1 引言

　　小模數(shù)錐齒輪加工走過了從發(fā)達(dá)國家如日本、美國、意大利等到中國，經(jīng)過近 20 年的發(fā)展歷程。在我國的生產(chǎn)廠家，已形成了以金華新天、浙江豐立、雙環(huán)等一批有一定規(guī)模和影響力的專業(yè)制造廠商，基本形成了以我國為中心的小模數(shù)錐齒輪制造產(chǎn)業(yè)基地。但隨著市場的發(fā)展，國內(nèi)的小模數(shù)錐齒輪行業(yè)面臨著逐步轉(zhuǎn)型，企業(yè)各項(xiàng)成本逐漸提升，市場有逐步向周邊國家如印度、越南等地轉(zhuǎn)移的傾向，例如天津精誠近幾年出口到印度的銑齒機(jī)已達(dá)到了數(shù)十臺。

　　我們國家的小模數(shù)錐齒輪制造技術(shù)經(jīng)歷了從模仿、提升到創(chuàng)新的過程，當(dāng)前面臨著諸多問題、也面臨著諸多機(jī)遇與挑戰(zhàn)。本文通過探討小模數(shù)螺旋錐齒輪的加工技術(shù)和精度檢測的現(xiàn)狀與問題，和對制造技術(shù)所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)進(jìn)行相關(guān)分析，旨在為小模數(shù)錐齒輪行業(yè)的發(fā)展方向提供參考。

　　2 現(xiàn)狀與問題

　　2.1 加工技術(shù)

　　小模數(shù)錐齒輪常用的兩種齒制為GLEASON 制弧齒收縮齒和 KLINGELBERG制延伸外擺線等高齒。兩者的加工方法和加工設(shè)備等對比見表 1。

　　表 1 GLEASON 制和 KLINGELBERG 制

　　齒輪加工技術(shù)現(xiàn)狀對比

　　GLEASON 制小模數(shù)錐齒輪普遍采用雙重雙面法即大小齒輪均采用同一銑刀盤同時(shí)把兩個(gè)齒面一次展成切削完成，其缺點(diǎn)是接觸區(qū)容易造成對角接觸，接觸區(qū)調(diào)整時(shí)不能兩個(gè)面同時(shí)兼顧。對于對傳動比≥3，大輪節(jié)錐角≥70°的齒輪副，可采用半滾切法即大齒輪采用成型法，小齒輪雙滾法進(jìn)行加工匹配，那么小齒輪加工機(jī)床需要采用六軸五聯(lián)動機(jī)床。其特點(diǎn)是加工效率更高，可以得到更為理想的接觸區(qū)，設(shè)備投入更大。而六軸五聯(lián)動數(shù)控銑齒機(jī)還處于剛開始使用階段，需要進(jìn)一步的技術(shù)提升。

　　GLEASON 制齒輪一般采用整體刀盤，刀具成本較高。目前涂層刀具和硬質(zhì)合金刀條式刀具還應(yīng)用較少，如果要進(jìn)一步提高效率和降低刀具使用成本，需要刀具廠家的進(jìn)一步努力。

　　GLEASON 制齒輪磨刀機(jī)多采用手動、干式磨刀機(jī)，隨著產(chǎn)品的要求越來越高，高精度數(shù)控磨刀機(jī)已經(jīng)開始得到應(yīng)用，使得刀具的刃磨質(zhì)量得到有效提升。

　　KLINGELBERG 制采用端面連續(xù)滾切法，其特點(diǎn)是兩個(gè)面的接觸區(qū)可以分別調(diào)整和控制，可以得到更為理想的接觸區(qū)。對于對傳動比≥3，大輪節(jié)錐角≥70°的齒輪副，大齒輪可選擇切入法、半切入法加工。其特點(diǎn)是加工效率更高，但對機(jī)床的剛性要求較高，而該類機(jī)床的剛性往往不能滿足要求。由于設(shè)備本身的局限性，延伸外擺線小模數(shù)錐齒輪的應(yīng)用越來越少。

　　KLINGELBERG 制齒輪一般采用分體刀盤，刀片可以單獨(dú)刃磨，刃磨方便，刀具成本低。

　　KLINGELBERG 制齒輪對刀片的刃磨相對要求較低，目前普遍采用機(jī)械式手動進(jìn)給方式磨削，相對較落后。

　　無論是那種齒制的齒輪，目前都是采用人工方式進(jìn)行裝卸工件，與發(fā)達(dá)國家同行相比有很大差距，尤其在人工成本逐步上升、招工難等現(xiàn)實(shí)情況下，銑齒機(jī)的自動化技術(shù)研究和應(yīng)用更顯急迫。

