丁國(guó)龍　趙大興　鐘瑞齡

摘要：齒輪的設(shè)計(jì)、加工制造以及應(yīng)用水平代表著一個(gè)國(guó)家的工業(yè)水平。本文介紹了齒輪漸開線齒形的形成歷史對(duì)比了圓柱、圓錐齒輪的各種加工技術(shù)特點(diǎn)，總結(jié)了齒輪加工的四個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：齒輪；現(xiàn)代工業(yè)；技術(shù)對(duì)比

1.前言

齒輪是中華人民共和國(guó)國(guó)徽的組成部分，代表工業(yè)的基礎(chǔ)，齒輪的設(shè)計(jì)、加工制造以及應(yīng)用水平代表著一個(gè)國(guó)家的工業(yè)水平。

齒輪的設(shè)計(jì)制造應(yīng)用技術(shù)可以追溯到公元前400年的磨粉機(jī)、水車上使用的圓周有規(guī)律排列的木棒，以此傳遞動(dòng)力。后來，代表古代科學(xué)技術(shù)成就的指南車就是以齒輪機(jī)構(gòu)為核心的機(jī)械裝置，其齒輪采用青銅鑄造。歐洲最早的機(jī)械鐘里面也有齒輪、擺輪和擒縱機(jī)構(gòu)，這些機(jī)構(gòu)也是歐洲最早的一種依靠擒縱裝置進(jìn)行守時(shí)的計(jì)時(shí)器。然而古代的齒輪是用木料制造或用金屬鑄成的，只能傳遞軸間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不能保證傳動(dòng)的平穩(wěn)性和準(zhǔn)確性。

到17世紀(jì)末，人們才開始研究能正確傳遞運(yùn)動(dòng)的齒輪齒廓形狀，眾多的學(xué)者在這一領(lǐng)域展開了潛心研究，付出了大量的的心血，逐步形成了3種齒形，即擺線、漸開線、圓弧。如圖1所示。

1674年丹麥天文學(xué)家羅默首次提出用外擺線作齒廓曲線，以得到運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)的齒輪。外擺線齒形優(yōu)點(diǎn)是滑動(dòng)率極低，接近純滾動(dòng)，接觸應(yīng)力小，無根切現(xiàn)象；缺點(diǎn)是中心距要求精確，平穩(wěn)性和互換性較差。

1765年，瑞士的L.Euler（歐拉）提出漸開線齒形解析研究的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，闡明了相嚙合的一對(duì)齒輪，其齒形曲線的曲率半徑和曲率中心位置的關(guān)系并建議采用漸開線作齒廓曲線。

19世紀(jì)末，展成切齒法的原理及利用此原理切齒的專用機(jī)床與刀具的相繼出現(xiàn)，齒輪加工有了較完備的手段后，漸開線齒形才顯示出優(yōu)越性，漸開線齒輪漸漸在應(yīng)用中占了優(yōu)勢(shì)。漸開線齒形優(yōu)點(diǎn)是漸開線齒廓具有中心距敏感性小，可進(jìn)行各種變位和修形設(shè)計(jì)，易于進(jìn)行精密加工、互換性好。其缺點(diǎn)是接觸應(yīng)力高，承載能力不夠大，線接觸，磨損嚴(yán)重且不均勻，根切。

為了提高齒輪傳動(dòng)的承載能力、使用壽命并減小其尺寸，人們開始研究圓弧齒形的齒輪。1907年，英國(guó)Frank Humphris（弗蘭克福瑞斯）最早提出了圓弧齒形；1970年，英國(guó)工程師R.M.Studer（斯蒂德）取得了雙圓弧齒輪的美國(guó)專利。雙圓弧齒輪現(xiàn)已日益為人們所重視，在生產(chǎn)中發(fā)揮了顯著效益。圓弧齒輪的承載能力和效率都較高，但不及漸開線齒輪那樣易于制造，現(xiàn)代使用的齒輪中，漸開線齒輪仍占絕對(duì)多數(shù)，而擺線齒輪和圓弧齒輪應(yīng)用相對(duì)較少。

2.齒輪傳動(dòng)在現(xiàn)代工業(yè)中的地位

齒輪傳動(dòng)的應(yīng)用十分廣泛，如汽車、工程機(jī)械、礦山機(jī)械、港口機(jī)械、風(fēng)力發(fā)電、艦船和國(guó)防軍工等機(jī)械裝備制造領(lǐng)域。幾乎涵蓋了現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)的主要行業(yè)，齒輪傳動(dòng)已成為工業(yè)機(jī)器或裝備上不可或缺的基礎(chǔ)裝置或關(guān)鍵部件。如圖2所示。

前不久結(jié)束的“兩會(huì)”確定了未來五年中國(guó)計(jì)劃（十三五規(guī)劃）實(shí)施的100個(gè)重大工程及項(xiàng)目，其中涉及裝備制造，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)，大型飛機(jī)研制，研發(fā)新一代高速、重載軌道交通裝備系統(tǒng)，研制高檔數(shù)控機(jī)床，大力發(fā)展工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、手術(shù)機(jī)器人和軍用機(jī)器人，開發(fā)適應(yīng)各種耕作條件的先進(jìn)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品，研制核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備、超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)、無創(chuàng)呼吸機(jī)等高性能醫(yī)療，研制先進(jìn)化工成套裝備等達(dá)10余項(xiàng)之多。這與中國(guó)制造2025確定的10大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域高度一致，足見國(guó)家大政方針對(duì)裝備制造的高度重視。裝備制造業(yè)離不開齒輪傳動(dòng)，高精度、高效齒輪傳動(dòng)是提高我國(guó)裝備制造業(yè)水平的基礎(chǔ)保障。

