1 引言

　　國(guó)內(nèi)的齒輪箱行業(yè)于20世紀(jì)中期開始快速發(fā)展，涌現(xiàn)出了一批優(yōu)秀的齒輪箱開發(fā)企業(yè)和行業(yè)前輩。他們努力學(xué)習(xí)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，將國(guó)產(chǎn)品牌帶上了一個(gè)新臺(tái)階，甚至達(dá)到了國(guó)外同等水平。國(guó)產(chǎn)齒輪箱在各應(yīng)用領(lǐng)域逐漸打破了國(guó)外產(chǎn)品的壟斷，為國(guó)家建設(shè)做出了巨大貢獻(xiàn)。

　　經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，國(guó)產(chǎn)齒輪箱和國(guó)外產(chǎn)品是否還有差距?或是已經(jīng)超越?筆者基于自身十多年齒輪箱制造行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)積累和對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的了解，從齒輪箱關(guān)鍵工序入手，對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)要的對(duì)比和分析。

　　2 齒輪箱制造工藝簡(jiǎn)介

　　限于篇幅，本文只從關(guān)鍵制造工序分析國(guó)內(nèi)外齒輪箱的開發(fā)水平，即從原材料來(lái)料到齒輪件終檢入庫(kù)。

　　圖1展示了齒輪件的主要加工工序：鍛件廠提供合格的鍛件，有時(shí)也按要求進(jìn)行粗、精加工;滾齒是齒輪成型的重要工序，按內(nèi)齒/外齒和成型方式主要有滾齒、插齒、銑齒、拉齒等;熱處理通常是通過(guò)向齒面的一定深度滲入碳、氮或通過(guò)電感應(yīng)淬火增加齒面的硬度;磨齒是提高齒面的粗糙度、修形以延長(zhǎng)壽命、降低噪聲;最后零件通過(guò)檢驗(yàn)入庫(kù)，等待最后裝配。

　　圖1 齒輪箱制造工藝

　　以下章節(jié)我們對(duì)各個(gè)工序進(jìn)行分析和對(duì)比。

　　3 鍛件

　　鍛件的上道工序是煉鋼，通過(guò)上游提供的原材料(鋼錠、連鑄坯、電渣鋼)鍛打成型，提高鍛件的力學(xué)性能。鍛件的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)有力學(xué)性能、化學(xué)成分、晶粒度、純凈度等。理化性能通常是硬指標(biāo)，也是國(guó)內(nèi)外原材料都能滿足的前提條件。純凈度指標(biāo)近十年來(lái)越來(lái)越受到關(guān)注和重視。隨著齒輪箱行業(yè)的發(fā)展，齒輪箱的功率密度也在逐步提高，齒輪箱承載能力更強(qiáng)、體積更小;在原有的失效模式外，一種新的失效模式———齒面斷裂(TFF)正在越來(lái)越多地提前結(jié)束齒輪箱的壽命。

　　所以，決定鍛件質(zhì)量的關(guān)鍵可能在于煉鋼環(huán)節(jié)。目前國(guó)內(nèi)大面積使用的還是鋼錠，即傳統(tǒng)的煉鋼工藝形成的毛坯。鋼錠是逐個(gè)生產(chǎn)的，所以個(gè)體之間存在差異，甚至一個(gè)錠切割的各部位也存在較大差異，兩端的純凈度肯定要比中間差很多。

　　連鑄坯能有效避免鋼錠的主要缺點(diǎn)。鋼水連續(xù)澆注提高了效率，且整個(gè)坯的各項(xiàng)性能指標(biāo)一致性非常好，鋼的純凈度控制也比鋼錠優(yōu)秀很多。連鑄坯主要有兩點(diǎn)劣于鋼錠：一是力學(xué)性能，另一點(diǎn)可能是連鑄坯的致命弱點(diǎn)———芯部比外圍各項(xiàng)指標(biāo)差。所以，連鑄坯一般用于批量產(chǎn)品的空心類零件，如齒圈和中空的餅狀齒輪。

