呂 明，梁國(guó)星

（太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024)

硬齒面齒輪是指采用特種鋼材，應(yīng)用復(fù)合工藝使齒輪表面硬度達(dá)到HRC 45以上硬度的齒輪，通常采用齒輪表面滲氮或氮碳共滲（硬度約為HRC 52)、中高頻感應(yīng)淬火或火焰淬火（硬度約為HRC 55)和齒輪表面滲碳淬火（硬度HRC 58～62)。加工工藝一般采用滾齒-剃齒—熱處理或珩齒工藝；滾齒-熱處理-磨齒工藝，國(guó)內(nèi)外制定了齒輪表面硬度、芯部硬度、有效硬化層深度等一系列檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)完善熱處理工藝，保證硬齒面齒輪質(zhì)量起到了重要的作用，使硬齒面齒輪技術(shù)得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

硬齒面齒輪傳動(dòng)是現(xiàn)代裝備制造業(yè)中傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的一種主要形式。硬齒面齒輪的設(shè)計(jì)和制造水平直接影響到機(jī)械產(chǎn)品的性能，在工業(yè)發(fā)展中占有舉足輕重的地位，被公認(rèn)為工業(yè)化先進(jìn)程度的一種標(biāo)志。隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，要求齒輪具有高精度、高速、高承載力、高齒面硬度、良好的齒面質(zhì)量、長(zhǎng)壽命等技術(shù)指標(biāo)。在工業(yè)領(lǐng)域中，對(duì)具有高齒面質(zhì)量、高傳動(dòng)性能齒輪數(shù)量的需求成幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。根據(jù)《中國(guó)齒輪行業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃綱要》調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)齒輪行業(yè)年銷(xiāo)售額超過(guò)1600億元，平均年增長(zhǎng)率達(dá)到25%以上，已成為世界第三大齒輪制造國(guó)。國(guó)家在2009年出臺(tái)的中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃中，將高性能機(jī)床及基礎(chǔ)裝備列為16項(xiàng)重大專(zhuān)項(xiàng)之一，為裝備主機(jī)提供配套服務(wù)的齒輪行業(yè)因此而成為重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)。硬齒面齒輪精加工技術(shù)關(guān)系到國(guó)家安全和尖端科技的發(fā)展，是國(guó)家的一項(xiàng)戰(zhàn)略需求。

1 硬齒面齒輪精加工關(guān)鍵技術(shù)

硬齒面齒輪的精加工是以高效率、高質(zhì)量、低成本為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)材料高效去除的一種齒輪精加工技術(shù)。隨著硬質(zhì)合金材料、刀具涂層技術(shù)、超硬磨粒工具制備技術(shù)和齒輪精加工機(jī)床技術(shù)的發(fā)展，淬硬齒輪加工技術(shù)和齒輪加工精度有了顯著的提高，高精度齒輪的加工成本大幅度降低。目前，針對(duì)淬火后硬齒面齒輪所采用的加工方法有硬齒面剃齒、硬齒面精滾（刮削)、硬齒面磨齒和硬齒面珩齒技術(shù)等。其中硬齒面剃齒、硬齒面精滾適用于齒面硬度為HRC 45～53的齒輪精加工，硬齒面磨齒、硬齒面珩齒適用于齒面硬度HRC≥45的齒輪精加工。

硬齒面齒輪精加工技術(shù)主要包括材料去除機(jī)理、機(jī)床設(shè)計(jì)、工具制備技術(shù)、一體化技術(shù)等。圖1列出硬齒面齒輪精加工所需的主要相關(guān)技術(shù)，其中高性能機(jī)床和工具的設(shè)計(jì)制造是影響硬齒面齒輪精加工技術(shù)應(yīng)用的最重要因素。

1.1 硬齒面齒輪工具技術(shù)

