大規(guī)格高精度螺旋齒輪是用來傳遞相交或者相錯(cuò)軸向運(yùn)動(dòng)的齒輪類型，具有承載性能強(qiáng)、傳動(dòng)性能好、效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油化工、汽車制造和高檔機(jī)床等行業(yè)，是國內(nèi)齒輪加工水平和工藝技術(shù)的重要體現(xiàn)。本文從大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪加工技術(shù)的出發(fā)，探討加工技術(shù)類型，提出了優(yōu)化改進(jìn)大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪加工精度的技術(shù)措施和辦法，以促進(jìn)錐齒輪加工的精益化發(fā)展，為國家現(xiàn)代工業(yè)化建設(shè)作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

　　進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，國家現(xiàn)代工業(yè)化建設(shè)進(jìn)程加快，重工業(yè)快速發(fā)展，對大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪的需求越來越多。大規(guī)格高精度螺旋齒輪具有承載性能強(qiáng)傳動(dòng)性能好、效率高等優(yōu)點(diǎn)，是國內(nèi)齒輪加工水平和工藝技術(shù)的代表，廣泛應(yīng)用于石油、化工、煤礦、汽車制造和高檔機(jī)床等領(lǐng)域。本文探討大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪加工技術(shù)類型，提出了優(yōu)化改進(jìn)大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪加工技術(shù)的途徑，此次研究對大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪加工精度的提升具有借鑒價(jià)值。

　　一、大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪概述

　　大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪

　　螺旋錐齒輪是相對于直齒錐齒輪和斜齒錐齒輪的概念，是機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域的關(guān)鍵零件，主要用來傳遞相交或者交錯(cuò)的軸向力。螺旋錐齒輪的傳動(dòng)中輪齒的嚙合是從一端向另一端逐步展開，具有承載能力好、傳動(dòng)性能強(qiáng)、重疊系數(shù)高、傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)噪聲小等優(yōu)勢。大規(guī)格螺旋錐齒輪的大輪直徑在 800 毫米以上，成品精度達(dá)到 5 級以上。主要應(yīng)用于鐵路機(jī)車、船舶制造、礦山機(jī)械、煤機(jī)和大型運(yùn)輸、掘進(jìn)、裝載設(shè)備的制造中，在石油開發(fā)、礦產(chǎn)開采和冶金行業(yè)具有很好的應(yīng)用效果，大大提高了相關(guān)產(chǎn)品使用壽命和可靠性能，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

　　隨著我國重工業(yè)的提速發(fā)展，國內(nèi)對大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪的需求不斷增加。但是在該類齒輪加工中，遇到了很多困難和挑戰(zhàn)，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)字化制造還有很長的路要走。大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪目前主要由大規(guī)模圓弧收縮齒螺旋錐齒輪、大規(guī)格擺線等高齒螺旋錐齒輪兩種。其中大規(guī)格圓弧收縮高精度螺旋錐齒輪的設(shè)計(jì)加工難點(diǎn)體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是錐齒輪的收縮齒在理論上無法實(shí)現(xiàn)共軛，齒輪面的接觸調(diào)整困難。另一方面是加工中收縮齒輪的刀盤齒形角加工精度較高，需要及時(shí)修正，設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，這些導(dǎo)致國內(nèi)目前該類齒輪的應(yīng)用范圍較小。大規(guī)格擺線等高齒螺旋錐齒輪在加工中調(diào)整技術(shù)要求不高、操作方便、加工刀盤少。但是這種齒輪的加工刀盤只能使用德國公司生產(chǎn)的雙體刀盤，國內(nèi)還沒有自主生產(chǎn)能力;而且加工機(jī)床也只能使用德國公司的產(chǎn)品，這種機(jī)床目前對中國是禁運(yùn)狀態(tài)。這些問題導(dǎo)致目前國內(nèi)需要的大部分大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪都來自進(jìn)口，不僅采購價(jià)格高，交貨周期長，也對國家安全發(fā)展和持續(xù)經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來重要影響。

　　大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪的發(fā)展情況

　　國外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪的良好應(yīng)用，在大型機(jī)械裝載領(lǐng)域具有很好的口碑，是機(jī)械傳動(dòng)過程的重要?jiǎng)恿χ?。該類錐齒輪也有著其適用的要求，齒輪的直徑大于 800 毫米，成品齒輪的精度達(dá)到 5 級以上，才能保證齒輪的工作精度和應(yīng)用需要。國外的大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪最早誕生于美國的一家機(jī)床制造企業(yè)，主要應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床制造中。在技術(shù)不斷發(fā)展下，美國公司對大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪的加工技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化改造，通過提高精度，采用齒面磨削等方式打磨齒輪，增加了其應(yīng)用的范圍和效果。