3.齒輪加工技術(shù)對(duì)比分析

根據(jù)齒輪的不同，齒輪加工主要分為圓柱和錐齒輪加工兩大類。圓柱齒輪加工主要加工各種圓柱齒輪、齒條、蝸輪。常用的方法有滾齒、插齒、銑齒、剃齒、擠齒、拉齒等；錐齒輪加工又分為直線齒錐齒輪加工和曲線齒錐齒輪加工，主要用于加工直齒、斜齒、弧齒和延長(zhǎng)外擺線齒等錐齒輪。常用的有錐齒輪刨齒、錐齒輪拉齒、錐齒輪銑齒等。

齒輪加工方法有很多，但各有特點(diǎn)，不可或缺。將各種加工工藝所能達(dá)到的質(zhì)量以及應(yīng)用范圍進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

4.齒輪加工技術(shù)新動(dòng)態(tài)

（1）高速、高精、高效

高速切削加工不僅可以提高生產(chǎn)效率，而且可以改善加工質(zhì)量。Gleason-Pfauter集團(tuán)的P60滾一磨齒復(fù)合機(jī)床的刀具主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)12000 r/min，工作臺(tái)轉(zhuǎn)速達(dá)到了3000 r/min；100S型插齒機(jī)每分鐘最大沖數(shù)可達(dá)3000；隨著CNC水平的快速提高及電子齒輪箱、滾動(dòng)導(dǎo)軌、高速陶瓷軸承、高速電主軸、力矩電機(jī)伺服系統(tǒng)的飛速發(fā)展，磨齒機(jī)工作精度已可達(dá)DIN3962標(biāo)準(zhǔn)的2級(jí)到3級(jí)。最具代表性的供應(yīng)商與設(shè)備如圖3所示。

（2）功能復(fù)合化

帶柔性化的自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)，工件一次裝夾，完成多種工序復(fù)合加工，大大提高生產(chǎn)效率和加工精度?！耙慌_(tái)機(jī)床就是一個(gè)加工廠”“一次裝卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，復(fù)合加工機(jī)床正呈現(xiàn)多樣化的態(tài)勢(shì)。

國(guó)外最具代表性的有：Reishauer公司的RZF磨一珩復(fù)合磨齒機(jī)、Kapp公司的KX300磨齒中心及Samputensili公司的S400GT。Liebhe～公司的LCS280蝸桿一成形磨齒機(jī)可先用CBN蝸桿大砂輪進(jìn)行粗磨，再用CBN小成形砂輪精磨齒輪。

Gleason-Pfauter集團(tuán)的P60滾一磨齒復(fù)合機(jī)床（見圖4），先用銑刀加工雙頭蝸桿，再用CBN砂輪磨削蝸桿，并具有去除蝸桿端面毛刺的功能。另外機(jī)床還配備由自動(dòng)對(duì)刀機(jī)構(gòu)和工件自動(dòng)上下料、料倉。

國(guó)內(nèi)最具代表性的是宜昌長(zhǎng)機(jī)科技有限公司生產(chǎn)的滾一銑齒復(fù)合機(jī)床（見圖5），配置雙刀架，銑齒刀和滾刀。針對(duì)大模數(shù)、大直徑內(nèi)外齒輪加工，先用銑刀進(jìn)行高效粗加工，再用滾刀進(jìn)行精加工，提高精度。

（3）開放化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化

開放化就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺(tái)上，面向機(jī)床廠家和最終用戶，具有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性和擴(kuò)展性，可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實(shí)現(xiàn)不同品種；網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對(duì)信息集成的需求，也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。

數(shù)字化控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的集成，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)制造，智能化程度更高。如圖6所示。

（4）綠色環(huán)?；?/p>

隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng)，對(duì)環(huán)保的要求越來越高。不僅要求在機(jī)床制造過程中不產(chǎn)生對(duì)環(huán)境的污染，也要求在機(jī)床的使用過程中不產(chǎn)生二次污染。在這種形勢(shì)下，裝備制造領(lǐng)域?qū)C(jī)床提出了：

①無冷卻液、無潤(rùn)滑液、無氣味機(jī)床的排屑、除塵等，圖7為日本卡希富基高速干切硬滾齒機(jī)床，圖8為重慶機(jī)床（集團(tuán)）有限公司生產(chǎn)的數(shù)控高速干切滾齒機(jī)；

②綠色設(shè)計(jì)（綠色材料設(shè)計(jì)、可拆卸性設(shè)計(jì)、節(jié)能性設(shè)計(jì)、可回收性設(shè)計(jì)）；

③模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)考慮產(chǎn)品開發(fā)、制造及其活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響。

5.結(jié)論

本文介紹了齒輪漸開線齒形的形成歷史，對(duì)比了圓柱、圓錐齒輪的各種加工技術(shù)特點(diǎn)，總結(jié)了齒輪加工的四個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。齒輪加工是金屬切削加工中最復(fù)雜的，高速高精高效是永恒的主題，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，相信未來的齒輪加工技術(shù)將為用戶提供越來越完備的解決方案。