要进一步的精加工就可以满足轿车或卡车齿轮承载能力和噪音性能的要求，并且，通常所有齿轮都能进行较精确的二维（2D）甚至三维（3D）齿面修形。三、汽车齿轮制造与西方发达国家汽车齿轮制造的普遍差距。改革开放以来，我国少数大型国有合资企业和私营合资企业由于引进了原设计产品和先进的制造技术和管理，汽车齿轮制造水平已接近或达到西方发达国家汽车齿轮制造水平，基本上实现了采用滚齿/插齿/剃齿/热处理工艺将齿轮的变形量控制在满足轿车或卡车齿轮承载能力和噪音性能要求的范围内，热后不需要进一步的精加工，且产品稳定达到设计标准要求，如上海大众，一汽大众等企业。但是，我们的汽车齿轮制造业大多数仍然尚达不到这一水平，齿面修形技术开发应用也有相当的差距，主要体现在齿轮制造质量水平，与国际要求尚有较大落差，要想走向国际市场难度较大。四、根本原因目前，影响齿轮制造质量水平关键问题是热处理变形不稳定，难以控制，齿面修形技术的应用缺乏依据，修形设计与实际应用不能合理匹配，难以满足汽车高水平使用要求。1、齿轮制造材料少数齿轮制造材料的强度级别选择过高，增加了稳定热处理变形的难度，比如我们自己开发或仿制开发的汽车变速器齿轮，不论承载负荷的大小，结构复杂的不同，多数一律采用20CrMnTi或20CrMnMo等等，显然齿轮材料强度选用与实际应用载荷不挂钩。比较引进的变速器，箱内齿轮选用的材料强度是根据齿轮实际工作载荷的需要有所不同，材料强度与应用载荷挂钩，这就为齿轮制造能够减少热处理变形做了应有的合理化。从制造角度看，选择材料的化学成份，杂质、淬透性、有严格的标准要求和控制，我们大多数厂，对来厂原材料的批次，炉号，淬透性，投产前的确认控制的相当不规范，使热处理变形难以控制。2、锻造/正火/去应力/热处理/冷却油锻造/正火/退火/去应力/热处理/冷却油，这些与金相有关的工序控制不好，如锻造齿坯金相流线和齿坯材料加热温度的精确要求，严格的检验和控制。齿坯正火/退火后的金相及硬度均匀性的精确要求严格的检验和控制。齿坯粗车加工过程中产生很大的残余应力，应力检验和消除。热处理工艺及零件的装夹摆放和冷却油的温度、流动性、质量、选择控制等。如果整个上述工艺流程任何一部分未得到很好的控制就会在齿坯中留下高的残余应力，从而热处理时，会产生很大的不规则变形。外国专家们调查指出，我国大多汽车齿轮制造企业在上述各方面就实际情况看在精确严细要求和严格检验方面做的还有相当的距离。3、切齿工艺。切齿工艺控制不合理将进一步导致热处理变形的不稳定性。从齿轮滚齿/插齿到剃齿各工序间控制不严格，不合理，最终导致齿面上形成分布不均的过量残余应力，同样，齿面上残留的残余应力将使齿轮在热处理过程中产生变形。齿轮切削加工中齿面残余应力产生主要有以下原因：（1）缺乏机床规范的校准，没有科学便利的校准方法，当加工件不合格时，操作人员无法精确判断是否是机床所致，为了满足生产增加工序留量，给后序增加削切负荷。（2）缺乏切削模拟手段，对齿轮与刀具设计间的匹配性以及齿轮/刀具/机床调整等的匹配性等没有精确的计算方法和模拟切削。难以准确地检验齿轮切削过程中精度不达标的问题。切削刀具进厂质量和重磨刀具质量缺少严格控制，如在实际生产中，经常有滚/插序因设备、工装、刀具等问题无法排除用增加后序留量靠剃齿工序切削达到工序要求的现象，结果齿面虽然达到要求，实际上是强剃形成的齿面，在齿面上已产生较大的残余应力。另外目前为了提高效率多采用高速强力削切滚齿/插齿，由于削切参数不合理缺乏优化也给齿面造成残余应力。（3）缺乏找出降低制造质量根本原因的有经验的工程技术人才和操作者，以及排除影响因素的科学方法。