圖1 硬齒面齒輪精加工技術(shù)框架

隨著硬齒面齒輪精加工工藝的普及推廣，專(zhuān)用加工工具也有了迅速發(fā)展，這主要表現(xiàn)在新型材料和刀具涂層技術(shù)的應(yīng)用、超硬磨粒CBN工具制備技術(shù)的成熟、工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工具一體化技術(shù)日趨完善等方面。滾、剃類(lèi)刀具材料普遍采用新型高速鋼和硬質(zhì)合金并輔以涂層工藝，珩、磨類(lèi)工具國(guó)外普遍采用鋼基體超硬磨粒（如CBN、金剛石)模具，國(guó)內(nèi)采用燒結(jié)磨具。在工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)用CAD技術(shù)、有限元分析技術(shù)等模擬仿真硬齒面齒輪精加工過(guò)程，實(shí)現(xiàn)刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在工具集成技術(shù)方面，將粗加工、精加工工具一體化，通過(guò)一次裝夾完成兩個(gè)或更多工序加工。如，粗磨—精磨集成刀具、倒棱—精滾集成刀具、倒棱—硬剃集成刀具、粗珩—精珩集成工具以及粗磨—精磨—粗珩—精珩四位一體化工具技術(shù)等。工具集成技術(shù)的應(yīng)用大大提高了精加工效率，降低了生產(chǎn)成本，推動(dòng)了硬齒面齒輪精加工技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

1.1.1 硬齒面剃齒和硬齒面精滾（刮削)

硬齒面齒輪精加工所用工具通常采用高鈷鋼（HRC 70～72)或用超細(xì)硬質(zhì)合金材料（K類(lèi)和P類(lèi))，毛坯的成形工藝技術(shù)采用HIP工藝。兩種工具的涂層材料通常為T(mén)iN、TiCN和TiALN。由于TiCN和TiALN涂層本身有很大的內(nèi)應(yīng)力，難以實(shí)現(xiàn)重新涂層。為確保刀具的使用壽命，剃齒刀和滾齒刀涂層材料采用TiN涂層，但二次涂層均勻性控制難度大，導(dǎo)致分層脫落，所以必須去除原有涂層。日本Mitsubishi公司、德國(guó)fette公司和日本Nachi公司已成功研制出適合于硬齒面齒輪精加工的剃齒刀和滾齒刀，如圖2所示。

圖2 硬齒面齒輪滾剃用精加工工具

在傳統(tǒng)的硬齒面齒輪制作過(guò)程中，若采用滾齒-剃齒-熱處理或精滾-熱處理工序，刀具必須根據(jù)齒輪工件的熱處理變形進(jìn)行預(yù)修形。而對(duì)于不同模數(shù)、不同材質(zhì)、不同熱處理過(guò)程的齒輪工件其變形結(jié)果差異較大，刀具修形繁瑣，通用性差。針對(duì)這一問(wèn)題，日本、德國(guó)、美國(guó)等國(guó)家對(duì)淬火后齒輪（加工余量0.02～0.03mm，硬度為 HRC 48～53)進(jìn)行硬齒面剃齒和硬齒面精滾，刀具采用新型硬質(zhì)合金材料和高速鋼材料結(jié)合涂層技術(shù)制備，加工后齒輪工件精度可達(dá)DIN 6～7級(jí)。硬齒面剃齒和硬齒面精滾所用工具必須滿(mǎn)足下列要求：硬質(zhì)合金刀具應(yīng)具有高的結(jié)合強(qiáng)度和抗彎性能、高的耐磨性和高溫紅硬性；刀具變鈍刃磨后便于二次涂層，并能保證原有的精度；加工過(guò)程中切屑脫落順暢。

上述工具在精加工硬齒面齒輪中性能卓越，壽命長(zhǎng)，精度高。其中，Nachi公司生產(chǎn)的滾齒刀在KE250滾齒機(jī)上可連續(xù)精滾1700件齒輪（齒面硬度為HRC 60，模數(shù)為2mm，齒數(shù)為6，螺旋角20°、齒寬為30mm)，加工精度提高1級(jí)。

