葛便京 徐成慧

(中國一拖集團有限公司工藝材料研究所，河南洛陽 471004)

根據(jù)一個項目的安排，近期我們對歐洲及國內(nèi)的一些齒輪設(shè)備供應(yīng)商和齒輪生產(chǎn)企業(yè)進行了考察和技術(shù)交流，在考察和交流的過程中，我們發(fā)現(xiàn)目前齒輪制造工藝技術(shù)無論從毛坯到生產(chǎn)制造過程、還是從工藝方法到產(chǎn)品精度的整個制造過程的制造理念都發(fā)生了深刻變化。了解這種發(fā)展、變化，對掌握我們國內(nèi)的齒輪加工發(fā)展方向，促進本企業(yè)技術(shù)進步有著非常重要的現(xiàn)實意義。

1 毛坯原材化

毛坯是生產(chǎn)的基礎(chǔ)，也是整個工藝設(shè)計的出發(fā)點。為了獲得高性能的產(chǎn)品、減小熱處理變形，我們要控制毛坯的金相組織等各項指標。目前普遍采用鍛造毛坯，鍛造后進行正火或等溫正火等預(yù)熱處理方法。

在歐洲考察期間，我們注意到歐洲的齒輪生產(chǎn)廠家，包括知名廠家，很少用鍛件毛坯，從齒輪軸、花鍵軸到盤形齒輪，甚至φ300 mm以上直徑的弧齒錐齒輪大多都采用圓鋼下料。有的甚至不經(jīng)下料，直接用幾米長的圓鋼在車床上完成齒坯加工后再截斷。

毛坯原材化可以降低成本和縮短生產(chǎn)周期。毛坯不經(jīng)鍛造，可以節(jié)約的成本包括鍛打費、預(yù)熱處理費、材料加熱氧化損耗費、運輸費等。直接采用原材料代替鍛造毛坯，一般可節(jié)約毛坯費用20%以上，生產(chǎn)周期可以縮短10天左右。

對于高精度的齒輪，毛坯原材化的前提是高品質(zhì)的原材料和完備的熱后加工手段。

2 設(shè)備數(shù)控化、中心化

在歐洲，齒輪生產(chǎn)廠家的加工設(shè)備幾乎全線都是數(shù)控設(shè)備，在國內(nèi)的齒輪加工設(shè)備中數(shù)控機床的比例也在快速提高，一些齒輪生產(chǎn)廠家新購設(shè)備已全部選擇數(shù)控機床。但是國內(nèi)的數(shù)控機床大多是中低檔機床，高性能的機床很少。

在歐洲，目前的數(shù)控機床的功能不斷增加，單一功能的數(shù)控機床逐步為多功能機床所替代。普通的、單主軸數(shù)控車床逐步被雙主軸車床、車削中心、車銑復(fù)合中心(圖1)、車磨復(fù)合中心(圖2)、車銑磨復(fù)合中心所替代。這些機床功能強大，加工精度高，在一臺機床上可以實現(xiàn)原來需要多臺機床才能完成的加工內(nèi)容。具有這些功能的倒立車在齒坯加工和熱后硬態(tài)加工中的應(yīng)用，使齒坯精度和工件最終精度大大提高。這些機床在歐洲被列為加工中心范疇。

齒輪加工機床一般具有去毛刺功能、干切功能和熱后刮削功能，如圖3所示的滾齒機還具有車加工功能，從而實現(xiàn)部分齒坯加工和齒輪加工在同一臺機床上一次裝夾完成。磨齒機都具備齒形、齒向俢形功能，精度、效率也都大大提高。有的磨齒機同時具有蝸桿砂輪磨和成形磨兩種功能，可以實現(xiàn)用蝸桿砂輪磨進行粗磨齒，效率高，用成形磨進行精磨齒，精度高。

多功能機床的應(yīng)用，減少了工件裝夾、定位次數(shù)，很多位置關(guān)聯(lián)的加工面可以在一次裝夾中完成加工，避免了重復(fù)定位誤差。

