一、前言
如今，汽車在人們現實生活中作為不可或缺的交通工具，其功能方面備受關注。在汽車加工生產中，齒輪屬于基礎的傳動構件。伴隨人們對于汽車越來越高的要求，齒輪質量及其功能備受重視。齒輪加工技術的逐漸提升，有利于齒輪強度的積極改善，在保證齒輪具備降噪以及耐久性功能基礎上，也確保汽車穩固性提升，從而延長汽車的使用周期與整體舒適性。
二、齒輪加工的干切技術
一直以來，汽車齒輪的切削加工都在運用切削油，這不僅會污染到工業生產環境，還會對操作者本身健康產生重大威脅。此外，使用切削油還會增加相關成本，如處理廢油成本、切削油成本、分離油霧設備等。這些都會進一步增加加工成本，有些國家在處理切削油成本方面甚至超過了總加工成本的 10%~30%。所以在環保要求下，很多國家的汽車齒輪加工廠提倡使用無切削油類干切技術。為確保干切削切實可行，首先要加強研發干切基礎所需的機床與刀具。在干切技術中所需刀具，確保其壽命維持穩定，機床也要將高溫下產生的切屑快速排出。汽車齒輪加工伴隨機床設計技術的提升及刀具鍍層與材料技術的持續發展，為很多國家的齒輪干切技術提供了飛速發展的空間，從而實現社會效益的不斷提升。
滾齒干切技術
20 世紀 70 年代初期，日本研發出硬質合金滾刀圓柱齒輪干切技術(圖 1)，并在市場上廣泛投放，例如三菱重工與某公司分別加工出硬質類合金齒輪設備。20 世 紀 80 年代我國研究工具行業、齒輪加工總廠、機床廠、材料研究廠等諸多單位同時肩負著硬質類合金滾刀工具的研發任務，并以此開始對硬質類合金滾刀干切技術進行加大使用，有些技術和產品甚至獲得過科技成果的研究獎項，如某倒擋齒輪(m=3.175)，但由于諸多因素尚未堅持研究下去。當前此類技術在同步加工變速箱中的小模數、小齒輪等產品中使用，在中國未實現大力推廣。就算日本率先推出此類技術也并未實現廣泛運用，硬質合金類滾刀工具容易形成崩刃現象，導致刀具應用周期縮短，是其生產尚未廣泛運用的根本因素。
圖1 硬質合金滾刀圖
a. 干切削滾齒用的滾刀和切削的比較。
三菱重工在進行干切滾刀的開發中，為提升刀具的耐熱性、耐磨性進行特殊鍍層的處理，開發出超級干切滾刀，在對 m=2.05、z=49、β=21.5°、b=40 等工件切削中，選擇 170HB、SCM415;滾刀頭數為 3 個，即 De=75，槽數需控制在 16 個，切削速度控制在 1 min/v=200 m，走刀轉速控制在 1 轉/s=2.4 mm。比較旋向順銑之干切與濕切結果發現，干切較濕切加工效果可以提升 2 倍，可讓刀具的應用周期提升 5 倍，且因并未運用切削油，干切成產費用會下降超過 40%。
b. 干切滾齒加工機床。
三菱重工在 GE 滾齒機專項干切技術的研發過程中，在機床切削的適當位置配備專項的切屑輸送器，并采用壓縮空氣將高溫切屑在未接觸到機床時就快速排出，因此能防止因熱切屑造成的滾齒機熱變形。所以有些滾齒輪格局設計為臥式，如此才能方便切屑排出，比如三菱重工的 GN 型滾齒機，有些行業還相繼推出干濕兩類切削技術都能運用的一種滾齒機。有關干切滾齒加工機床如圖 2 所示。
圖 2 干切滾齒加工機床圖
插齒干切技術
在汽車齒輪加工技術中，不僅有滾齒，還有抽齒干切技術，如唐澤鐵工、三菱重工等都相繼研發出一種插齒機，采用干切技術。三菱重工加工的插齒機型號為 SE25A，采用干切插齒刀的材料為高速鋼，粗差切削的速度高于濕差切削速度的 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長 3~5 倍。在設計此類插齒機時，不僅需要對機床排屑與剛性充分思考，還要使用均衡軸促進高速插齒噪音與振動的降低。
螺旋錐齒輪的干切技術
a. 強力干切用的螺旋錐齒輪銑齒機。