1.1.2 硬齒面磨齒工具

隨著齒輪的品質(zhì)要求越來(lái)越高，傳動(dòng)噪音要求越來(lái)越低，因此在今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)，磨削仍然是齒輪成批生產(chǎn)的主要工藝。硬齒面磨齒用工具生產(chǎn)廠商主要分布在歐美國(guó)家，如美國(guó)Gleason公司、Maag公司、德國(guó)fette公司、瑞士Reishauer公司、意大利Samputensili等公司生產(chǎn)的各類(lèi)砂輪。其中，以鋼基體電沉積金剛石和CBN磨粒砂輪占主流，如圖3所示。該類(lèi)砂輪具有壽命長(zhǎng)、精度高、不需修形等優(yōu)點(diǎn)。瑞士Reishauer生產(chǎn)的電鍍CBN蝸桿砂輪磨削一個(gè)模數(shù)為4mm、齒數(shù)27、齒寬50mm的齒輪，磨削時(shí)間僅為64s，精度可達(dá)僅DIN2。該蝸桿砂輪為鋼基體電沉積CBN砂輪。

在國(guó)內(nèi)，燒結(jié)式陶瓷Al2O3砂輪已成為硬齒面齒輪磨削用主流工具，磨齒用碟片式CBN砂輪和金剛石砂輪也開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)。對(duì)于電鍍超硬磨粒成型砂輪和蝸桿砂輪還處于試驗(yàn)階段，加之用戶(hù)缺乏選擇與使用的知識(shí)，不敢輕易投資進(jìn)行工藝試驗(yàn)，技術(shù)推廣較為困難。

圖3 硬齒面齒輪磨齒用精加工工具

1.1.3 硬齒面珩齒工具

20世紀(jì)90年代初，美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始著手研究粉末冶金珩輪，并有相應(yīng)產(chǎn)品問(wèn)世。粉末冶金珩輪磨具制作困難，且精度不易保證，沒(méi)有被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。此后，德國(guó)、瑞士等國(guó)家開(kāi)發(fā)出以電沉積工藝為主流的CBN斜齒型外珩輪、CBN內(nèi)珩輪和CBN蝸桿珩輪，并在生產(chǎn)實(shí)踐中已開(kāi)始應(yīng)用。國(guó)外通常采用的珩齒工具有斜齒型外珩輪、斜齒型內(nèi)珩輪和蝸桿珩輪。在生產(chǎn)實(shí)踐中較為成熟的珩齒工具如圖4所示。

對(duì)內(nèi)齒輪精加工而言，傳統(tǒng)工藝采用磨齒技術(shù)，生產(chǎn)效率低。德國(guó)NILES-KAPP公司開(kāi)發(fā)的電鍍斜齒型外珩輪如圖4-a所示，適合于硬齒面內(nèi)齒輪精加工，重疊系數(shù)高，齒形精度可提高2級(jí)，是普通磨齒加工效率的25倍。如圖4-b所示的電鍍CBN內(nèi)珩輪，是加工圓柱形齒輪（直徑一般為450mm以?xún)?nèi))的主要工具，重疊系數(shù)高，齒形精度好，對(duì)于鼓形齒加工效果更為明顯。如圖4-c所示的電鍍CBN蝸桿珩輪，是國(guó)外應(yīng)用較為普遍的一種珩齒工具，效率極高，可明顯改善齒形精度和齒面精度。