　　國內(nèi)大力發(fā)展大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪是在改革開放之后，石油、化工、汽車制造等多個(gè)領(lǐng)域?qū)υ擃惍a(chǎn)品產(chǎn)生了旺盛的需求。大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪最先應(yīng)用于國內(nèi)的石油加工、冶金制造和礦山開采領(lǐng)域，在提高工作效率和施工質(zhì)量上發(fā)揮了重要作用，因此在各生產(chǎn)領(lǐng)域逐步得到大力推廣。但國外一直對大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪的加工技術(shù)采用卡脖子的方法進(jìn)行銷售。在 20 世紀(jì) 70 年代，國內(nèi)只能購買德國公司的大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪產(chǎn)品，而且德國公司不愿意把產(chǎn)品銷售到國內(nèi)。在旺盛需求和供給不暢的背景下，國內(nèi)加大了大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪的研發(fā)工作。國內(nèi)第一臺大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪是由天津精誠機(jī)床股份有限公司生產(chǎn)。雖然加工技術(shù)的精密度相比國際產(chǎn)品有一定差距，但是開辟了國內(nèi)自主生產(chǎn)的先河，促進(jìn)了改革開放后國內(nèi)生產(chǎn)線的擴(kuò)大和優(yōu)化。2011 年世界上最大規(guī)格的高精度、全自動(dòng)螺旋錐齒輪生產(chǎn)線，也是國內(nèi)首條生產(chǎn)線，在湖南株洲沃爾得特種齒輪有限公司建成投產(chǎn)。圖 1 為世界上首套 2 米直徑高精度螺旋錐齒輪在該公司生產(chǎn)線上加工。

　　二、大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪加工技術(shù)

　　傳統(tǒng)加工技術(shù)

　　弧齒錐齒輪傳統(tǒng)的加工方法是利用專用的盤形銑刀在銑齒設(shè)備上進(jìn)行加工。加工原理如圖 2 所示。此時(shí)銑齒機(jī)上的搖臺機(jī)構(gòu)就是一個(gè)模擬的齒輪，盤形銑刀是模擬齒輪的另外一個(gè)輪齒。在被切輪齒和模擬輪齒以一定傳動(dòng)比進(jìn)行軸向旋轉(zhuǎn)時(shí)，刀盤就會在工件的輪胚上切削出一個(gè)個(gè)齒輪槽。齒輪的加工過程就是一對齒輪嚙合的過程，要求刀盤的切削面和被加工的輪齒胚曲面要實(shí)現(xiàn)完全的共軛。共軛原理是目前已經(jīng)比較成熟的齒輪加工切除技術(shù)。在目前數(shù)控機(jī)床技術(shù)日益普及下，螺旋錐齒輪加工已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)控加工，但無論采用哪種數(shù)控加工技術(shù)，螺旋錐齒輪的加工還是需要利用專業(yè)盤形銑刀來進(jìn)行加工在國外率先開發(fā)了大規(guī)格延伸外擺線弧齒錐齒輪的專用加工機(jī)床后。我國通過技術(shù)攻關(guān)，已經(jīng)成為繼美國、德國之后的世界上第三個(gè)具有生產(chǎn)數(shù)控螺旋錐齒輪銑齒機(jī)、研齒機(jī)、磨齒機(jī)等系統(tǒng)高檔機(jī)床設(shè)備的國家。

　　擺線等高齒加工技術(shù)

　　傳統(tǒng)的螺旋錐齒輪加工主要是以圓弧收縮齒為主。進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，圓弧收縮齒輪在高齒理論和研究成果的完善下，被擺線等高齒輪所替代。擺線等高齒加工技術(shù)的優(yōu)勢體現(xiàn)在：一是加工生產(chǎn)線比較簡單。傳統(tǒng)圓弧收縮齒輪的生產(chǎn)線一般需要五臺機(jī)床、五個(gè)刀盤和五道工序才能組成，而擺線等高齒加工技術(shù)只需要兩臺機(jī)床、兩個(gè)刀盤和兩道工序就可以組成生產(chǎn)線，所占用的生產(chǎn)資源大大減少。二是齒輪接觸區(qū)更好調(diào)整。圓弧收縮齒輪的加工理論是基于共軛原理，齒輪的接觸區(qū)不是很好調(diào)整，直接影響到齒輪的嚙合精度。而擺線等高齒加工技術(shù)是在共軛理論基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，接觸區(qū)雖然也是由小輪的凹凸兩個(gè)面切出的，但是接觸區(qū)相對比較好調(diào)整，從而提高了嚙合精度。三是干切削工藝優(yōu)勢明顯。齒輪銑齒的干切削工藝是未來發(fā)展的方向，擺線等高齒相比圓弧收縮齒更加適合采用干切削工藝制造。

