汽车齿轮加工的新技术和发展动向

汽车齿轮加工的新技术和发展动向庄中北京齿轮总厂当前国内外汽车齿轮的制造工艺还是以切削加工为主，以变速器圆柱齿轮为例，主要仍是采用传统的滚、插、剃齿工艺；在过去国内曾介绍的，如美国Gleason公司开发的G-TRAC轨道式切齿机、美国Sipco公司开发的双刀盘高效切齿法（Tangear）、圆柱齿轮外齿拉削法（PotBroaching）、美国MichiganTool公司开发的多刀头插齿法（Shear-SpeedShaping）以及德国Carl-Hurth公司和日本三菱重工先后开发的热后硬齿面精加工（HardGearFinishing）等加工工艺至今并没有得到推广应用。而近来随着汽车工业中高速和重型汽车的发展，特别是对汽车齿轮降低噪声要求的不断提高，磨齿和珩齿作为齿轮热后精加工工艺的应用正日益增多，为此当今变速器圆柱齿轮采用的加工工艺可归纳如下：齿坯切齿（滚、插）剃齿剃齿剃齿剃齿热处理热处理热处理热处理热处理热处理热处理磨齿磨齿磨齿磨齿珩齿珩齿珩齿珩齿切齿（滚、插）下面想就国外汽车齿轮加工技术的新发展做一介绍，从中也可看出和国内的差距。一、齿轮加工的干切技术在齿轮切削加工中长期以来一直使用着切削油，它不仅造成工厂作业环境的污染，同时也会危及操作者的健康；另外切削油的使用而发生的相关费用，如：废油处理费、切削油费、油雾分离器和切削油循环系统的耗电费等等也会增加制造成本，在一些国家有关切削油处理的费用甚至达到了加工总费用的15%~30%。为此，对环保要求越来越严的欧、美、日等国的一些齿轮机床生产厂大力主张推进无切削油的干切技术。为了实现真正的干切削，首先要研制开发出用于干切技术的刀具和机床。用于干切技术的刀具要能够保持稳定的寿命，相应的机床要能够将高温的切屑迅速排出。在齿轮加工领域随着机床设计技术的提高以及刀具材料和镀层技术的飞速发展，当今国外齿轮干切技术已经得到了快速的发展并收到了较好的社会效益。1.滚齿干切技术日本于20世纪70年代初开发出了用硬质合金滚刀生产圆柱齿轮的干切技术并投放市场，如三菱重工和Kashifuji公司分别生产的硬质合金滚齿机。我国在20世纪80年代初由成都工具研究所、北京齿轮总厂、重庆机床厂和上海材料研究所等单位共同承担了开发硬质合金滚刀高速滚齿这一课题，成功应用硬质合金滚刀的干切技术来加工北齿生产的212变速器中m=3.175的一倒档齿轮，为此获得了当时一机部的科技成果奖，但因多种原因未能坚持，目前该项技术还只是应用在变速箱同步器齿毂这种小模数、短齿的产品生产加工中，在国内尚没有普遍推广应用。即使在最先推出该项技术的日本也没有能得到普及，硬质合金滚刀易产生崩刃从而影响刀具的使用寿命是其在实际生产中没有能够普及应用的主要原因。为了解决硬质合金滚刀崩刃的问题，近年来欧、美、日的一些著名齿轮机床生产厂家如日本三菱重工和Kashifuji公司，美国Gleason-Pfauter公司，德国Liebherr公司,意大利SU公司等均相继开发出了用高速钢滚刀进行干切滚齿的技术，生产出适用于干切技术的机床和刀具投放市场并取得了较好的效果。⑴干切削滚齿用的滚刀和切削比较日本三菱重工开发的干切滚刀是在提高耐磨性的特殊高速钢材料（牌号为MACH7）上进行耐热、耐磨的特殊镀层（TiAlN）处理，被称为“超级干切滚刀”（Super-dryHob）,在进行切削工件为：m=2.05，z=49,β=21.5°,b=40,材料SCM415,170HB；滚刀为De=75，3头，槽数16,切削速度v=200米/分，走刀量S=2.4毫米/转，同旋向顺铣之干切和湿切（TiN涂层，V=100米/分）的比较结果显示：干切比湿切可提高加工效率2倍，刀具寿命可提高5倍，同时由于没有使用切削油，干切的生产成本可降低40%之多。⑵干切滚齿加工机床日本三菱重工开发出的专用于干切技术的GE系列滚齿机，在机床切屑落下的位置配置有切屑输送器，同时利用压缩空气来将高温的切屑几乎和床身没有接触就被迅速排出了，这样就可以抑制由于热切屑而引起滚齿机的热变形。