上述问题在西方发达国家的汽车齿轮制造中都得到了很好的解决和控制，专家们说，现代汽车齿轮制造中，如果上述三大方面的问题得到合理的利用就很容易控制齿轮的质量，即可提高当前我们的齿轮制造质量水平。4、关于珩齿国内许多企业，当前，由于无法控制齿轮切削工序及金相有关工序产生过大的热处理变形，由于产品需要好的噪音品质性能的压力有些时候应用了热后珩齿工艺，结果破坏了热前的修形，造成了不合理的珩齿，提高了成本，但是由于修正了齿面粗糙度和齿面磕点等，虽然重新微量改变齿面原始修形，对降噪音还可能有一定效果，但不尽合理。5、关于齿面修形齿面修形关键在于提高齿轮承载能力和降低齿轮啮合传动噪音，齿面修形是在产品开发阶段确定的，它应有精确可靠的依据，齿面开发过程可以精确地定义目标/理想齿面形状，将齿面修形与实际整车各种载荷条件下的变速箱使用条件相匹配。目前我们自己开发设计的变速箱齿轮也开始采用齿面修形技术，往往是参考的，没有精确的开发过程，难以与实际使用载荷挂钩，致使生产后期检验合格的齿轮产品，装箱使用仍然产生偏载，造成满足不了使用要求的传动噪音，在加工中有时修形技术掌握不好，也适得其反。6、齿轮的检验生产线终端缺乏科学完善的齿轮传动误差检验设备，目前，多数企业现有齿轮成品检查设备精度低、落后、效率低。而且大多数传动误差检验设备都不能布置在生产终端全数检验。五、解决途径1、齿轮材料规范合理化。齿轮材料选择应该用科学的方法获得汽车变速箱内各档齿轮满足整车使用要求的使用载荷和冲击载荷的载荷谱，同时选用齿轮材料的强度性能，使齿轮材料强度性能与各档齿轮使用载荷谱相匹配，然后采用与实际生产相同的方法制造齿轮，采用与实际使用相同的润滑油进行试验，验证其合理性、以防止齿轮材料选择强度过高，对热处理稳定性不利。对于材料的质量，淬透性等问题除严格执行齿轮钢市场准入条件外，生产企业必须完善投产前材料批次、炉号、成份和淬透性的严格检验和控制，精确做到跟生产同步，用检验结果指导生产，使齿轮材料规范合理化。2、金相有关的工序合理化。锻造方式和流程合理、保证齿坯金相流线，夹杂级别，材料的组织结构、缺陷、裂纹、孔隙等建立精确要求，严格检查控制在允许范围内。正火/退火工艺合理，特别是温度和在各个温度下的保温时间、正火/退火后的硬度均匀性和组织规范要严格控制达到要求。3、去应力。齿轮切削工序中齿坯在粗车和滚齿/插齿/剃齿中由于大留量强力加工、加工后会留下残余应力，要设法检查现有齿轮齿坯齿面残余应力，决定是否采取手段做去除应力处理，外国专家们提出在汽车齿轮应用中，大约10%的齿轮在冷加工后产生较大的残余应力将导致热处理变形不可控制，需做去应力处理。4、切齿工序合理化齿轮设计，滚齿/插齿/剃齿刀具设计参数要合理匹配。齿轮精度和刀具精度的合理选用，齿轮精度等级对机床精度和刚性的要求合理化。齿轮的齿坯质量规范，滚/插/剃齿的质量规范对各种机床的精度/刚性使用的合理化，以上各因素使用合理将使切齿工序内形成的残余应力最小。5、热处理工艺热处理加热温度，时间，炉中气体介质以及固定或夹持零件方法合理优化。冷却油品质，油的流动性和油温的精确控制都必须有精确要求认真做到严格控制，以便保证热处理变形最小。6、建立科学严紧的齿面修形开发流程，学习齿面修形开发技术，使齿面修形与齿轮使用要求真正挂钩，掌握制造修形技术，以便使齿面修形满足使用要求达到控制齿轮偏载和噪音。六、结束语以上是近两年来我们与了解我国齿轮制造情况的西方汽车齿轮行业专家对我们齿轮制造中存在问题的交流研讨情况，他们的看法和建议我们认为对我们的汽车齿轮制造有重要的指导意义，为此提出与大家交流供大家参考。向汽车齿轮制造学会庆祝成立二十周年纪念献礼。二OO五年四月十四日