　　電渣鋼(ESR)近幾年開始大量用于高功率密度、高可靠性要求的零件上。電渣鋼是在原煉鋼工藝的基礎(chǔ)上增加了一道通過(guò)電極消耗鋼水中雜質(zhì)的工序，大大提高了鋼的純凈度。電渣鋼提出于20世紀(jì)40年代，在歐洲、美國(guó)、前蘇聯(lián)得到發(fā)展， 起初只用于航空航天、軍用武器方面，隨后才逐步應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。電渣鋼在擁有其他鋼種優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)避開了其缺點(diǎn)，但因價(jià)格相對(duì)較高，目前在工業(yè)領(lǐng)域也僅在特殊要求下應(yīng)用于部分特殊零件。

　　隨著國(guó)內(nèi)煉鋼、鍛造技術(shù)的發(fā)展以及全球供應(yīng)鏈的形成，國(guó)外齒輪箱制造商也開始大量采購(gòu)中國(guó)的原材料。分析他們的供應(yīng)鏈也可發(fā)現(xiàn)一些特點(diǎn)：大的鑄件和鍛件目前已基本實(shí)現(xiàn)100%國(guó)產(chǎn)化，70%～80%齒輪件和內(nèi)部軸類零件也已實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，但還有部分高可靠性零件如行星輪、高速齒輪軸等依然采購(gòu)歐洲、印度、韓國(guó)和日本的鋼材，運(yùn)到中國(guó)加工或裝配。

　　4 滾齒

　　滾齒工序決定了齒輪件的齒根粗糙度和齒輪精度，結(jié)果大多取決于設(shè)備、工藝和對(duì)設(shè)備的保養(yǎng)。滾齒設(shè)備不在西方世界對(duì)我國(guó)禁售范圍，所以幾乎可以買到德國(guó)、韓國(guó)、日本所有的優(yōu)秀設(shè)備。國(guó)內(nèi)幾大齒輪箱制造廠均配備了一流的歐洲設(shè)備如Gleason、Liebherr等，加工的齒輪精度達(dá)到了ISO1328的3～4級(jí)，但精度能否在10年的折舊期內(nèi)有效保持是一個(gè)很大的問(wèn)題。為了利益最大化，犧牲保養(yǎng)時(shí)間也是常有的現(xiàn)象。

　　所以，滾齒環(huán)節(jié)國(guó)內(nèi)外應(yīng)該處在同等的水平，差異在于國(guó)內(nèi)的操作技師是否都接受了完善的職業(yè)技術(shù)教育以及作業(yè)前是否得到了充分的技能培訓(xùn)。我們經(jīng)?？吹絿?guó)外的操作者是一干幾十年的老技師，而國(guó)內(nèi)大多是相對(duì)年輕的工人。

　　5 熱處理

　　熱處理有感應(yīng)淬火和滲碳、滲氮等方式。感應(yīng)淬火主要應(yīng)用于齒圈零件，相對(duì)氣體滲碳明顯提升了效率，降低了成本，由于是局部加熱所以有較小的零件變形。滲碳、滲氮是向齒面一定深度范圍內(nèi)滲入C或N原子，通常步驟是：加熱—氣體滲入—油淬。由于是將整個(gè)零件加熱到930 ℃左右并迅速冷卻，整個(gè)零件會(huì)或大或小地存在變形問(wèn)題。所以，在滿足硬度和深度要求的前提下，如何控制變形至關(guān)重要。

　　國(guó)內(nèi)熱處理設(shè)備已有大量使用，國(guó)外的如AICHELIN、EMA等歐洲設(shè)備也越來(lái)越多地得到了國(guó)內(nèi)齒輪箱制造商的應(yīng)用。設(shè)備的質(zhì)量通常體現(xiàn)在能否快速精確地控制爐溫、保證爐內(nèi)各個(gè)區(qū)域溫度和氣體濃度均勢(shì)等，這對(duì)于保證同爐所有零件以及每個(gè)零件各部位熱處理結(jié)果一致性至關(guān)重要。