　　數(shù)字化集成加工技術(shù)

　　對大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪的數(shù)字化加工是以集成制造的方式進(jìn)行，主要實(shí)現(xiàn)流程是：針對不同的錐齒輪加工需要，計(jì)算機(jī)軟件建立對應(yīng)的設(shè)計(jì)、加工刀具和加工控制數(shù)據(jù)庫，利用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)控機(jī)床中，在對機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)刀條磨刃，完成錐齒輪的首件加工之后，要首先進(jìn)行計(jì)量檢測，并將計(jì)量的結(jié)果和計(jì)算機(jī)要求的理論齒面數(shù)值進(jìn)行對比，針對不合格的數(shù)值進(jìn)行反復(fù)調(diào)整修正，直到生產(chǎn)出和設(shè)計(jì)要求完全一致的齒輪才能進(jìn)行正式批量生產(chǎn)。為保證加工的精度，錐齒輪的加工中銑齒、磨齒、磨刀和測量的設(shè)備都要進(jìn)入數(shù)字化閉環(huán)控制系統(tǒng)，以便對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合比對，保證齒輪的加工精度要求滿足設(shè)計(jì)要求。錐齒輪的數(shù)字化集成制造主要依靠錐齒輪的制造軟件，國內(nèi)目前已經(jīng)能自主研發(fā)軟件，但受到軟件操作系統(tǒng)、代碼開源等方面的限制，軟件的操作精度上要實(shí)現(xiàn)世界領(lǐng)先水平還有很多需要解決的問題。

　　三、優(yōu)化改進(jìn)大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪加工技術(shù)的對策建議

　　加大對大直徑弧齒錐齒輪制造的研究

　　要引入先進(jìn)的弧齒加工理論，對傳統(tǒng)弧齒錐齒輪的加工中輪胚直徑和刀盤直徑之間的強(qiáng)制關(guān)系進(jìn)行探索改進(jìn)。加快對高剛性螺旋錐齒輪機(jī)床的研發(fā)進(jìn)度，加快自主知識產(chǎn)權(quán)機(jī)床核心技術(shù)的研發(fā)力度，探索提高錐齒輪機(jī)床的剛性和精度的綜合優(yōu)化方案，提高大直徑刀盤展成齒面的加工精度。重點(diǎn)解決大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪加工中的加工效率低、生產(chǎn)周期長、加工成本過高的問題，致力于在大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪加工領(lǐng)域形成具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的機(jī)床理論和制造方法，為中國制造做出積極貢獻(xiàn)，為國家重工業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

　　探索小直徑刀具數(shù)控包絡(luò)齒面加工技術(shù)

　　大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪加工技術(shù)要在學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上，加快對小直徑刀具數(shù)控包絡(luò)齒面加工技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，解決傳統(tǒng)加工方法中刀具和齒輪直徑之間的關(guān)聯(lián)度問題，針對刀具大小受到齒槽尺寸影響的因素，以小直徑刀具數(shù)控加工技術(shù)，降低對機(jī)床加工剛度的要求，提高對包絡(luò)齒面的加工效率，特別提高刀具的耐用度，利用同一規(guī)格的刀具來加工大規(guī)格齒輪的多個(gè)齒面。要深入研究齒面的端銑加工技術(shù)，針對加工中影響精度的問題創(chuàng)新干涉處理方法，進(jìn)一步滿足國家石油化工、汽車制造、精密機(jī)床等多個(gè)重要領(lǐng)域?qū)Υ笠?guī)格高精度螺旋錐齒輪的使用需要。

　　提高圓弧面輪廓加工技術(shù)的質(zhì)量和精度

　　針對目前應(yīng)用最為廣泛的圓弧面輪廓加工技術(shù)，大力探索提高齒輪的加工直徑，實(shí)現(xiàn)加工過程的自動(dòng)調(diào)節(jié)和開放式設(shè)計(jì)，增強(qiáng)加工技術(shù)的應(yīng)用效果。圓弧面輪廓加工技術(shù)中齒輪有三個(gè)軸，每個(gè)軸都是處于平行杠桿滑動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式，因此把弧輪的齒輪分為主動(dòng)齒輪軸和輔助齒輪軸后，可以通過主軸旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，設(shè)置轉(zhuǎn)子自動(dòng)平衡裝置，解決機(jī)床連續(xù)運(yùn)行中的位置固定問題，提高機(jī)床的綜合利用效率。在輔助軸的安裝和設(shè)計(jì)中，可以把安裝節(jié)點(diǎn)作為中心位置，在容易出現(xiàn)滑動(dòng)的位置設(shè)置坐標(biāo)系，在節(jié)點(diǎn)上安裝摩擦輪，以這種工藝來降低運(yùn)轉(zhuǎn)中零件損壞的問題，保持齒輪始終處于平衡運(yùn)行狀態(tài)。采用自動(dòng)化控制技術(shù)自主編制制造程序，提高加工精度和驅(qū)動(dòng)器的使用效率。