隨著數(shù)控技術(shù)和刀具技術(shù)的發(fā)展，齒形加工也不是必須要在專用齒輪加工機床上才能完成，有的加工中心設(shè)備供應(yīng)商，利用特殊刀具可以在加工中心上實現(xiàn)齒形加工，包括圓柱齒輪和螺旋錐齒輪，其加工效率不低于專用齒輪加工機床。因為受刀具結(jié)構(gòu)限制，目前在加工中心上只能加工模數(shù)4 mm以上的齒輪。

目前，大多數(shù)機床都具有自動上下料功能。圖4所示是滾齒機的一種自動上下料裝置，采用機械手方式。還有其他結(jié)構(gòu)的自動上下料裝置，如傳送帶方式、機器人方式等。

3 工序集中化

按照以往的工藝制造理念，大批量生產(chǎn)在制定工藝時宜采用工序分散原則。然而按照現(xiàn)在的理念，無論批量大小，均不采用工序分散原則，而采用工序集中原則。

本刊訊 12月11日至12日，省人大常委會黨組書記、副主任于曉明赴青島市走訪聯(lián)系部分全國人大代表、省人大代表，向代表通報省人大常委會今年的主要工作，并征求代表對省人大常委會及其他各項工作的意見建議。省人大常委會副秘書長兼辦公廳主任劉治敏參加活動。

以往工藝之所以在大批量生產(chǎn)中采用工序分散原則，一個原因是機床功能少，無法采取工序集中原則，另一個原因是為了提高加工效率。一道工序如果加工內(nèi)容太多，則時間太長，減少加工內(nèi)容可以加快生產(chǎn)節(jié)奏，保證生產(chǎn)節(jié)拍。但實際上，分散工序需要的工裝夾具多，輔助時間多，總體上是降低了生產(chǎn)效率，而且需要的廠房面積也大。

工序集中的最大優(yōu)點是加工精度高，很多重要工序的加工，如果采用工序集中原則，在一次裝夾中完成加工，可以避免多次裝夾的重復(fù)定位誤差和定位基準不統(tǒng)一時造成的定位誤差，加工精度明顯提高。

隨著車削中心、多主軸車床、車磨復(fù)合機床的廣泛應(yīng)用，一個工件的全部加工內(nèi)容在一臺機床上就可以完成，而且銑槽、鉆孔等一些以前必須與齒坯分開加工的工序也可以一并完成，位置精度非常高，不存在工件重復(fù)定位誤差，只有機床的定位誤差，是由數(shù)控系統(tǒng)保證的，精度非常高。

將熱后硬態(tài)車削加工和磨削加工復(fù)合到一道工序中，車加工為磨加工留的余量非常小，一般只有0.02～0.03 mm，不僅能夠提高加工效率，加工精度也非常高，而且可以獲得很高的表面質(zhì)量，表面粗糙度可達Ra0.4 μm或更高精度。

同一工件上不同部位不同模數(shù)的齒輪也可以在一次裝夾中完成加工。如圖5所示，在主軸上同時裝有兩把插齒刀，可以在一次裝夾中完成內(nèi)、外齒插齒加工。在滾齒機上也可以實現(xiàn)類似的功能。

4 齒面精加工熱后化

齒面精加工采用的工藝方法主要有剃齒、磨齒、珩齒、刮齒。除剃齒外，其他3種工藝方法都是在熱后加工。但是剃齒調(diào)整方便、加工效率高，投資少，成本低，因此應(yīng)用最廣，是最主要的齒面精加工方法。但是剃齒不能進行硬態(tài)加工，為了消除熱處理變形的影響，剃齒一般要比產(chǎn)品精度高半級到一級。