　　可見，我國小模數(shù)錐齒輪加工技術(shù)在逐步提升，GEASON 制弧齒錐齒輪需要在六軸五聯(lián)動數(shù)控銑齒機(jī)、涂層刀具、硬質(zhì)合金刀條式刀具、高精度數(shù)控磨刀機(jī)方面進(jìn)一步提升技術(shù)或工藝水平，以便進(jìn)一步提升加工品質(zhì)和效率。而 KLINGELBERG 制延伸外擺線錐齒輪需要在加工設(shè)備上進(jìn)一步提高剛性和設(shè)備的數(shù)控化，以免在國內(nèi)的應(yīng)用被邊緣化。而兩種齒制的設(shè)備自動化應(yīng)用亟待突破。

　　2.2 精度標(biāo)準(zhǔn)與精度檢測

　　2.2.1 精度標(biāo)準(zhǔn)選擇問題

　　小模數(shù)錐齒輪工程設(shè)計(jì)人員首先面臨的是精度標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一以及如何選擇的問題。

　　幾個(gè)主要國家的精度標(biāo)準(zhǔn)如下：

　　表 2 幾個(gè)國家的精度標(biāo)準(zhǔn)

　　這些標(biāo)準(zhǔn)中，日本的精度標(biāo)準(zhǔn)相對寬松，而德國的精度標(biāo)準(zhǔn)相對較嚴(yán)。由于各國精度標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，造成我國設(shè)計(jì)人員選擇標(biāo)準(zhǔn)時(shí)存在困惑。

　　筆者通過比對各國精度標(biāo)準(zhǔn)的制定背景或說明后認(rèn)為，日本標(biāo)準(zhǔn)是從使用要求出發(fā)，以工藝的觀點(diǎn)為主，根據(jù)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)齒輪的各種誤差的關(guān)系來制定的。而美國和德國則更多地考慮了本國的加工工藝水平，從齒輪傳動動態(tài)性能和承載能力出發(fā)，綜合齒輪制造規(guī)律制定的。

　　中國 GB10225-88 在附加說明中指出：　“本標(biāo)準(zhǔn)由機(jī)械電子工業(yè)部提出。本標(biāo)準(zhǔn)由機(jī)械電子工業(yè)部電子標(biāo)準(zhǔn)化研究所歸口。本標(biāo)準(zhǔn)由七八六廠、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、機(jī)械電子工業(yè)部電子標(biāo)準(zhǔn)化研究所等單位起草。”因此，中國的小模數(shù)錐齒輪標(biāo)準(zhǔn)制定沒有自己的理論基礎(chǔ)。

　　由此可見，如果選擇 GB 作為設(shè)計(jì)的精度標(biāo)準(zhǔn)要求顯得底氣不足。

　　因此對于廣大的小模數(shù)錐齒輪工程設(shè)計(jì)人員來說，目前最好的解決辦法是與客戶溝通使用的精度標(biāo)準(zhǔn)和能夠達(dá)到的精度標(biāo)準(zhǔn)等級，如果實(shí)際達(dá)不到，以滿足實(shí)際使用要求來進(jìn)行最終的判斷。

　　2.2.2 精度檢測問題

　　目前我國小模數(shù)螺旋錐齒輪的單項(xiàng)誤差檢測設(shè)備十分先進(jìn)，尤其是 P26、M&M、JD182012 等齒輪測量中心的應(yīng)用，能夠十分準(zhǔn)確地進(jìn)行精度標(biāo)準(zhǔn)的檢測。由于小模數(shù)錐齒輪的齒槽狹小，不可能象大模數(shù)齒輪那樣進(jìn)行齒面形狀的檢測，而只能檢測單項(xiàng)精度誤差，即累積誤差、齒距偏差和周節(jié)誤差等。我國目前檢測齒輪副綜合誤差的手段比較落后，還停留在接觸區(qū)形狀和位置的檢查和判斷上。

