株洲齒輪有限責(zé)任公司 潘曉東 劉祥環(huán)

高效干切技術(shù)在螺旋錐齒輪行業(yè)的應(yīng)用

株洲齒輪有限責(zé)任公司 潘曉東 劉祥環(huán)

本人結(jié)合企業(yè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，主要介紹高效干切技術(shù)（Power Cutting）在螺旋錐齒輪行業(yè)的應(yīng)用，根據(jù)實(shí)際制造經(jīng)驗(yàn)，將高效干切技術(shù)和通用加工螺旋錐齒輪工藝進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)高效干切技術(shù)的各種優(yōu)勢(shì)。通過(guò)株洲齒輪有限責(zé)任公司多年對(duì)高效干切技術(shù)的研究，總結(jié)出了影響干切技術(shù)國(guó)產(chǎn)化的因素及解決方案。

螺旋錐齒輪；干切技術(shù)

1 概述

隨著中國(guó)汽車(chē)工業(yè)的高速發(fā)展，中國(guó)汽車(chē)關(guān)鍵零部件的制造技術(shù)也在不斷地提升。車(chē)企普遍認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、車(chē)橋?yàn)槠?chē)工業(yè)的三大核心技術(shù)，而車(chē)橋廠又視螺旋錐齒輪為其核心技術(shù)。株洲齒輪有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為株齒）從事了50多年的汽車(chē)齒輪研發(fā)與制造，是螺旋錐齒輪相關(guān)國(guó)標(biāo)的制定者。長(zhǎng)期以來(lái)，螺旋錐齒輪的切齒一直使用“濕切”方法，隨著客戶對(duì)汽車(chē)產(chǎn)品質(zhì)量和舒適性等要求的不斷提高，普通的螺旋錐齒輪加工設(shè)備和工藝已經(jīng)滿足不了客車(chē)螺傘、出口汽車(chē)的要求。株齒一直在探索新工藝來(lái)提高螺旋錐齒輪的精度要求，改善接觸區(qū)域，降低噪音，但在原有設(shè)備基礎(chǔ)上改變加工工藝，產(chǎn)品的精度、接觸區(qū)、噪音并沒(méi)有得到質(zhì)的飛躍。隨著機(jī)床、刀具、材料的發(fā)展，尋求一種高效、高精度、節(jié)能、環(huán)保、低成本制造高性能螺旋錐齒輪的切齒方法是行業(yè)的一個(gè)夢(mèng)想。

圖1 株齒的美國(guó)格里森齒輪干切生產(chǎn)線

20世紀(jì)90年代，美國(guó)格里森公司推出螺旋錐齒輪干切技術(shù)，并獲得美國(guó)汽車(chē)工業(yè)最高的榮譽(yù)—PACE大獎(jiǎng)。自此以后，歐美螺旋錐齒輪設(shè)備廠家及生產(chǎn)企業(yè)圍繞這一干切齒工藝技術(shù)進(jìn)行了大量研究，并得到了產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用。從20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)也有企業(yè)進(jìn)行了弧齒、錐齒輪、干切齒的嘗試，如湖北車(chē)橋、一汽地盤(pán)引進(jìn)奧利康機(jī)床進(jìn)行干切，天津機(jī)床使用涂層高速鋼刀具進(jìn)行干切，但因齒坯材料、正火、刀具等原因，效果都不理想，干切技術(shù)最終沒(méi)有在國(guó)內(nèi)推廣。

圖2 株齒濕切銑齒線和拉齒線

從2007年年底到現(xiàn)在，株齒在格里森工廠大規(guī)模訂購(gòu)了鳳凰600HC、鳳凰Ⅱ型設(shè)備，現(xiàn)已形成10萬(wàn)套／年的干切能力。剛開(kāi)始使用國(guó)產(chǎn)鍛坯、美國(guó)進(jìn)口刀具，干切數(shù)比為21∶29、大端模數(shù)為10.173的弧齒錐齒輪，取得了刀具修磨后一次切齒超過(guò)80套以上的理想結(jié)果。隨后，株齒公司在國(guó)內(nèi)又進(jìn)行多次的干切齒試驗(yàn)，產(chǎn)品大端模數(shù)達(dá)13以上，齒數(shù)從17到41，使用的齒形加工方法包括滾切法、成形法。2012年，株齒公司使用干切技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品已超過(guò)5萬(wàn)套，今后將繼續(xù)增加技改投入，將干切齒產(chǎn)能擴(kuò)大到30萬(wàn)套／年。

圖3 株齒螺旋錐齒輪加工設(shè)備

2 螺旋錐齒輪干切技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

2.1 干切的高效優(yōu)勢(shì)