圖4 硬齒面齒輪珩齒用精加工工具

20世紀(jì)60年代，我國(guó)外嚙合珩齒機(jī)和內(nèi)嚙合珩齒機(jī)相繼問(wèn)世，并對(duì)珩齒技術(shù)開(kāi)始著手研究。到20世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)蝸桿珩齒機(jī)研制獲得成功，工件加工精度達(dá)到6～7級(jí)。同時(shí)，珩齒技術(shù)的研究進(jìn)入了新階段。到目前為止，電鍍CBN各類(lèi)珩輪成為珩齒工具研究重點(diǎn)。山東大學(xué)進(jìn)行了環(huán)面蝸桿砂輪珩齒和內(nèi)嚙合珩齒的實(shí)驗(yàn)，取得了良好的效果。2002年，機(jī)械工業(yè)部鄭州機(jī)械研究所進(jìn)行了電鍍CBN斜齒外珩輪整形珩齒機(jī)理研究，提出了用電鍍CBN斜齒外珩輪進(jìn)行整形珩齒的新思路。珩齒試驗(yàn)表明：齒輪工件表面粗糙度值明顯降低，齒向和齒形精度提高1～2級(jí)。太原理工大學(xué)提出電鍍超硬磨料全切削型剃珩刀具的設(shè)計(jì)理論，并將熱擴(kuò)散工藝引入鍍后CBN斜齒型外珩輪制作中，使得珩輪壽命大為提高，2004年該技術(shù)取得中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利權(quán)。2005年，該課題組將超聲振動(dòng)技術(shù)引入平行珩齒工藝中，獲得國(guó)家自然科學(xué)基金資助，并取得階段性成果。

1.1.4 工具集成技術(shù)

21世紀(jì)初，德國(guó)NILES-KAPP公司、美國(guó)Gleason公司、日本Nachi公司為了進(jìn)一步提高硬齒面齒輪加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，將粗精加工工具集成，放寬了前一工序預(yù)留加工余量及精度，齒輪工件在熱處理過(guò)程中齒形齒向變形控制的難度大大降低，使硬齒面齒輪加工精度適應(yīng)性得到有效提高。工具集成技術(shù)主要有兩類(lèi)，一類(lèi)是硬齒面齒輪倒棱和滾剃切削工具的集成技術(shù)，另一類(lèi)是齒輪磨削類(lèi)工具集成技術(shù)。近幾年，齒輪磨削類(lèi)工具集成技術(shù)發(fā)展迅速，尤其在硬齒面珩齒工具和磨齒工具方面取得了較大的成果。如：外珩輪粗精集成工具、內(nèi)珩輪粗精集成工具、蝸桿式外珩輪粗精集成工具、4位一體蝸桿精磨齒集成工具等，如圖5所示。

圖5 硬齒面齒輪珩齒集成工具

1.2 硬齒面齒輪機(jī)床技術(shù)

為適應(yīng)齒輪加工行業(yè)的要求，硬齒面齒輪加工用機(jī)床向數(shù)控化、高速高效、高精度、功能復(fù)合、綠色環(huán)保方向發(fā)展。

數(shù)控化技術(shù)將機(jī)床的各運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行CNC聯(lián)動(dòng)控制，增加了機(jī)床的功能，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)或全閉環(huán)控制后，減少了輔助加工時(shí)間，增加了機(jī)床的柔性；高速、高效、高精度要求床身具有最佳吸振效果，無(wú)隙滾珠絲桿進(jìn)給系統(tǒng)，PLC控制的定量潤(rùn)滑導(dǎo)軌，電主軸及力矩電動(dòng)機(jī)，預(yù)加負(fù)荷的高剛性直線導(dǎo)軌，滾珠絲桿等技術(shù)；功能復(fù)合型機(jī)床要求一臺(tái)機(jī)床上或工件一次裝夾中，可以完成多道工序加工，從而提高工件的加工效率甚至加工精度；綠色環(huán)保包括加工過(guò)程中切削液護(hù)罩封閉、安裝油霧分離器、高速干式切削磨削技術(shù)、機(jī)床和刀具再制造利用等技術(shù)；智能化要求齒輪加工機(jī)床具有自動(dòng)誤差補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、工件在線檢測(cè)、加工余量分配、刀具磨損在線檢測(cè)及自動(dòng)修整、零編程界面、多功能加工軟件、工藝專(zhuān)家系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制與診斷等功能。