目前，剃齒雖然仍是非常重要的齒形精加工方法，但是越來越多地為磨齒、刮齒所代替。磨齒主要采用蝸桿砂輪磨和成形磨，刮齒是在熱后再次對齒輪進行滾齒加工，熱后加工成的齒輪精度即是零件的最終精度，不用擔(dān)心熱處理變形問題。這樣可以減少為防止熱處理變形而提高原材料(毛坯)的成分、金相組織等的技術(shù)要求，降低毛坯成本和加工成本。

5 質(zhì)量控制SPC化

SPC可以預(yù)示是否需要調(diào)整加工過程，如調(diào)整工裝夾具、改變工藝參數(shù)等。

如圖6，當檢測點落在上警告線UWL和下警告線LWL之間時，說明生產(chǎn)過程穩(wěn)定;當檢測點落在上警告線UWL與上控制線UCL之間，或下警告線LWL與下控制線LCL之間時，說明加工系統(tǒng)出現(xiàn)問題，但仍可繼續(xù)生產(chǎn)，需要加大檢測頻次;當檢測點落上控制線UCL以上或下控制線LCL以下時，說明生產(chǎn)過程必須停下檢查，尋找加工系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因，進行工藝參數(shù)調(diào)整等，從而保證生產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品零件。

在歐洲的齒輪生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)現(xiàn)場有很多這樣的SPC檢測點(圖7)。

6 加工干切化

傳統(tǒng)的齒輪和花鍵軸滾齒加工采用濕式加工，即在滾齒加工時要用油等冷卻液對滾刀進行冷卻與潤滑，以改善切削條件，提高切削效率，增加刀具壽命。但是冷卻液的使用也帶來很大的副作用:冷卻液的蒸發(fā)和滴漏造成嚴重的環(huán)境污染，使生產(chǎn)現(xiàn)場地面污穢，廠房空氣質(zhì)量很差，甚至危害員工的身心健康;同時冷卻液的使用和對其處理也構(gòu)成很大的生產(chǎn)成本。

在《中國齒輪行業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃綱要(2011－2015)》中，將“節(jié)能環(huán)保干切技術(shù)和裝備”列為技術(shù)改造工程的第一項。與歐洲企業(yè)相比，我國的干切技術(shù)發(fā)展尚屬起步階段，歐洲的干切加工已占很大比例，圖3所示的滾齒機采用的就是干切技術(shù)?？梢圆捎酶汕屑庸さ墓に嚢L齒、滾花鍵、螺傘齒輪切齒，資料表明可以干切加工的插齒機也已出現(xiàn)。因此干切加工必然是齒輪加工的發(fā)展方向。

7 熱處理變形微量化

如何減小熱處理變形一直是困擾機械制造行業(yè)的一大問題，歐洲在這方面取得了非常大的效果。

利用雙頻加熱技術(shù)(圖8)實現(xiàn)齒輪工件的仿形硬化，加熱時間極短，熱效率極高，變形量很小，對環(huán)境造成的污染也很小。

利用2 500 kW的雙頻加熱技術(shù)對一直徑200 mm左右的螺旋傘齒輪進行雙頻感應(yīng)淬火，只需0.36 s。如此短的時間，在熱量傳向其他非淬火部位前已完成淬火，停止加熱，因此工件幾乎沒有變形。

在歐洲也有為解決復(fù)雜薄壁工件的變形問題而采用真空加熱和氣淬、氮化等工藝。

8 產(chǎn)品精密化

隨著技術(shù)的發(fā)展，不但齒輪產(chǎn)品的齒形精度越來越高，而且零件其他部位的精度也越來越高。

中國正在努力由齒輪制造大國向齒輪制造強國轉(zhuǎn)變，及時進行設(shè)備更新，進行環(huán)保、高速、高效、高精度齒輪制造是必由之路。

9 結(jié)語

以上是筆者在考察后的感受和理解，因為考察時間和廠家數(shù)量有限，以及廠家技術(shù)保密等原因，所見所聞并不能覆蓋齒輪制造行業(yè)全貌，所得結(jié)論難免有失偏頗，加上筆者水平有限，可能存在不當之處，僅供參考。