　　在使用中，常常出現(xiàn)齒輪單項(xiàng)精度超差，而在傳動使用中卻又合格的現(xiàn)象，這是因?yàn)閺膸缀螌W(xué)角度認(rèn)為齒輪誤差來源于幾何參數(shù)誤差，從而把齒輪誤差分為齒厚、齒形、齒距等單項(xiàng)誤差。從運(yùn)動學(xué)角度：認(rèn)為齒輪是運(yùn)動零件，不能孤立從單個(gè)齒輪的誤差來判斷其傳動質(zhì)量。嚙合點(diǎn)位置的瞬時(shí)增量才能反映齒輪傳動質(zhì)量，嚙合點(diǎn)的增量也就體現(xiàn)了齒輪傳動中的瞬時(shí)傳動比的變化。

　　可見，如果能夠數(shù)字化反映出嚙合點(diǎn)位置的瞬時(shí)增量，對于評判小模數(shù)螺旋錐齒輪的傳動質(zhì)量具有更大的實(shí)際意義。

　　非常遺憾的是，這樣的檢測設(shè)備德國KLINGELNBERG 曾經(jīng)生產(chǎn)過，日本的 NiTM公司的 DF-10 型雙嚙儀有客戶使用，但由于實(shí)用性等原因，在國內(nèi)并沒有得到推廣。值得欣喜的是，在國內(nèi)的齒輪相關(guān)展會上可以看到類似 NiTM 公司的 DF-10 型雙嚙儀的雛形，但要能真正廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中尚需螺旋錐齒輪測量精英們的繼續(xù)努力。同時(shí)，如果引入輪齒齒面的網(wǎng)格式測量，即繪制輪齒齒面網(wǎng)格誤差圖的方法，將有利于生產(chǎn)中的誤差分析，那么需要解決測頭問題，同時(shí)要考慮加工方法與測量軟件匹配的問題。

　　3 機(jī)遇與挑戰(zhàn)

　　近 20 年來，我國的小模數(shù)錐齒輪制造技術(shù)經(jīng)歷了從模仿、提升到創(chuàng)新的過程，對于行業(yè)來說，高精度高強(qiáng)度齒輪制造技術(shù)、大減比(1:10 及以上)齒輪制造技術(shù)和綠色制造技術(shù)等方面的提升和創(chuàng)新面臨著機(jī)遇和挑戰(zhàn)。這些制造技術(shù)將是小模數(shù)螺旋錐齒輪行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級的核心動力。

　　3.1 高精度高強(qiáng)度齒輪制造技術(shù)

　　小模數(shù)螺旋錐齒輪由于齒槽小，由于還無法解決磨削用砂輪難題，目前還不能進(jìn)行磨齒加工。對于一般采用 20CrMnTi 材料，按照傳統(tǒng)制造工藝及熱處理工藝滲碳淬火，滲層深度達(dá)到 0.3-0.5 的齒輪，其精度等級達(dá)到7級 GB10225-88 十分困難。

　　目前在很多高精度減速機(jī)行業(yè)，需要達(dá)到 GB7 級或以上的小模數(shù)螺旋錐齒輪，通常采用氮化處理的方式，但齒輪的彎曲強(qiáng)度不能滿足要求。因此，高精度和高強(qiáng)度小模數(shù)螺旋錐齒輪的制造技術(shù)就成為了本行業(yè)的一項(xiàng)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

　　目前有學(xué)者提出采用復(fù)合氮化的新技術(shù)研究成果，可能將為高精度和高強(qiáng)度小模數(shù)螺旋錐齒輪的制造帶來新的推動。

　　3.2 大減比齒輪技術(shù)

　　小輪齒數(shù)不大于 4，傳動比在 10 以上的齒輪可以稱作少齒數(shù)大減比齒輪。在機(jī)器人、蝸輪副等很多實(shí)用場合，需要減輕傳動系統(tǒng)的重量，克服傳動效率較低的問題。日本等國已經(jīng)在該項(xiàng)制造技術(shù)方面十分成熟，產(chǎn)品已經(jīng)系列化，對于我國的小模數(shù)螺旋錐齒輪行業(yè)來說是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

　　金華新天于 2012 年初成功開發(fā)了 2:60，模數(shù)為 1 的大減比準(zhǔn)雙曲面齒輪，從而開啟了我國大減比齒輪制造技術(shù)的先河。

　　該項(xiàng)技術(shù)的難點(diǎn)在于，齒數(shù)少于 4 的計(jì)算軟件，國內(nèi)市場上沒有相關(guān)的參數(shù)計(jì)算軟件和強(qiáng)度校核軟件。另外加工設(shè)備需要六軸五聯(lián)動數(shù)控銑齒機(jī)。