　　四、大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪加工技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級方向

　　采用全工序銑齒加工和 UMC 法磨齒加工高精度圓弧收縮齒輪

　　我國是汽車制造大國，在國內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，汽車齒輪的需求量不斷增加。國內(nèi)使用五刀法加工圓弧收縮齒輪應(yīng)用于汽車齒輪上比較常見。但國外已經(jīng)探索實(shí)行全工序法銑齒，再通過加熱工序，用 UMC 法磨齒來進(jìn)行高精度圓弧收縮齒輪的加工。該方法和傳統(tǒng)五刀加工法相比的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為：一是加工效率提高、成本降低。因?yàn)樵摲椒p少了機(jī)床調(diào)整和刀盤更換的次數(shù)，每對齒輪的切削時(shí)間能減少三分之一。因此在加工批量工件時(shí)，能有效減少調(diào)整次數(shù)，大大提高生產(chǎn)效率。該方法屬于干切全工序刀盤系統(tǒng)，相比濕切刀具，成本也能大幅度降低。二是保證同批次的齒輪幾何精度一致。采用全工序法進(jìn)行切齒加工時(shí)，大輪和小輪是同時(shí)一次裝夾，一次性加工出兩個(gè)側(cè)面，這樣有效保證了同批次齒輪的幾何精度，讓齒輪成品的精度穩(wěn)定性更好。三是提高了齒輪副強(qiáng)度，延長了刀具壽命。在采用五刀法加工圓弧收縮齒輪時(shí)，切齒的刀盤需要從齒槽的一端切削運(yùn)行到另外一端，刀具的最小齒槽寬度限制了刀頂?shù)膶挾?。而采用全工序法加工齒輪，大輪和小輪的齒槽都在齒輪長方向上具有固定的寬度。這種等齒槽寬保證了切齒加工時(shí)，刀頂距最大、刀尖的圓角半徑最大，能避免刀具磨損，延長了刀具壽命。而且該方面加工齒根的圓角和齒地底面時(shí)，能提高連接的平滑性，促進(jìn)了齒輪的強(qiáng)度提高。四是能實(shí)現(xiàn)干切加工和磨齒加工。五刀法需要使用三個(gè)刀盤，從現(xiàn)代加工理論上看不是真正的干切。全工序加工能耐實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代加工的干切。擺線等高齒輪不能進(jìn)行磨齒加工，高精度的錐齒輪就無法采用擺線等高齒加工方法，但全工序法采用的銑齒，加熱工序之后進(jìn)行磨齒加工的圓弧收縮齒，就能生產(chǎn)高質(zhì)量高精度的錐齒輪。

　　采用五刀法加工克林貝格錐齒輪

　　進(jìn)入新世紀(jì)一阿里，國內(nèi)大型減速機(jī)等設(shè)備上傳遞動(dòng)力時(shí)需要彎曲強(qiáng)度更高的大規(guī)格錐齒輪，此類大規(guī)格錐齒輪的加工技術(shù)高于一般的汽車齒輪。德國的一家公司提出了一種稱之為 HPG 的齒輪加工方法和 AMK 系列機(jī)床，專門用來加工和汽車齒輪小模數(shù)多齒數(shù)要求不同的大模數(shù)少齒數(shù)的齒輪，國內(nèi)稱之為克林貝格錐齒輪。該加工方法主要是利用擺線等高齒，用裝有 5 組道齒的雙體刀盤進(jìn)行加工。加工完成的齒胚加熱后利用具有負(fù)前角的 CBN 刀盤進(jìn)行刮齒。這種加工方法能消除熱處理變形導(dǎo)致的齒輪精度下降的問題，增加了熱處理過程中齒輪表面產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力，提高了齒輪的承載能力，特別適合生產(chǎn)數(shù)量少、種類多的各種錐齒輪。國內(nèi)目前已經(jīng)基于擺線齒錐齒輪的切齒加工技術(shù)，在國產(chǎn)數(shù)控銑齒機(jī)床上利用五刀法進(jìn)行克林貝格錐齒輪的加工。

　　國內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，石油開采、冶金制造等行業(yè)對大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪的需求越來越多，研究大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪加工技術(shù)，就要打破國外的技術(shù)壟斷，縮小國內(nèi)齒輪產(chǎn)業(yè)和國際齒輪制造強(qiáng)國之間的差距，注重核心關(guān)鍵技術(shù)自主研發(fā)，不斷提高大規(guī)格高精度螺旋錐齒輪的加工精度和質(zhì)量。