为此，有的滚齿机就设计成卧式布局，这样更方便于切屑的下落和排出，如三菱重工的GN系列滚齿机。有的公司更是推出了干、湿两种切削方式均可应用的滚齿机，如日本Kashifuji公司生产的KN、KE、KS等系列滚齿机。2.插齿干切技术除滚齿外，国外也开发了插齿干切技术，如日本三菱重工、唐泽铁工均开发出干切技术专用于插齿机。日本三菱重工生产的SE25A插齿机，使用高速钢干切插齿刀，粗插切削速度可比湿插提高1.5~2倍，加工效率提高1.3~1.5倍，刀具寿命可提高3~5倍，该插齿机在设计上除考虑机床的刚性和排屑外，还采用平衡轴来降低高速插齿时的振动和噪声。3.螺旋锥齿轮的干切技术在世界上生产螺旋锥齿轮和准双曲面齿轮机床占主导地位的美国Gleason公司近年来开发出采用硬质合金刀具强力干切锥齿轮的加工技术（GleasonPower-dry-cutting）受到了世人的关注，并取得了较好的经济效益。⑴强力干切用的螺旋锥齿轮铣齿机Gleason公司的六轴全CNC控制PhoenixCNC准双曲面齿轮铣齿机采用特殊高速主轴，刀盘主轴最高转速可达2000r/min，这在以往传统的摇台式切齿机上是不可能实现的。同时由于取消了复杂的齿轮传动链等传动机构，保证了平衡的刀轴运动以避免高速切削时主轴升温。Gleason公司根据空气动力学原理，在机床加工区内装有自己独创的切屑排出装置，即将刀轴头和加工区围在一切屑排除容器内，利用2个高压空气喷嘴将切屑吹向机床后部的挡板处，使其远离刀具和工件，加工中产生的热约有80%随着切屑一起排出机外，切屑排除容器的正面可在横向很方便地回转，这样便于更换刀具。⑵强力干切用的刀具Gleason强力干切法采用Gleason公司最新开发的PENTAC刀具，即整体式棒状硬质合金刀头。硬质合金刀头在Gleason公司的300CG刀盘磨床上用塗有金刚石的砂轮进行刃磨，刀头用的硬质合金材质为瑞典Sandvik公司的H10F，相当于ISO标准的“K”牌号。刀头切削面上进行TiAlN镀层。⑶强力干切的经济性比较Gleason公司在Phoenix450HC切齿机上进行了两种切削方式的比较，结果表明强力干切法比原来的切削方式显示出较好的效益，如切削相同齿轮,原来每切一个齿轮需消耗119.85KW.min电力，而强力干切削只需30.75KW.min,相当于用原来电力的1/4就可以加工出,而在相同的切削条件下加工大、小轮,强力干切法和原来加工方法相比,其加工时间分别为原来的1/2和1/3。虽然强力干切法使用镀层硬质合金刀头的成本增加了，但由于提高了刀头的寿命，减少了刃磨的次数以及节省了与切削油相关的费用，特别是由于提高了生产效率而降低成本，所以总的来讲还是提高了经济效益，一般可降低齿轮的总成本约28%左右。由于干切技术必将是今后发展的趋势，随着国内对环境污染的要求也会愈来愈严以及干切技术显示的优越性，该项技术也引起国内不少齿轮生产厂家的兴趣，为此也引进了该项技术，如为韩国现代汽车独家配套变速器的北京Mobis公司在2007年初投产的二期工厂中就全部引进了美国Gleason-Pfauter公司和德国Liebherr公司的干切滚齿机进行滚齿加工;又如浙江中马和保定长城变速器厂也分别引进了日本Kashifuji公司的多台干切或干湿式两用滚齿机。在2007年4月北京国际机床展览会上南昌齿轮厂购买了Gleason公司Phoenix凤凰第二代275HC干切和湿切两用的锥齿轮铣齿机，据称株洲汽车齿轮厂也正在引进中。目前国内也有不少单位对该“绿色制造”的干切滚齿技术进行开发研究，如重庆大学等单位进行的滚齿机干切适应性技术的研究，重庆机床厂开发的YK3160干切滚齿机等，但国内在干切切齿技术的开发应用方面与国际水平相比还存在着明显的差距。二、无斜齿导套的斜齿插齿机插齿机在加工直齿或斜齿轮时均通过导套来完成切削运动，在插斜齿轮时要用螺旋导套。