汽车齿轮加工的新技术和发展动向

摘要：伴随我国经济的持续发展，汽车制造行业也随之飞速发展。在汽车行业加工生产中，汽车齿轮不断进步。在汽车的传统系统中，汽车齿轮属于非常重要的零件之一，因此汽车齿轮自身质量对传统系统质量具有直接的影响。不仅如此，汽车齿轮还会对汽车整体功能与噪声产生直接的影响，所以对汽车齿轮的新型加工技术与发展动向进行分析至关重要。

关键词：汽车齿轮加工；新技术；发展动向

中图分类号：U461  收稿日期：2023-02-17

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.05.019

1 前言

如今，汽车在人们现实生活中作为不可或缺的交通工具，其功能方面备受关注。在汽车加工生产中，齿轮属于基础的传动构件。伴随人们对于汽车越来越高的要求，齿轮质量及其功能备受重视。齿轮加工技术的逐渐提升，有利于齿轮强度的积极改善，在保证齿轮具备降噪以及耐久性功能基础上，也确保汽车稳固性提升，从而延长汽车的使用周期与整体舒适性［1］。

2 齿轮加工的干切技术

一直以来，汽车齿轮的切削加工都在运用切削油，这不仅会污染到工业生产环境，还会对操作者本身健康产生重大威胁。此外，使用切削油还会增加相关成本，如处理废油成本、切削油成本、分离油雾设备等。这些都会进一步增加加工成本，有些国家在处理切削油成本方面甚至超过了总加工成本的10%～30%。所以在环保要求下，很多国家的汽车齿轮加工厂提倡使用无切削油类干切技术。为确保干切削切实可行，首先要加强研发干切基础所需的机床与刀具。在干切技术中所需刀具，确保其寿命维持稳定，机床也要将高温下产生的切屑快速排出［2］。汽车齿轮加工伴隨机床设计技术的提升及刀具镀层与材料技术的持续发展，为很多国家的齿轮干切技术提供了飞速发展的空间，从而实现社会效益的不断提升。

2.1 滚齿干切技术

20世纪70年代初期，日本研发出硬质合金滚刀圆柱齿轮干切技术（图1），并在市场上广泛投放，例如三菱重工与某公司分别加工出硬质类合金齿轮设备。20世纪80年代我国研究工具行业、齿轮加工总厂、机床厂、材料研究厂等诸多单位同时肩负着硬质类合金滚刀工具的研发任务，并以此开始对硬质类合金滚刀干切技术进行加大使用，有些技术和产品甚至获得过科技成果的研究奖项，如某倒挡齿轮（m=3.175），但由于诸多因素尚未坚持研究下去。当前此类技术在同步加工变速箱中的小模数、小齿轮等产品中使用，在中国未实现大力推广。就算日本率先推出此类技术也并未实现广泛运用，硬质合金类滚刀工具容易形成崩刃现象，导致刀具应用周期缩短，是其生产尚未广泛运用的根本因素［3］。

a.干切削滚齿用的滚刀和切削的比较。

三菱重工在进行干切滚刀的开发中，为提升刀具的耐热性、耐磨性进行特殊镀层的处理，开发出超级干切滚刀，在对m=2.05、z=49、β=21.5°、b=40等工件切削中，选择170HB、SCM415；滚刀头数为3个，即De=75，槽数需控制在16个，切削速度控制在1 min/v=200 m，走刀转速控制在1转/s=2.4 mm。比较旋向顺铣之干切与湿切结果发现，干切较湿切加工效果可以提升2倍，可让刀具的应用周期提升5倍，且因并未运用切削油，干切成产费用会下降超过40%。

b.干切滚齿加工机床。

三菱重工在GE滚齿机专项干切技术的研发过程中，在机床切削的适当位置配备专项的切屑输送器，并采用压缩空气将高温切屑在未接触到机床时就快速排出，因此能防止因热切屑造成的滚齿机热变形。所以有些滚齿轮格局设计为卧式，如此才能方便切屑排出，比如三菱重工的GN型滚齿机，有些行业还相继推出干湿两类切削技术都能运用的一种滚齿机。有关干切滚齿加工机床如图2所示。

2.2 插齿干切技术

在汽车齿轮加工技术中，不仅有滚齿，还有抽齿干切技术，如唐泽铁工、三菱重工等都相继研发出一种插齿机，采用干切技术。三菱重工加工的插齿机型号为SE25A，采用干切插齿刀的材料为高速钢，粗差切削的速度高于湿差切削速度的1～2倍，加工效果可以提升1.3～1.5倍，刀具使用周期可以延长3～5倍。在设计此类插齿机时，不仅需要对机床排屑与刚性充分思考，还要使用均衡轴促进高速插齿噪音与振动的降低。

