宋建科，劉利，李厚裕，來秋月，吳振威，云昊，歐陽毅騏

（天津理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津300384）

0 引 言

近幾年，新能源汽車得到快速的發(fā)展和應(yīng)用，但是其高速和長途續(xù)航里程依然不能滿足出行的需求，而提升新能源汽車傳動(dòng)系統(tǒng)效率是減少運(yùn)行能耗和延長續(xù)航里程的有效途徑之一[1]。新能源汽車相對(duì)于燃油汽車對(duì)整車的噪聲、振動(dòng)和舒適性要求更加嚴(yán)格，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的NVH問題更加敏感。采用高精度齒輪的多擋位自動(dòng)變速器對(duì)提高新能源汽車動(dòng)力性、延長新能源汽車?yán)m(xù)駛里程、優(yōu)化新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總成性能、降低新能源汽車整車質(zhì)量和成本、改善新能源汽車駕乘感受等都具有重要作用。因此，新能源汽車對(duì)傳動(dòng)齒輪的精度和加工質(zhì)量具有更高的要求。如圖1所示，高精度漸開線圓柱齒輪是新能源汽車傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵零件，其加工技術(shù)復(fù)雜，對(duì)加工設(shè)備、加工精度和工件表面質(zhì)量要求高，此類齒輪的制造工藝尚不成熟、效率低、成本高，甚至需要大量進(jìn)口。因此，有必要針對(duì)新能源汽車高精度傳動(dòng)齒輪加工工藝進(jìn)行分析，為高效加工工藝研究提供基礎(chǔ)。

圖1 漸開線圓柱齒輪

1 汽車齒輪典型加工工藝分析

目前，汽車齒輪機(jī)械加工過程中，通常采用的加工工藝為：車削鍛造毛坯→切齒（滾齒/插齒）→剃齒→滲碳淬火→磨齒[2]，滾齒和磨齒工藝過程如圖2所示。齒輪毛坯為模鍛而成；采用數(shù)控車床在一次裝夾的條件下完成毛坯的外圓表面、內(nèi)孔表面和端面的車削，保證齒坯具有較好的精度，為后序的高質(zhì)量加工提供基礎(chǔ)；采用滾齒的方法進(jìn)行齒形的粗加工(滾齒機(jī)的加工精度為IT10～I(xiàn)T7級(jí))；剃齒一般應(yīng)用于未進(jìn)行淬火熱處理齒輪齒形的精加工(精度可達(dá)IT7～I(xiàn)T6級(jí))，但是剃齒不能修正分齒誤差，剃齒后的精度只能比剃齒前提高一級(jí)；汽車齒輪的工作任務(wù)比機(jī)床齒輪要繁重得多，因此在耐磨性、疲勞強(qiáng)度、心部強(qiáng)度和沖擊韌性等方面的要求均比機(jī)床齒輪要高，選用滲碳鋼制造并經(jīng)滲碳熱處理才能滿足其性能要求；最后以磨削加工的方法對(duì)經(jīng)過熱處理的齒輪內(nèi)孔、端面、軸的外徑等部分進(jìn)行精加工，進(jìn)而提高尺寸精度和減小形位公差，磨削加工可達(dá)的經(jīng)濟(jì)精度為IT6～I(xiàn)T4級(jí)，表面粗糙度為Ra0.2～0.8 μm。珩磨作為一種特殊的磨削加工技術(shù)，是精加工中的一種高效加工方式，可以安排為最后加工工序，劃分為光整加工階段，具有加工精度高、表面質(zhì)量好、加工效率高等特點(diǎn)，可將表面粗糙度降低到Ra0.20～0.05 μm[3]。但是，汽車齒輪典型的加工工藝已經(jīng)無法滿足綠色節(jié)能的新能源汽車對(duì)傳動(dòng)齒輪加工過程提出的高精度、高質(zhì)量和高效率的要求，因此，必須進(jìn)行新的高效高質(zhì)量加工工藝研究。

圖2 齒輪加工過程

2 高精度齒輪加工技術(shù)及措施

1)硬齒面加工技術(shù)。

硬齒面加工技術(shù)主要應(yīng)用于熱處理后齒面硬度高于45 HRC的齒輪精加工，目的是提高齒輪精加工的效率、質(zhì)量和降低加工成本，主要加工方法是針對(duì)硬齒面的剃齒、精滾(刮研)、磨齒和珩齒等，相對(duì)于傳統(tǒng)加工工藝，硬齒面加工方法對(duì)機(jī)床、刀具材料和涂層、工具技術(shù)等提出更高的要求。