針對(duì)硬齒面齒輪加工機(jī)床的發(fā)展方向，國(guó)內(nèi)外齒輪機(jī)床制造企業(yè)為了在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取得一席之地，均加快了新產(chǎn)品研發(fā)力度。如國(guó)外Gleason集團(tuán)的245TWG高速數(shù)控蝸桿砂輪磨齒機(jī)；瑞士Reishauer公司的RZ400、RZ150數(shù)控蝸桿砂輪磨齒機(jī)。德國(guó)Liebherr公司的LC120高速滾齒機(jī)床，Hǒfler公司的RAPID1250成形砂輪磨齒機(jī)和Faessler的HMX-400珩齒機(jī)，Kapp-Niles集團(tuán)的KX300P磨齒中心、ZE400S成形砂輪磨齒機(jī)和CX250I珩齒機(jī)、高精度（內(nèi)、外齒)磨齒機(jī)，強(qiáng)力內(nèi)齒珩輪珩齒機(jī)；Emag-Koepfer公司的200WS-WF蝸桿砂輪磨齒機(jī)、VSC400PH 珩齒機(jī)、Sigmat的VVV250成形砂輪磨齒機(jī)、VSC400DUO WF齒輪加工中心；瑞士Labmert公司的1600CNC滾-磨齒機(jī)；國(guó)內(nèi)秦川發(fā)展公司的 YK332A、YK7340、YK7380及YK73125大型數(shù)控成形砂輪磨齒機(jī)，湖南中大創(chuàng)遠(yuǎn)數(shù)控裝備制造的YK2050七軸五聯(lián)動(dòng)數(shù)控弧齒錐齒輪磨齒機(jī)。此外，功能復(fù)合型的一體化齒輪加工機(jī)床開(kāi)始發(fā)展。如：Gleason公司的P90G多用途機(jī)床，可以同時(shí)進(jìn)行工件的滾齒和磨齒加工；Emag-Kopfeer公司的VSC400DUOWF齒輪加工中心，可完成齒坯車(chē)削、齒部的滾齒加工、倒棱及去毛刺加工，通過(guò)這些工序的集成使加工效率提高了近4倍。

2 硬齒面齒輪精加工技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向

近年來(lái)，太原理工大學(xué)先進(jìn)切削技術(shù)研究所在研究齒輪剃珩機(jī)理、全切削型剃珩齒輪刀具、電鍍CBN和激光釬焊CBN珩輪工藝的基礎(chǔ)上，提出將超聲加工應(yīng)用于硬齒面珩齒加工工藝。超聲珩齒是將超聲振動(dòng)切削技術(shù)應(yīng)用于齒輪精密加工的一項(xiàng)技術(shù)，通過(guò)高頻振動(dòng)提高珩磨時(shí)瞬時(shí)切削速度，使珩磨工藝特點(diǎn)得到充分發(fā)揮；同時(shí)這種超聲振動(dòng)能有效減小珩磨力；切削液的超聲空化作用可以對(duì)珩磨輪進(jìn)行清洗，有效地減少珩磨輪的堵塞，提高加工效率。在國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“硬齒面齒輪超聲波平行軸珩磨機(jī)理的研究（N0.50475158)”、“齒輪超聲加工非諧振單元變幅器的設(shè)計(jì)理論及實(shí)驗(yàn)研究（N0.50845037)”、“非諧振單元變幅器設(shè)計(jì)理論及其齒輪超聲剃珩應(yīng)用（N0.50975191)”的支持下對(duì)超聲珩齒開(kāi)展了一系列理論和實(shí)驗(yàn)研究。從單顆磨粒微觀切削角度定性地研究了電鍍CBN外珩輪的超聲振動(dòng)珩齒切削機(jī)理。通過(guò)研究單顆磨粒的切削作用和運(yùn)動(dòng)軌跡，珩輪與齒輪嚙合時(shí)產(chǎn)生的嚙合力及超聲振動(dòng)產(chǎn)生的沖力，提出了CBN磨粒的切削模型、超聲波平行軸硬珩齒材料去除模型。經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)，揭示了齒輪被加工區(qū)域的質(zhì)點(diǎn)做伴有不規(guī)則擾動(dòng)的橢圓軌跡振動(dòng)。首次提出非諧超聲振動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論，并采用應(yīng)力耦合及力耦合原理設(shè)計(jì)了非諧振單元組成的齒輪超聲加工振動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)行了小直徑圓柱齒輪超聲珩齒與傳統(tǒng)珩齒的加工對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