2.3 螺旋锥齿轮的干切技术

a.强力干切用的螺旋锥齿轮铣齿机。

某公司六轴全控制CNC准双曲面齿轮铣齿机CNC选择了速度较快的特殊主轴，刀盘主轴的转速最快可以达到1 min/2 000 r，这在传统摇台式切齿机方面根本无法实现。因复杂齿轮传动链已经取消，可以确保刀轴均衡运动，从而规避了高速切削动作时主轴温度上升。公司需要按照空气动力学的相关原理，在加工机床区域装载独特的排出装置，将刀轴头与加工区融入所有排出切削的容器中，通过两个高压空气喷嘴将切屑吹至机床后挡板位置，让其和刀具及工件远离，加工生产形成的80%热力会伴随切削同步向机外排出，排出切削的容器正面需要横向回转，如此才能给更换刀具提供便利。螺旋锥齿轮如图3所示。

b.强力干切用的刀具。

强力干切时选择新研发的型号为PENTAC刀具，整体形状为棒型硬质类合金刀头。硬质类合金刀头在某公司300CG型刀盘磨床上使用涂抹金刚石砂轮刃刀，刀头使用硬质类合金材料H10F型材料，等同于ISO标准K牌号［4］。刀头切削面使用TiAIN镀层。

c.强力干切的经济性比较。

某公司对450HC切齿机的两类切削技术进行了对比，结果显示，强力干切方法较传统切削技术可以取得良好收益，例如，相同切削的齿轮，原先每一个齿轮的切削都要耗费电力119.85 kW/min，而强力干切削仅需30.75 kW/min，等同于原先使用1/4。而在同等切削基础下进行大小齿轮的加工，对比强力干切与传统加工技术，其加工时间约为传统的1/3～1/2。虽说强力干切技术采用镀层硬质类合金刀头容易增加成本，但因刀头应用周期可以延长，降低刀磨次数及节约切削油，尤其是因生产效果提升而减少成本，因此有利于经济效益的提升，通常还能让齿轮整体成本大约减少28%。

3 无斜齿导套的斜齿插齿机

插齿机在进行直齿轮或斜齿轮加工时，需采用导套确保切削操作的顺利进行，插斜齿轮应该对螺旋导套进行合理运用。插斜齿轮对插齿刀螺旋角与工件螺旋角提出了相等的要求。而对螺旋导套导程与插齿刀导程提出了相同的要求，一般在斜齿轮加工生产中，根据要求使用螺旋导套，对各类斜齿轮加工时，需要进行导套的合理更换。但因导套的加工生产流程非常复杂，且具有很长的制造时间，导套更换非常麻烦，因此在开发新型产品时，插斜齿变成新产品研发的重大阻碍，所以可以改变插斜齿轮结构为两体，如在加工MSB五十铃中间轴时选择此类方法，另一种方法就是在现有导套基础下，改变工件的螺旋角参数，在设计1 252分动器中的齿圈时，应该使用此类方法，但上述办法都具有制约性。因此多年以来，人们始终希望研发出无需使用斜齿导套即可进行插斜齿轮的一种插齿机床。

4 同步式剃齿机

在精加工齿轮中，剃齿也是方法之一。在剃削过程中，因为工件可以在剃齿刀的带动下进行旋转，二者并无传动链，通过剃齿刀与工件无侧向缝隙螺旋齿轮进行副啮合，二者接触点速率会伴着不同方向让齿轮加工齿侧面沿着剃齿刀向齿侧面移动，剃齿刀侧面存在诸多小凹槽，凹槽和齿侧面交线即为切削刃，齿轮侧面在自身滑移中可将细小切屑切下。剃齿在修正剃齿齿形、减小齿向误差和齿面粗糙度等方面效果较好，尤其是在提升剃齿的生产效果方面，明显低于磨齿费用，因此至今在精加工齿轮方面还在广泛使用。

但此类剃齿手法仍有不足之处，因其属于自由传动，在反向加工剃齿旋转中，容易发生转速丢转现象，这对修正齿形的能力产生直接的影响，尤其是轮齿圈径向修正中产生跳动误差，容易被转换成切向误差，还会让齿距误差增加。

目前国外研发出同步剃齿机，如三菱重工研发的FS型同步剃齿机。按照公司介绍，此类剃齿机齿刀与工件存在强制性传动链，通过对剃刀轴与工件轴啮合传动同步控制，不仅可以对齿形及齿向加以修正，又能对齿距误差与齿圈跳动加强修正，且因剃刀旋转方向仅有一个，无需反转即可让加工操作完成，可让加工时间缩减30%，保证剃齿操作效果不断提升。

此外，现有的传动剃齿机开启及切换正反转中，形成的加减速度容易形成大负荷，导致剃刀磨耗并损伤工件齿面，而同步剃齿机能够完全规避这种问题。一些国家经过研发后，经过试验证明同步剃齿机容易提升剃齿刀的磨损速度，还会让剃齿面的粗糙度变大。

5 磨齿加工的应用

5.1 圆柱齿轮磨齿加工

在精加工变速器的圆柱齿轮时，关键环节就是磨齿与剃齿，但是磨削齿轮侧面的粗糙程度与精度明显较剃齿高，尤其是热变形的修正。20世纪80年代中期，某公司从日本汽车制造行业专门引进了生产变速器的技术，在精加工齿轮中开始广泛运用磨齿技术，自此以后，加工汽车齿轮企业开始对磨齿工艺加大介绍力度，对当下齿轮加工行业产生热议［5］。

