齿轮材料发展史

齿轮发展史齿轮作为各种机械传动设备中的重要装置，具有传动平稳，承载能力强等优点，有着广泛的应用范围与前景。采用适当的材料制作齿轮及对其进行正确的热处理，可大大提高齿传动的可靠性，延长齿轮寿命。本文论述了常用齿轮材料的种类、特点以及齿轮材料的发展。据史料记载，远在公元前400~200年的中国古代就巳开始使用齿轮，在我国山西出土的青铜齿轮是迄今巳发现的最古老齿轮，作为反映古代科学技术成就的指南车就是以齿轮机构为核心的机械装置。17世纪末，人们才开始研究，能正确传递运动的轮齿形状。18世纪，欧洲工业革命以后，齿轮传动的应用日益广泛；先是发展摆线齿轮，而后是渐开线齿轮，一直到20世纪初，渐开线齿轮已在应用中占了优势。早在1694年，法国学者PhilippeDeLaHire首先提出渐开线可作为齿形曲线。1733年，法国人M.Camus提出轮齿接触点的公法线必须通过中心连线上的节点。一条辅助瞬心线分别沿大轮和小轮的瞬心线(节圆)纯滚动时，与辅助瞬心线固联的辅助齿形在大轮和小轮上所包络形成的两齿廓曲线是彼此共轭的，这就是Camus定理。它考虑了两齿面的啮合状态；明确建立了现代关于接触点轨迹的概念。1765年，瑞士的L．Euler提出渐开线齿形解析研究的数学基础，阐明了相啮合的一对齿轮，其齿形曲线的曲率半径和曲率中心位置的关系。后来，Savary进一步完成这一方法，成为现在的Eu-let-Savary方程。对渐开线齿形应用作出贡献的是RoteftWUlls，他提出中心距变化时，渐开线齿轮具有角速比不变的优点。1873年，德国工程师Hoppe提出，对不同齿数的齿轮在压力角改变时的渐开线齿形，从而奠定了现代变位齿轮的思想基础.19世纪末，展成切齿法的原理及利用此原理切齿的专用机床与刀具的相继出现，使齿轮加工具军较完备的手段后，渐开线齿形更显示出巨大的优走性。切齿时只要将切齿工具从正常的啮合位置稍加移动，就能用标准刀具在机床上切出相应的变位齿轮。1908年，瑞士MAAG研究了变位方法并制造出展，后来，英国BSS、美国AGMA、德国DIN相继对齿轮变位提出了多种计算方法。为了提高动力传动齿轮的使用寿命并减小其尺寸，除从材料，热处理及结构等方面改进外，圆弧齿形的齿轮获得了发展。1907年，英国人FrankHumphris最早发表了圆弧齿形。1926年，瑞土人EruestWildhaber取得法面圆弧齿形斜齿轮的专利权。1955年，苏联的M．L．Novikov完成了圆弧齿形齿轮的实用研究并获得列宁勋章。1970年，英国Rolh—Royce公司工程师R．M.Studer取得了双圆弧齿轮的美国专利。这种齿轮现已日益为人们所重视，在生产中发挥了显著效益。随着生产的发展，齿轮运转的平稳性受到重视。1674年丹麦天文学家罗默首次提出用外摆线作齿廓曲线，以得到运转平稳的齿轮。18世纪工业革命时期，齿轮技术得到高速发展，人们对齿轮进行了大量的研究。1733年法国数学家卡米发表了齿廓啮合基本定律；1765年瑞士数学家欧拉建议采用渐开线作齿廓曲线。19世纪出现的滚齿机和插齿机，解决了大量生产高精度齿轮的问题。1900年，普福特为滚齿机装上差动装置，能在滚齿机上加工出斜齿轮，从此滚齿机滚切齿轮得到普及，展成法加工齿轮占了压倒优势，渐开线齿轮成为应用最广的齿轮。1899年，拉舍最先实施了变位齿轮的方案。变位齿轮不仅能避免轮齿根切，还可以凑配中心距和提高齿轮的承载能力。1923年美国怀尔德哈伯最先提出圆弧齿廓的齿轮，1955年苏诺维科夫对圆弧齿轮进行了深入的研究，圆弧齿轮遂得以应用于生产。这种齿轮的承载能力和效率都较高，但尚不及渐开线齿轮那样易于制造，还有待进一步改进。齿轮的齿面应具有较高的耐磨损、抗点蚀、抗胶合及抗塑性变形的能力，而齿根要有较高的抗折断的能力。常用的齿轮材料是钢、铸铁和非金属材料。1、锻钢钢材的韧性好，耐冲击，还可以通过热处理或化学热处理改善其力学性能及提高齿面硬度，故最适应于用来制造齿轮。