隨著刀具材料、刀具設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的提升，硬齒面刀具得到快速發(fā)展，促進(jìn)了硬齒面加工技術(shù)在高精度齒輪加工中的應(yīng)用。滾齒和剃齒過程主要應(yīng)用具有涂層的高速鋼與硬質(zhì)合金刀具；珩齒和磨齒可以使用CBN或金剛石超硬磨料的電鍍或燒結(jié)磨具，CBN砂輪成形磨齒如圖3所示。并且在刀具設(shè)計(jì)時(shí)將粗、精加工刀具設(shè)計(jì)成組合刀具，減少工序數(shù)量。采用涂層高速鋼或硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行硬齒面剃齒和精滾，齒輪精度可以達(dá)到IT6～ IT5級(jí)；采用超硬刀具材料砂輪進(jìn)行硬齒面珩齒和磨齒，相對(duì)于傳統(tǒng)工藝，可以明顯降低表面粗糙度，提高表面質(zhì)量，提高精度1～2級(jí)，加工效率是常規(guī)齒面磨齒的25倍以上[4]。為了適應(yīng)硬齒面齒輪加工的需求，所用加工機(jī)床更加注重?cái)?shù)控技術(shù)、高速加工和多功能性。

2)強(qiáng)力珩齒技術(shù)。

由于齒輪加工常用的“滾齒→剃齒→熱處理→磨齒”工藝在高精度汽車變速箱齒輪加工中存在的局限性，其難以滿足齒輪技術(shù)要求。對(duì)熱處理后的硬齒面進(jìn)行磨削，進(jìn)而采用珩齒的方法提高質(zhì)量，加工成本較高。但是，采用強(qiáng)力珩齒直接對(duì)硬齒面加工，是高精度齒輪加工的高效方法。強(qiáng)力珩齒技術(shù)可以使齒輪精度達(dá)到IT5級(jí)以上，當(dāng)制造成本與傳統(tǒng)工藝接近的條件下，可以獲得更高的加工精度、表面質(zhì)量和加工效率，展現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 CBN砂輪磨削硬質(zhì)面及所用砂輪

強(qiáng)力珩齒的齒形齒向修正量可以大于0.05 mm，可以修正熱處理變形和微缺陷，表面粗糙度可以達(dá)到Ra0.2 μm以下，加工過程如圖4所示。熱處理后采用強(qiáng)力珩齒的工藝，可以減少磨齒導(dǎo)致的表面磨紋，避免變速器齒輪嚙合過程中產(chǎn)生的諧振和噪聲[5]；齒面具有較大的殘余壓應(yīng)力，顯著增大了齒輪強(qiáng)度、耐磨性及抗點(diǎn)蝕性能；強(qiáng)力珩齒過程中刀具相對(duì)齒面滑動(dòng)同時(shí)去除工件材料，切削速度較低，避免了磨齒過程中高速磨削產(chǎn)生的齒面燒傷；相對(duì)于磨齒，珩齒能對(duì)帶臺(tái)肩的齒輪進(jìn)行加工；雖然精度略低于磨齒加工，但強(qiáng)力珩齒成本和綜合效率明顯優(yōu)于磨齒工藝。珩齒成本大約為剃齒的50%和磨齒的20%。因此，在汽車變速器高精度齒輪加工中應(yīng)用強(qiáng)力珩齒工藝具有很大的優(yōu)勢(shì)，并提高變速器運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性，延長大修周期，減少汽車NVH問題。汽車變速器高精度齒輪加工工藝路線可以 簡(jiǎn) 化 為滾→剃→珩，甚至可以在滾齒后直接進(jìn)行強(qiáng)力珩齒。此技術(shù)也是依賴于數(shù)控 機(jī) 床 和CBN 超硬材料砂輪的應(yīng)用。

圖4 強(qiáng)力珩齒過程

3 結(jié) 論

典型的“切齒→剃齒→滲碳淬火→磨齒”的齒輪加工工藝已經(jīng)無法滿足汽車工業(yè)的需求，需要進(jìn)一步開發(fā)新的加工技術(shù)和工藝。可以將傳統(tǒng)加工工藝與硬齒面加工技術(shù)和強(qiáng)力珩齒技術(shù)融合，在縮減加工成本和提高加工效率的前提下加工出高精度和高質(zhì)量的傳動(dòng)齒輪。