限于当下条件，部分厂家以为齿轮的生产效果不高、成本投入较高不会而推广大量汽车齿轮的加工行业。但目前伴随NC磨齿机飞速发展，磨齿效果逐渐提升，齿轮的修正程度也更简约，CBN磨轮广泛运用，尤其是汽车提升了变速齿轮精度要求及重汽变速器在核心距离未变的前提下，为促进齿轮强度不断提升而增加齿面的宽度时，提升齿向的精度，需要选择磨齿技术，因此通过热后磨齿替代热前的剃齿加工技术是必然选择。

很多国家重型变速器的齿轮及高级轿车变速器都会选择磨齿，尤其是欧洲国家将磨齿当成汽车齿轮高精度生产优选运用的一种技术。我国近几年的变速器齿轮广泛使用磨齿技术，提升了加工效果。

5.2 螺旋锥齿轮磨齿加工

汽车传动质量的要求逐渐提升，对汽车螺旋锥齿轮与准双曲面齿轮的传动副提出了磨齿要求。以往国外公司在机械传动圆弧齿锥形齿轮磨齿机的生产加工中，因为结构相对复杂、价格高昂，加工效果不好，并未对磨齿技术加以运用，该技术仅在生产一些小量精准度较高的石油机械、航空及精密机床等螺旋锥形齿轮的企业中使用［6］。

近几年，伴随CNC技术持续发展，汽车加工行业都持续研发出同类磨齿机，并在磨削圆弧齿螺旋锥形齿轮中使用。还有一些行业研发出CNC系列圆弧齿螺旋锥形齿轮磨齿机及磨削技术，推动了磨齿效果最大化提升。圆弧齿锥形齿轮单件的磨削时间已经和切削时间相等，尤其是通过瓦古力方法的开发磨削成形进行螺旋锥形齿轮的加工，让汽车齿轮圆弧齿锥形齿轮磨削技术在大量生产企业中实现了广泛运用。

6 强力珩齿技术的发展

20世纪60～70年代，选择圆盘形或蜗杆形衍轮当成热后修成齿面的精加工工艺，曾用于国外汽车加工齿轮行业之中，当下我国仍有很多加工齿轮的企业正在使用此类技术，如笔者所在企业在60年代开始引入英国公司生产的圆盘形珩轮珩齿机。实践证明，此类技术只能在淬硬齿轮齿面的粗糙度方面使用，且无法提升齿形及齿向的精度，珩削时间很长相反还会让齿轮的精度受到破坏，因此这个技术尚未实现广泛推广。虽说磨齿可让热后的齿轮精度提升，但按照国外相关学者的试验研究显示，齿轮表面波纹也就是波纹振幅，波长与方向几个方面都会对齿轮噪声特征产生影响。磨齿对降低噪声极其不利，还有很多厂家在完成磨齿操作后选择衍齿，这样容易增大制造成本。

7 齿轮自动分选检验机

a.用齿轮配对机检查。在配对设备上使用能够啮合的齿轮来高速运行，通过人类感官视听评判齿轮检查对象有无毛刺与磕碰噪声。

b.用齿轮双面啮合检查仪检查。通过对齿轮检查与齿轮标准进行双面啮合的同时，被检测的齿轮向中心距离转换变动，以此判断其有无毛刺与磕碰噪声。

c.人工目测检查。通过人工目测检查齿轮有无毛刺与磕碰噪声。以上几种检查方法虽说有利有弊，但是仍有共同的问题存在，也就是配置专项人员完成操作，不仅成本较高而且还需依赖人类感官进行判断，无法规避不合格的变速器装配后会让齿轮产生毛刺及磕碰噪声而进行再次拆装。

8 结语

本文对汽车齿轮加工行业新型技术介绍，包括螺旋锥形齿轮磨齿机干切滚齿工艺等，我国已有很多单位对此类技术开展了研发工作，但仍有很多新型技术在我国处于空白，所以我国制造厂家需要对该类新技术与发展动向高度重视，并推动中国汽车齿轮制造水平朝着新型台阶迈进。

参考文献：

[1]庄中汽车齿轮加工的新技术和发展动向[J]汽车工艺与材料，2008（6）：43-47

[2]唐昌团，唐同禹浅谈汽车齿轮加工工艺发展动向[J]电子制作，2013（16）：253-254

[3]董增利，何超汽车齿轮绿色智能加工关键技术与装备[J]中文科技期刊数据库（全文版）工程技术，2016（8）：233

[4]莊中格里森弧齿锥齿轮磨齿技术的发展[J]汽车工艺与材料，2004（9）：11-13+18

[5]李玉珠浅谈汽车齿轮加工工艺发展动向[J]城市建设理论研究：电子版，2014（19）：52-53

[6]张静，杨宏斌，邓效忠，等我国锥齿轮技术的现状和发展动向[J]河南科技大学学报：自然科学版，2003，24（1）：40-43

作者简介：

吴玉庆，女，1987年生，工程师，研究方向为变速器锻造及精加工零件。