某公司六軸全控制 CNC 準雙曲面齒輪銑齒機 CNC 選擇了速度較快的特殊主軸，刀盤主軸的轉速最快可以達到 1 min/2 000 r，這在傳統搖臺式切齒機方面根本無法實現。因復雜齒輪傳動鏈已經取消，可以確保刀軸均衡運動，從而規避了高速切削動作時主軸溫度上升。公司需要按照空氣動力學的相關原理，在加工機床區域裝載獨特的排出裝置，將刀軸頭與加工區融入所有排出切削的容器中，通過兩個高壓空氣噴嘴將切屑吹至機床后擋板位置，讓其和刀具及工件遠離，加工生產形成的 80% 熱力會伴隨切削同步向機外排出，排出切削的容器正面需要橫向回轉，如此才能給更換刀具提供便利。螺旋錐齒輪如圖 3 所示。
圖 3 螺旋錐齒輪圖b. 強力干切用的刀具。
強力干切時選擇新研發的型號為 PENTAC 刀具，整體形狀為棒型硬質類合金刀頭。硬質類合金刀頭在某公司 300CG 型刀盤磨床上使用涂抹金剛石砂輪刃刀，刀頭使用硬質類合金材料 H10F 型材料，等同于 ISO 標準K牌號。刀頭切削面使用 TiAIN 鍍層。
c. 強力干切的經濟性比較。
某公司對 450HC 切齒機的兩類切削技術進行了對比，結果顯示，強力干切方法較傳統切削技術可以取得良好收益，例如，相同切削的齒輪，原先每一個齒輪的切削都要耗費電力 119.85 kW/min，而強力干切削僅需 30.75 kW/min，等同于原先使用 1/4。而在同等切削基礎下進行大小齒輪的加工，對比強力干切與傳統加工技術，其加工時間約為傳統的 1/3~1/2。雖說強力干切技術采用鍍層硬質類合金刀頭容易增加成本，但因刀頭應用周期可以延長，降低刀磨次數及節約切削油，尤其是因生產效果提升而減少成本，因此有利于經濟效益的提升，通常還能讓齒輪整體成本大約減少 28%。
三、無斜齒導套的斜齒插齒機
插齒機在進行直齒輪或斜齒輪加工時，需采用導套確保切削操作的順利進行，插斜齒輪應該對螺旋導套進行合理運用。插斜齒輪對插齒刀螺旋角與工件螺旋角提出了相等的要求。而對螺旋導套導程與插齒刀導程提出了相同的要求，一般在斜齒輪加工生產中，根據要求使用螺旋導套，對各類斜齒輪加工時，需要進行導套的合理更換。但因導套的加工生產流程非常復雜，且具有很長的制造時間，導套更換非常麻煩，因此在開發新型產品時，插斜齒變成新產品研發的重大阻礙，所以可以改變插斜齒輪結構為兩體，如在加工 MSB 五十鈴中間軸時選擇此類方法，另一種方法就是在現有導套基礎下，改變工件的螺旋角參數，在設計 1 252 分動器中的齒圈時，應該使用此類方法，但上述辦法都具有制約性。因此多年以來，人們始終希望研發出無需使用斜齒導套即可進行插斜齒輪的一種插齒機床。
四、同步式剃齒機
在精加工齒輪中，剃齒也是方法之一。在剃削過程中，因為工件可以在剃齒刀的帶動下進行旋轉，二者并無傳動鏈，通過剃齒刀與工件無側向縫隙螺旋齒輪進行副嚙合，二者接觸點速率會伴著不同方向讓齒輪加工齒側面沿著剃齒刀向齒側面移動，剃齒刀側面存在諸多小凹槽，凹槽和齒側面交線即為切削刃，齒輪側面在自身滑移中可將細小切屑切下。剃齒在修正剃齒齒形、減小齒向誤差和齒面粗糙度等方面效果較好，尤其是在提升剃齒的生產效果方面，明顯低于磨齒費用，因此至今在精加工齒輪方面還在廣泛使用。
但此類剃齒手法仍有不足之處，因其屬于自由傳動，在反向加工剃齒旋轉中，容易發生轉速丟轉現象，這對修正齒形的能力產生直接的影響，尤其是輪齒圈徑向修正中產生跳動誤差，容易被轉換成切向誤差，還會讓齒距誤差增加。
目前國外研發出同步剃齒機，如三菱重工研發的 FS 型同步剃齒機。按照公司介紹，此類剃齒機齒刀與工件存在強制性傳動鏈，通過對剃刀軸與工件軸嚙合傳動同步控制，不僅可以對齒形及齒向加以修正，又能對齒距誤差與齒圈跳動加強修正，且因剃刀旋轉方向僅有一個，無需反轉即可讓加工操作完成，可讓加工時間縮減 30%，保證剃齒操作效果不斷提升。