除尺寸过大（da＞400~600mm）或者是结构形状复杂只宜铸造者外，一般都用锻钢制造齿轮，常用的是含碳量在(0.15～0.6)%的碳钢或合金钢。2、铸钢铸钢的耐磨性及强度均较好，但应经退火及正火处理，必要时也可进行调质。铸钢常用于尺寸较大的齿轮。3．铸铁灰铸铁性质较脆，抗冲击及耐磨性都较差，但抗胶合及抗点蚀的能力较好。灰铸铁齿轮常用于工作平稳、速度较低、功率不大的场合。4．非金属材料对高速轻载及精度不高的齿轮传动，为了降低噪声，常用非金属材料（如夹布胶木、尼龙等）做小齿轮，大齿轮仍用钢或铸铁制造。为使大齿轮具有足够的抗磨损及抗点蚀的能力，齿面的硬度应为250～350HBS。材料制造齿轮常用的钢有调质钢、淬火钢、渗碳淬火钢和渗氮钢。铸钢的强度比锻钢稍低，常用于尺寸较大的齿轮；灰铸铁的机械性能较差，可用于轻载的开式齿轮传动中；球墨铸铁可部分地代替钢制造齿轮；塑料齿轮多用于轻载和要求噪声低的地方，与其配对的齿轮一般用导热性好的钢齿轮。未来齿轮正向重载、高速、高精度和高效率等方向发展，并力求尺寸小、重量轻、寿命长和经济可靠。而齿轮理论和制造工艺的发展将是进一步研究轮齿损伤的机理，这是建立可靠的强度计算方法的依据，是提高齿轮承载能力，延长齿轮寿命的理论基础；发展以圆弧齿廓为代表的新齿形；研究新型的齿轮材料和制造齿轮的新工艺；研究齿轮的弹性变形、制造和安装误差以及温度场的分布，进行轮齿修形，以改善齿轮运转的平稳性，并在满载时增大轮齿的接触面积，从而提高齿轮的承载能力。我国齿轮产品经过近10年的发展取得了长足的进步，不少产品已达到或接近国际先进水平，但仍有相当大一部分齿轮与变速箱产品，在振动噪声与疲劳寿命方面与国际先进水平差距明显，而这又与齿轮材料与热处理装备及工艺水平息息相关。这些问题已成为中国齿轮产品赶超国际水平的瓶颈。当前齿轮行业存在的“三重三轻”现象已成为齿轮行业进一步发展、产品水平进一步提高的最大阻力。1、重技改轻研发。目前世界上一些主要的齿轮大型制造企业，利润虽然不高，但研发费用始终保持一定额度，一般占销售收入的3%，有的达到甚至超过5%。这些企业不追逐短期利润，而是更看重企业的长久发展，希望保持住在行业内的竞争优势，而这就需要不断进行产品创新与研发。反观国内企业，过分注重甚至依赖于技术改造，尤其是近年来行业内掀起了一股技改热潮，众多企业纷纷投入巨资，购买先进设备。可以说，许多齿轮制造企业目前的硬件水平已经达到国际先进水平，但是研发费用的投入却远远不够。以陕西法士特为例，2006年的销售收入达到25亿元，但研发费用所占的比例连1%都不到。龙头企业尚且如此，小企业的状况更可想而知。2、重实用轻基础。国内齿轮企业通常是根据市场需求来调整生产计划，哪些型号或品种的齿轮热销，企业就纷纷上马哪些项目，产品虽具有一定的实用性，但在技术、性能上显得较差，包括对其基础理论的研究都远远不够，这就使产品的最终寿命及其性能与国外产品的差距进一步加大。3、重眼前轻长远。相当多的齿轮生产企业目前的发展态势还不错，但如果就满足于目前的状况，可能很快就沦落为落后企业了。我国的齿轮产品在技术水准和质量上只有很少一部分接近或达到国际先进水平，大部分连国际二流水平都达不到,其中的主要原因之一就是自主设计能力弱。技术创新能力是未来评价企业竞争力的最主要标准之一，如果企业不重视研发，没有长远的战略考虑与超前的产品储备，根本无法跟上主机发展的步伐，现在进步的企业有可能今后就是落后的企业，甚至会被淘汰。三、自主设计能力弱齿轮企业的自主创新能力不强是长久以来齿轮行业面临的老问题了，但是随着汽车、工程机械等相关领域的飞速发展，对配套齿轮的材质、性能、强度等方面的技术要求又上升了一个新台阶，于是，创新能力这个问题变得更加突出了。