　　為了得到一致的熱處理性能，零件入爐時(shí)堆棧就非常講究。通常要進(jìn)行多次試驗(yàn)，并通過(guò)樣件切割檢測(cè)積累經(jīng)驗(yàn)、形成規(guī)范。每層零件數(shù)量、如何分布、零件層數(shù)既影響最后的結(jié)果，也影響生產(chǎn)效率。有時(shí)為了考慮經(jīng)濟(jì)性，不得不將幾種形狀相似的零件一起入爐，這樣控制零件的變形和熱處理性能就更加困難。

　　熱處理質(zhì)量指標(biāo)有硬度、硬化層深、硬度梯度、變形等。前幾項(xiàng)是硬指標(biāo)，變形控制則直接影響了下道工序。變形通常有變長(zhǎng)、變彎(軸類)、脹大、翹曲(餅類)等。后道工序(磨齒)希望變形越小越好，這樣能最快地磨到期望結(jié)果;如果變形太大，無(wú)法磨出，則只能報(bào)廢。所以熱處理水平更多的是要看通過(guò)控制入爐、出爐、冷卻等過(guò)程使零件達(dá)到硬指標(biāo)并控制變形最小。

　　6 磨齒

　　磨齒是最后一道精加工工序(除氮化齒輪)。磨齒后齒輪有合格的齒面粗糙度、硬化層深和齒形/齒向修形，疲勞壽命增長(zhǎng)，噪聲降低。國(guó)內(nèi)齒輪箱廠的磨齒設(shè)備也早已達(dá)到了西方水平。排列整齊的Gleason、Hoefler等坐落于恒溫車間，再配備歐洲一流的Klingelnberg齒輪計(jì)量?jī)x，利用這些設(shè)備，產(chǎn)品在質(zhì)量上跟西方幾乎沒(méi)有差距。

　　磨齒的另一項(xiàng)參數(shù)———留磨余量間接體現(xiàn)了齒輪箱的制造和熱處理水平。留磨余量是滾齒時(shí)預(yù)留的齒面厚度，以補(bǔ)償熱處理變形。熱處理水平高，變形能控制到很小，只需要較小的留磨余量;反之，留磨余量要加大。留磨余量大則要增加齒根的挖根量以保證磨后齒面和齒根圓角相切，而挖根量增大又會(huì)削弱齒根的彎曲承載能力。

　　齒輪的設(shè)計(jì)趨勢(shì)是功率密度提高、體積減小，留磨余量的控制已成為齒輪箱開發(fā)的重要限制因素。在接觸到的一些國(guó)外來(lái)圖加工的項(xiàng)目中可以發(fā)現(xiàn)他們的挖根量非常小，甚至可以一個(gè)圓弧直接過(guò)渡齒根，這就要求齒輪熱處理時(shí)控制變形很小，磨齒時(shí)幾乎只為磨出修形。這樣相同的齒輪參數(shù)齒根的承載能力要比國(guó)產(chǎn)增加15%～20%，進(jìn)而可以把齒輪箱做得更小。

　　7 結(jié)語(yǔ)

　　經(jīng)過(guò)對(duì)齒輪加工主工序、設(shè)備的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外使用的設(shè)備幾乎不存在差距，但是我們的原材料和熱處理環(huán)節(jié)還有一定差距。隨著電渣重熔這項(xiàng)國(guó)外已經(jīng)過(guò)了保密期的技術(shù)在國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用，國(guó)內(nèi)的鋼材質(zhì)量會(huì)越來(lái)越好。熱處理的變形控制可能還需要企業(yè)和科研院校靜下心來(lái)仔細(xì)研究和積累，盡快消除這項(xiàng)短板。否則我們還要在制造傻大笨粗的產(chǎn)品階段停留，缺乏國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。