根據(jù)株齒公司長(zhǎng)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)顯示，干切的切齒時(shí)間為1.5min，而濕切的切齒時(shí)間為6min，即干切的切齒效率是濕切的4倍。當(dāng)采用手動(dòng)上下料時(shí)的綜合加工時(shí)間分別為4.75min和6.75min，即干切手動(dòng)上下料工序的效率是濕切的2.5倍。當(dāng)干切應(yīng)用在自動(dòng)線上的效率是濕切的1.4倍。下表為實(shí)際使用時(shí)，干濕切的生產(chǎn)效率對(duì)比數(shù)據(jù)：

齒數(shù) 大端模數(shù)大輪濕切（端面銑削法）大輪干切（端面銑削法）效率比較粗切 精切 合計(jì) 大輪粗精切齒 濕切／干切Z＝29 10.173 21′ 19′ 40′ 7′52″～9′12″ 5.1～4.3倍Z＝28 10.357 20′ 18′ 38′ 7′45″～8′54″ 4.9～4.3倍Z＝37 13.25 24′ 9′ 33′ 13′52″ 2.4倍Z＝40 10.875 22′ 8′ 30′ 11′01″ 2.7倍Z＝40 11.4 22′ 8′ 30′ 14′ 2.1倍Z＝39 11.131 22′ 8′ 30′ 15′25″ 1.9倍Z＝37 11.757 22′ 8′ 30′ 11′54″ 2.5倍Z＝41 10.61 22′ 8′ 30′ 14′53″ 2倍

從上表可以看出，干切的加工效率為濕切的2～5倍，變化范圍比較大。若濕切時(shí)采用滾切法，干切生產(chǎn)效率的優(yōu)勢(shì)是非常明顯的；若濕切采用成形法，由于濕切時(shí)成形法本身的效率比較高，干切的效率優(yōu)勢(shì)則體現(xiàn)得不那么明顯。若能使用成形法的螺旋錐齒輪濕切時(shí)使用滾切法，則干切的生產(chǎn)效率將是濕切的5倍以上。

2.2 干切的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)

螺旋錐齒輪濕切的電力消耗計(jì)算如下：

大輪粗切：7.5kW×（20～24）min／60＝2.5～3kW·h。

大輪精切：7.5kW×（8～19）min／60＝1～2.375kW·h。

小輪粗切：7.5kW×（12～24）min／60＝1.5～3kW·h。

大輪兩端面精切：［7.5kW×（12～21）min／60］×2＝1～2.375kW·h。

每套產(chǎn)品切齒工序，使用滾切法濕切的電力消耗為：（2.5～3）＋2.375＋3＋5.25＝13.125～13.625kW·h／套。

每套產(chǎn)品切齒工序，使用成形法濕切的電力消耗為：（2.5～3）＋1＋1.5＋3＝8～8.5kW·h／套。

螺旋錐齒輪干切的電力消耗計(jì)算如下：

淺談橋梁施工中大跨徑連續(xù)橋梁的施工技術(shù)…………………………………………… 韓彥龍，李洪生（10-187）

使用滾切法干切，大、小輪粗精切的電力消耗為：［20kW×（7.86～9.2）min／60］×2＝5.24～6.13kW·h／套。

使用成形法干切，大、小輪粗精切的電力消耗為：［20kW×（11.01～15.42）min／60］×2＝7.34～10.28kW·h／套。

從上述計(jì)算可以看出，都使用滾切法時(shí)，干切的電力消耗比濕切低很多；若都使用成形法，從理論計(jì)算的角度上看，其電力消耗差別不大。由于干切不使用任何冷卻劑（油、液、氣），所以也不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生任何不良影響。

2.3 干切的成本優(yōu)勢(shì)

從目前情況看，雖然實(shí)現(xiàn)螺旋錐齒輪干切齒存在有設(shè)備投資大。刀具首期投入大，國(guó)內(nèi)在技術(shù)上存在斷層等缺陷，但螺旋錐齒輪干切齒的低成本優(yōu)勢(shì)還是能通過(guò)以下幾方面體現(xiàn)出來(lái)。

（1）由于不需要使用切削液，這部分制造成本就沒(méi)有了，根據(jù)株齒螺傘分廠測(cè)算的結(jié)果，僅切齒工序的油料消耗就可以節(jié)省6～12元／套。若計(jì)入由于使用了切削液，從而必須增加清洗、排污處理、車(chē)間地面去油污等附件費(fèi)用，其成本優(yōu)勢(shì)就非常明顯。

（2）單套產(chǎn)品的刀具消耗低。根據(jù)株齒3年多的經(jīng)驗(yàn)測(cè)算，干／濕切的單套產(chǎn)品刀具消耗成本為1.2／2.1，即單套產(chǎn)品干切的刀具消耗成本不到濕切的60%。另外，干切刀片的可重磨次數(shù)一般是原濕切使用刀片的2倍左右，這大大降低了干切刀具的成本。