目前，国际齿轮产品的发展趋势主要有以下几方面，首先，动力传动齿轮装置正沿着小型化、高速化、标准化方向发展，于是特殊齿轮的应用、行星齿轮装置的发展、低振动、低噪声齿轮装置的研制成了齿轮设计方面的一些特点；其二，由于机械设备向大型化发展，齿轮的工作参数提高了，如高速齿轮的传递功率为1000-30000kw；第三，由于硬齿面齿轮广泛应用，以及高速、高性能要求的齿轮日益增多，因此要求磨齿加工，在效率和质量上都要提高；此外，关于齿轮材料与热处理随着硬齿面齿轮的发展，也逐渐受到人们的重视。据中国齿轮专业协会副会长王声堂表示，目前我国齿轮生产企业的产品在疲劳寿命与噪声指标上与国外先进水平表现出来很大的差距，主要与材料和热处理水平有很大关系。然而，我国大多数齿轮生产企业基本没有能力跟得上这些趋势，只能重复低水平建设，在低端市场进行着低价竞争。随着汽车工业、机械制造行业不断升级，低端齿轮市场很快就会出现饱和状态，那时企业的经营风险将更大。此外，原材料的供应风险也应该引起关注，一方面，国内齿轮钢市场虽然表现平稳，但是价格呈现上涨趋势。我国齿轮产品近10年有了长足的进步，不少产品已达到或接近国际先进水平，但仍有相当大一部分齿轮与变速箱产品，在振动噪声与疲劳寿命方面与国际先进水平差距明显，而这又与齿轮材料与热处理装备及工艺水平息息相关，它们已成为中国齿轮产品赶超国际水平的瓶颈。正是基于对此的清醒认识，齿轮专业协会不仅成立了材料与热处理工作委员会，而且每年都召开一次热处理方面的研讨会。最近，他们又在长春组织举办了“2007年齿轮渗碳淬火研讨会”，100多位业内专家与齿轮生产企业、热处理设备及辅料制造厂家的代表共聚一堂，为如何进一步提升齿轮质量水平交流研讨、献计献策。王声堂表示，齿轮产品上水平离不开我国热处理工艺成套装备的支持。最突出的表现就在于我国热处理工艺成套装备的数控化程度明显提高。20多年来，经过与爱协林、易普森等国外知名品牌的同台竞争，目前已经形成了具有中国特色的齿轮渗碳、热处理工艺与成套设备，国产热处理设备的市场占有率逐年提升，具有了较强的竞争力，一汽嘉信的箱式炉、连续炉，西安民生的井式炉都是佼佼者。尤其是催渗技术更引起了国外公司的关注。谈到齿轮产品与国外先进水平的差距，王声堂以车辆主减速螺旋锥齿轮为例，指出，除了少数企业的产品达到或接近国外先进水平，大部分企业的产品在疲劳寿命与噪声指标上与国外先进水平差距较大，企业陷于低价低质的恶性竞争。而其质量水平与材料和热处理水平有着重要关系。汽车变速箱产品质量的提高是从研究控制齿轮热处理变形开始的。从20世纪70年代热处理变形控制到20世纪末形成车辆齿轮钢采购标准，齿轮行业经历了一段痛苦的摸索过程。后来实践证明，如果不从齿轮钢材质量进行严格控制，单纯研究热处理工艺控制，汽车齿轮变形问题不可能解决。王声堂将材料比作是齿轮质量的根。因此，经过10多年的酝酿、起草及一段时间的试行，2004年正式发布了齿轮专业协会的第一个标准——车辆齿轮钢采购标准。王声堂说，从贯彻齿轮钢采购标准这些年来看，汽车变速箱齿轮生产水平有了明显提高。所以应继续贯彻齿轮钢采购标准，对汽车齿轮推荐A类钢，坚持B类钢，淘汰C类钢。材料解决了，经过粗加工后下一步便是进行热加工，只有经过热处理，才能提高齿轮产品的硬度，提高寿命、可靠性，但热处理必然导致产品变形，如何最大限度地控制变形现在仍然是一个世界性的难题，而我国在热处理的变形控制上又与国外先进水平存在差距。王声堂指出，工业变速箱齿轮的变形控制是高质量磨齿的基础，如重齿、南高齿、杭前进等企业磨削3～4级渗碳淬火齿轮，为跨国公司配套，都是以控制热处理变形为基础的。没有好的变形控制，就没有好的磨齿齿轮，如果靠磨齿掩盖超偏差的热处理变形，以满足几何精度的观念是错误的。磨齿修正变形只能在合理公差以内实行，否则渗碳层会被破坏，齿根圆光滑过渡会不合格。针对存在的问题，王声堂提出了三点建议。一是齿轮企业应与钢厂密切合作，继续推动齿轮钢采购标准的进一步贯彻。二是每个齿轮企业都要形成自己的产品热处理工艺软件，形成自己的工艺诀窍，根据自己的产品工艺特点，形成自己的产品工艺规范。热处理设备企业则应在提升设备数控化水平和控制水平的基础上，做好售后服务，与用户一起将热处