此外，現有的傳動剃齒機開啟及切換正反轉中，形成的加減速度容易形成大負荷，導致剃刀磨耗并損傷工件齒面，而同步剃齒機能夠完全規避這種問題。一些國家經過研發后，經過試驗證明同步剃齒機容易提升剃齒刀的磨損速度，還會讓剃齒面的粗糙度變大。
五、磨齒加工的應用
圓柱齒輪磨齒加工
在精加工變速器的圓柱齒輪時，關鍵環節就是磨齒與剃齒，但是磨削齒輪側面的粗糙程度與精度明顯較剃齒高，尤其是熱變形的修正。20 世紀 80 年代中期，某公司從日本汽車制造行業專門引進了生產變速器的技術，在精加工齒輪中開始廣泛運用磨齒技術，自此以后，加工汽車齒輪企業開始對磨齒工藝加大介紹力度，對當下齒輪加工行業產生熱議。
限于當下條件，部分廠家以為齒輪的生產效果不高、成本投入較高不會而推廣大量汽車齒輪的加工行業。但目前伴隨 NC 磨齒機飛速發展，磨齒效果逐漸提升，齒輪的修正程度也更簡約，CBN 磨輪廣泛運用，尤其是汽車提升了變速齒輪精度要求及重汽變速器在核心距離未變的前提下，為促進齒輪強度不斷提升而增加齒面的寬度時，提升齒向的精度，需要選擇磨齒技術，因此通過熱后磨齒替代熱前的剃齒加工技術是必然選擇。
很多國家重型變速器的齒輪及高級轎車變速器都會選擇磨齒，尤其是歐洲國家將磨齒當成汽車齒輪高精度生產優選運用的一種技術。我國近幾年的變速器齒輪廣泛使用磨齒技術，提升了加工效果。
螺旋錐齒輪磨齒加工
汽車傳動質量的要求逐漸提升，對汽車螺旋錐齒輪與準雙曲面齒輪的傳動副提出了磨齒要求。以往國外公司在機械傳動圓弧齒錐形齒輪磨齒機的生產加工中，因為結構相對復雜、價格高昂，加工效果不好，并未對磨齒技術加以運用，該技術僅在生產一些小量精準度較高的石油機械、航空及精密機床等螺旋錐形齒輪的企業中使用。
近幾年，伴隨 CNC 技術持續發展，汽車加工行業都持續研發出同類磨齒機，并在磨削圓弧齒螺旋錐形齒輪中使用。還有一些行業研發出 CNC 系列圓弧齒螺旋錐形齒輪磨齒機及磨削技術，推動了磨齒效果最大化提升。圓弧齒錐形齒輪單件的磨削時間已經和切削時間相等，尤其是通過瓦古力方法的開發磨削成形進行螺旋錐形齒輪的加工，讓汽車齒輪圓弧齒錐形齒輪磨削技術在大量生產企業中實現了廣泛運用。
六、強力珩齒技術的發展
20 世紀 60~70 年代，選擇圓盤形或蝸桿形衍輪當成熱后修成齒面的精加工工藝，曾用于國外汽車加工齒輪行業之中，當下我國仍有很多加工齒輪的企業正在使用此類技術，如筆者所在企業在 60 年代開始引入英國公司生產的圓盤形珩輪珩齒機。實踐證明，此類技術只能在淬硬齒輪齒面的粗糙度方面使用，且無法提升齒形及齒向的精度，珩削時間很長相反還會讓齒輪的精度受到破壞，因此這個技術尚未實現廣泛推廣。雖說磨齒可讓熱后的齒輪精度提升，但按照國外相關學者的試驗研究顯示，齒輪表面波紋也就是波紋振幅，波長與方向幾個方面都會對齒輪噪聲特征產生影響。磨齒對降低噪聲極其不利，還有很多廠家在完成磨齒操作后選擇衍齒，這樣容易增大制造成本。
七、齒輪自動分選檢驗機
a. 用齒輪配對機檢查。在配對設備上使用能夠嚙合的齒輪來高速運行，通過人類感官視聽評判齒輪檢查對象有無毛刺與磕碰噪聲。
b. 用齒輪雙面嚙合檢查儀檢查。通過對齒輪檢查與齒輪標準進行雙面嚙合的同時，被檢測的齒輪向中心距離轉換變動，以此判斷其有無毛刺與磕碰噪聲。
c. 人工目測檢查。通過人工目測檢查齒輪有無毛刺與磕碰噪聲。以上幾種檢查方法雖說有利有弊，但是仍有共同的問題存在，也就是配置專項人員完成操作，不僅成本較高而且還需依賴人類感官進行判斷，無法規避不合格的變速器裝配后會讓齒輪產生毛刺及磕碰噪聲而進行再次拆裝。
八、結語
本文對汽車齒輪加工行業新型技術介紹，包括螺旋錐形齒輪磨齒機干切滾齒工藝等，我國已有很多單位對此類技術開展了研發工作，但仍有很多新型技術在我國處于空白，所以我國制造廠家需要對該類新技術與發展動向高度重視，并推動中國汽車齒輪制造水平朝著新型臺階邁進。
參考文獻略