（3）單套產(chǎn)品的電力消耗低。雖然干切齒設(shè)備的功率比濕切齒設(shè)備要高，電力需要增容，但由于其干切齒效率非常高且工序短，其單套產(chǎn)品的電能消耗反而比濕切低。根據(jù)株齒3年多的經(jīng)驗(yàn)測(cè)算，干切比濕切要節(jié)能30%以上，國(guó)際先進(jìn)水平的干切甚至可節(jié)能70%以上。由于20世紀(jì)各國(guó)為了發(fā)展工業(yè)，對(duì)不可再生能源的泛濫開(kāi)發(fā)，造成21世紀(jì)全球能源緊缺，我國(guó)在沿海地區(qū)已實(shí)施了限電政策，國(guó)家強(qiáng)制淘汰高能耗設(shè)備，可以預(yù)計(jì)，中國(guó)使用干切技術(shù)的企業(yè)將進(jìn)一步推廣。

2.4 干切的高性能優(yōu)勢(shì)

由于干切時(shí)使用的機(jī)床傳動(dòng)鏈非常簡(jiǎn)單，刀具系統(tǒng)的精度非常高，所以其制造出的產(chǎn)品精度也非常高。在同等條件下，使用端面滾切法加工的螺旋錐齒輪，其加工精度一般都能達(dá)到AGMA（美國(guó)齒輪制造商協(xié)會(huì)）12～13級(jí)（DIN或GB5級(jí)左右），比國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的加工方法加工出來(lái)的產(chǎn)品要高出2～3個(gè)精度等級(jí)。通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證和配套整車(chē)廠售后信息反饋，干切齒的精度、使用壽命、接觸區(qū)域、噪音等指標(biāo)也要比按傳統(tǒng)工藝方法加工的好很多。

3 螺旋錐齒輪干切齒的影響因素

除了選擇合適的機(jī)床、刀具、材料外，下述因素都會(huì)對(duì)螺旋錐齒輪干切的效果產(chǎn)生直接的影響，在實(shí)際使用過(guò)程中需要引起注意和重視。

（1）原材料中硫的含量、雜質(zhì)含量；

（2）原材料的低倍組織級(jí)別；

（3）齒坯的硬度、顯微硬度及其均勻性和一致性；

（4）齒坯的帶狀組織級(jí)別及粒度；

（5）刀具的各切削角度；

（6）切削參數(shù)及切削過(guò)程選擇；

（7）使用高性能的刀具是實(shí)現(xiàn)螺旋錐齒輪干切齒的重要條件之一，也是國(guó)內(nèi)螺傘錐齒輪干切技術(shù)遲遲不能得到推廣的主要影響因素之一。行業(yè)普遍認(rèn)為若長(zhǎng)期依賴進(jìn)口刀具，會(huì)存在訂貨周期長(zhǎng)、價(jià)格高、運(yùn)費(fèi)高等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，株齒從刀具的選型、重磨、涂層等方面考慮如何實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。株齒就干切刀具國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目和株洲天威硬質(zhì)合金工具有限責(zé)任公司開(kāi)展合作，從目前使用國(guó)產(chǎn)化刀具和進(jìn)口刀具的使用壽命和效果來(lái)看，干切刀具的國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目非常成功。

4 結(jié)論

中國(guó)汽車(chē)工業(yè)經(jīng)歷2009年和2010年井噴式的發(fā)展后，在2011年進(jìn)入了一個(gè)調(diào)整期，目前國(guó)內(nèi)許多汽車(chē)主機(jī)廠都在抓住這個(gè)市場(chǎng)調(diào)整的時(shí)機(jī)，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、制造工藝和水平、產(chǎn)品質(zhì)量等各方面進(jìn)行調(diào)整和提升，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)和結(jié)構(gòu)調(diào)整，為將來(lái)的快速發(fā)展蓄積能量。株齒作為重型螺旋錐齒輪領(lǐng)先的制造企業(yè)，利用干切技術(shù)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及制造工藝進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。隨著中國(guó)機(jī)床、刀具、材料等技術(shù)的發(fā)展和完善，可以預(yù)見(jiàn)，國(guó)內(nèi)螺旋錐齒輪的干切將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。目前，在行業(yè)內(nèi)干切齒的優(yōu)勢(shì)已獲得了市場(chǎng)的認(rèn)可，成為螺旋錐齒輪技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一。

［1］謝耀東，張俊杰等.弧齒錐齒輪的高效干切技術(shù).現(xiàn)代零部件，2009／7.

［2］程文，謝耀東.先進(jìn)的螺旋錐齒輪弧齒加工工藝探討.機(jī)械制造，2008／5.

［3］HermanJ.Stadtfeld《Advanced Bevel Gear Technology》［M］.1000University Avenue P.O.Box 22970Rochester，New York 14692－2970：Gleason Corporation 2000.

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