插斜齿轮要求插齿刀的螺旋角和工件螺旋角相等，而螺旋导套的导程和插齿刀的导程要求相等，通常在加工一种斜齿轮时就要求用一种螺旋导套，加工不同斜齿轮时就要更换不同的导套。但由于导套一是制造复杂、制造周期长，二是更换导套也比较麻烦，所以在新产品开发时，插斜齿就成为开发新产品的制约瓶颈口，为此一种方法是将插斜齿的齿轮在结构允许下改成两体，如我厂在五十铃MSB中间轴加工时就采用此办法，另一种方法是在已有导套的前提下更改工件螺旋角等参数来凑导套的导程，如我厂1252分动器内齿圈设计时就用此办法，但这两种方法都有其局限性，所以多年来人们一直期望能开发出不用斜齿导套就能插斜齿轮的插齿机床。21世纪初日本三菱重工在世界上首先开发出了不用螺旋导套的用CNC控制，即用伺服电机（称为电子导轨）来实现插斜齿齿轮的ST系列插齿机，它可以说是一划时代的产品，最方便于新产品的开发和小批量多品种插斜齿齿轮，其优点是不言而喻。目前还有美国Gleason-Pfauter公司生产的GP系列不用螺旋导套的插齿机，所以至今还只有这两家公司推出这种插齿机。国内现有北京Mobis公司、杭维克公司引进了美国Gleason-Pfauter公司生产的这种插齿机，据说南昌齿轮厂、奇瑞变速器厂和上汽齿则购买了日本三菱重工的无斜齿导套插齿机。而对国内插齿机生产厂家来说，该项技术还属于是一空白。三、同步式剃齿机剃齿是齿轮精加工的一种方法，剃削时由剃齿刀带动工件旋转，两者之间是没有传动链，利用剃齿刀和工件无侧向间隙的螺旋齿轮副啮合，两者在接触点的速度方向不一致使被加工齿轮的齿侧面沿剃齿刀的齿侧面滑移，而剃齿刀的齿侧面上有许多小槽，槽与齿侧面的交线就是切削刃，齿轮齿侧面沿它滑移时就切下极细的切屑。剃齿在修正齿形、齿向误差以及提高齿面粗糙度方面具有较好的效果，特别是剃齿生产效率高，比磨齿成本低，所以至今在齿轮精加工中应用较广泛。但这种剃齿方法也有一定的缺点，由于是自由传动，在剃齿加工反向旋转时容易造成转速波动（丢转）而影响齿形修正能力，特别是修正轮齿齿圈径向跳动误差时会转化为切向误差，即加大了齿距误差，所以目前国外开发了一种同步式剃齿机，如日本三菱重工开发的FS系列同步式剃齿机，据三菱重工介绍，该剃齿机的剃齿刀和工件之间有强制传动链，通过同步控制剃刀轴和工件轴的啮合传动不但可修正齿形、齿向，同时更可以修正齿距误差和齿圈径向跳动，同时由于剃刀只要一个方向旋转，不需反转则可完成加工，所以可缩短30％的加工时间，进一步提高了剃齿效率；另外现有自由传动剃齿机在旋转启动以及正、反转切换时产生的加、减速会产生过大的负荷而使剃刀容易磨耗且会造成工件齿面损伤，而同步式剃齿机可完全避免这种现象。但国外也有公司开发后，经试验认为同步式剃齿机会使剃齿刀磨损过快，剃后齿面粗糙度较差。四、磨齿加工的应用磨齿是齿轮精加工的一种方法，目前不但变速器圆柱齿轮采用磨齿工艺愈来愈广，在汽车行业螺旋锥齿轮生产中也开始推广应用磨齿工艺。磨齿其最大优点是能加工淬硬齿轮，特别对国内由于材料、锻件正火以及热处理变形等因素的影响，虽然热前保证了轮齿的精度，但热后由于变形就不易保证了，这是磨齿工艺越来越引起人们重视的重要原因。1．圆柱齿轮磨齿加工变速器圆柱齿轮的精加工方法主要是剃齿和磨齿，但磨削齿轮的齿面粗糙度和精度要高于剃齿，特别可修正热后的变形。20世纪80年代中期，长春一汽从日本日野汽车公司引进了变速器的生产技术，其齿轮精加工就采用了磨齿工艺，为此一汽在汽车齿轮行业中曾大力介绍采用磨齿工艺，当时在汽车齿轮行业中讨论非常热烈。限于当时的条件，大多数厂家认为磨齿效率低、成本高不易在大批量汽车齿轮行业中推广应用。但当今随着NC磨齿机的发展，磨齿效率的不断提高、砂轮修整的简约化以及CBN磨轮的应用，特别是对汽车变速器齿轮要求精度的提高以及重型汽车变速器在中心距不变条件下为提高齿轮强度而加大齿面宽时，为了保证齿向精度采用磨齿工艺也是必然的趋势，所以热后磨齿代替热前剃齿的加工工艺应用会愈来愈广。在一些国家的某些重型车变速器齿轮以及日本、欧洲一