在硬齒面齒輪精加工技術(shù)領(lǐng)域，應(yīng)該以齒輪生產(chǎn)廠家為主體、在產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新體系下，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)及裝備上需展開(kāi)深入的研究。

1)硬齒面齒輪磨齒、珩齒、研齒機(jī)理及工藝的研究。特別是開(kāi)展珩齒（外珩齒、內(nèi)珩齒和蝸桿珩齒)理論研究，探索珩齒加工過(guò)程中接觸點(diǎn)、接觸線運(yùn)用參數(shù)分布規(guī)律，研究復(fù)雜運(yùn)動(dòng)機(jī)制下齒面工件材料瞬態(tài)應(yīng)力應(yīng)變、應(yīng)變率的動(dòng)態(tài)行為變化規(guī)律，揭示硬齒面齒輪珩齒過(guò)程中材料去除的科學(xué)本質(zhì)，為發(fā)展硬齒面齒輪加工技術(shù)和裝備提供理論基礎(chǔ)。

2)開(kāi)發(fā)適應(yīng)功能復(fù)合型一體化齒輪加工機(jī)床、新型砂輪及加工智能化技術(shù)。探索新型復(fù)合珩齒機(jī)床技術(shù)（超聲振動(dòng)珩齒機(jī)床)、磨—珩齒復(fù)合工具的制備技術(shù)。對(duì)工具的幾何參數(shù)、珩磨削用砂輪表面的磨粒分布狀態(tài)進(jìn)行研究，建立針對(duì)不同材料的硬齒面齒輪精加工工具的數(shù)據(jù)庫(kù)、工具和工件檢測(cè)系統(tǒng)，以及硬齒面齒輪加工智能化技術(shù)。

3)積極開(kāi)發(fā)綠色加工技術(shù)，包括冷卻潤(rùn)滑技術(shù)、工具再利用技術(shù)和機(jī)床再制造技術(shù)等。由于環(huán)保的需要，在冷卻潤(rùn)滑技術(shù)方面要大力開(kāi)發(fā)干式（綠色)冷卻潤(rùn)滑技術(shù)，風(fēng)冷式、液氮冷卻式硬齒面齒輪高速精加工技術(shù)；在工具制造技術(shù)方面要考慮磨粒的最大利用率，基體可回收技術(shù)等。針對(duì)超硬磨粒（CBN和金剛石)工具，發(fā)展工具基體的退鍍技術(shù)、未損耗磨粒的回收技術(shù)、損耗磨粒的二次利用技術(shù)等。對(duì)于硬齒面齒輪切削類(lèi)工具（硬剃齒刀、硬齒面齒輪滾齒刀、齒輪倒棱、硬齒面插齒刀)發(fā)展超細(xì)硬質(zhì)合金粉末冶金技術(shù)、二次刃磨技術(shù)、刀具材料重復(fù)涂層技術(shù)等。

4)研究新型的硬齒面齒輪加工用工具制備技術(shù)。如超硬磨粒高溫釬焊技術(shù)、激光釬焊技術(shù)、綠色電鍍技術(shù)、單層磨粒高溫陶瓷燒結(jié)技術(shù)等。

5)磨齒珩齒機(jī)床技術(shù)。采用高速電主軸及高速、高效和高精度的直線進(jìn)給驅(qū)動(dòng)技術(shù)、磨珩工位集成技術(shù)、刀具自動(dòng)修行技術(shù)、工件自動(dòng)檢測(cè)及裝夾技術(shù)等。

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