　　少齒數(shù)大減比小模數(shù)錐齒輪的開發(fā)及應(yīng)用，將為機(jī)器人以及自動化行業(yè)國產(chǎn)化帶來新的機(jī)遇。

　　3.3 綠色制造技術(shù)

　　對于小模數(shù)螺旋錐齒輪行業(yè)來說，綠色制造技術(shù)體現(xiàn)在材料節(jié)省、減少環(huán)境污染等方面，這無疑也是一項(xiàng)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

　　當(dāng)前，小模數(shù)螺旋錐齒輪的材料利用率只有 40-60%，有 50%左右的材料被當(dāng)作廢鐵渣賤賣，是對鋼材和資源的極大浪費(fèi)。最近幾年，在 MG 公司的引領(lǐng)下，電動工具行業(yè)許多大批量的產(chǎn)品均成功地使用了粉末冶金齒輪，即傳動比較大的大齒輪采用粉末冶金，小齒輪采用鋼制齒輪與之配套。同時(shí)國內(nèi)也誕生了許多相關(guān)的粉末冶金齒輪生產(chǎn)企業(yè)，這種技術(shù)的材料利用率達(dá)到 95%以上，幾乎沒有大的浪費(fèi)。

　　但是，要生產(chǎn)高精度、高強(qiáng)度的粉末冶金齒輪，目前只能選擇進(jìn)口材料配方，這無疑對我國的材料行業(yè)也提出了新的要求。另外，國內(nèi)同行對于高精度、高強(qiáng)度的粉末冶金制造工藝的探索還處于初級階段，與 MG公司相比還有很長的路要走。

　　干切削技術(shù)是一直被視為綠色制造的關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前，國內(nèi)外設(shè)備制造廠家對于大模數(shù)錐齒輪的干切削技術(shù)研究較為深入，但還沒有看到小模數(shù)錐齒輪干切削成功的案例，這對機(jī)床行業(yè)也是一個(gè)新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

　　小模數(shù)錐齒輪未能成功移植干切削技術(shù)的部分原因是小模數(shù)錐齒輪行業(yè)正處于一個(gè)以價(jià)格競爭為主，而非差異化競爭為主的時(shí)代，造成利潤越來越低。銑齒機(jī)制造行業(yè)也因此沒有足夠的利潤和資金用于該項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新，使得小模數(shù)錐齒輪的干切削技術(shù)得不到研發(fā)和應(yīng)用。

　　4 結(jié)論

　　我國小模數(shù)錐齒輪加工技術(shù)方面，GEASON 制弧齒錐齒輪需要在六軸五聯(lián)動數(shù)控銑齒機(jī)、涂層刀具、硬質(zhì)合金刀條式刀具、高精度數(shù)控磨刀機(jī)方面進(jìn)一步提升技術(shù)或工藝水平，以便進(jìn)一步提升加工品質(zhì)和效率。而 KLINGELBERG 制延伸外擺線錐齒輪需要在加工設(shè)備上進(jìn)一步提高剛性和設(shè)備的數(shù)控化，以免在國內(nèi)的應(yīng)用被邊緣化。兩種齒制的設(shè)備自動化應(yīng)用水平都亟待突破。

　　在精度標(biāo)準(zhǔn)方面，由于標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，需要與客戶溝通進(jìn)行精度標(biāo)準(zhǔn)的選擇以及能夠達(dá)到的精度標(biāo)準(zhǔn)等級;如果實(shí)際達(dá)不到，以滿足實(shí)際使用要求來進(jìn)行最終的判斷。在精度檢測方面，國內(nèi)的單項(xiàng)精度檢測水平較高，但需要能數(shù)字化反映嚙合點(diǎn)位置的瞬時(shí)增量的測量設(shè)備來評判傳動質(zhì)量。如果引入輪齒齒面的網(wǎng)格式測量，即繪制輪齒齒面網(wǎng)格誤差圖的方法，將有利于生產(chǎn)中的誤差分析，那么需要解決測頭問題，同時(shí)要考慮加工方法與測量軟件匹配的問題。

　　小模數(shù)螺旋錐齒輪制造技術(shù)在以下方面存在新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)：高精度高強(qiáng)度齒輪制造技術(shù)、大減比齒輪技術(shù)和綠色制造技術(shù)。

　　這些制造技術(shù)的提升和創(chuàng)新將是小模數(shù)螺旋錐齒輪行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級的核心動力。