汽车齿轮加工工艺发展介绍

天仇

齿轮，汽车行业主要的基础传动元件，通常每辆汽车中有18~30个齿部，齿轮的质量直接影响汽车的噪声、平稳性及使用寿命。齿轮加工机床是一种复杂的机床系统，是汽车行业的关键设备，世界上各汽车制造强国如美国、德国和日本等也是齿轮加工机床制造强国。据统计，我国80%以上的汽车齿轮由国产制齿装备加工完成。同时，汽车工业消费了60%以上的齿轮加工机床，汽车工业将一直是机床消费的主体。
: L2 i; i" }- ^9 y齿轮加工工艺
* l( |% ^  u5 n. z, N, @( ]1.锻造制坯
5 O7 t. ?  F. D) u热模锻仍然是汽车齿轮件广泛使用的毛坯锻造工艺。近年来，楔横轧技术在轴类加工上得到了大范围推广。这项技术特别适合为比较复杂的阶梯轴类制坯，它不仅精度较高、后序加工余量小，而且生产效率高。
2.正火
这一工艺的目的是获得适合后序齿轮切削加工的硬度和为最终热处理做组织准备，以有效减少热处理变形。所用齿轮钢的材料通常为20CrMnTi,一般的正火由于受人员、设备和环境的影响比较大，使得工件冷却速度和冷却的均匀性难以控制，造成硬度散差大，金相组织不均匀，直接影响金属切削加工和最终热处理，使得热变形大而无规律，零件质量无法控制。为此，采用等温正火工艺。实践证明，采用等温正火有效改变了一般正火的弊端，产品质量稳定可靠。
; L* Z. y) U& L) |1 q* P8 c* I2 O) R( b3.车削加工
: {# Q$ h1 r: X, |为了满足高精度齿轮加工的定位要求，齿坯的加工全部采用数控车床，使用机械夹紧不重磨车刀，实现了在一次装夹下孔径、端面及外径加工同步完成，既保证了内孔与端面的垂直度要求，又保证了大批量齿坯生产的尺寸离散小。从而提高了齿坯精度，确保了后序齿轮的加工质量。另外，数控车床加工的高效率还大大减少了设备数量，经济性好。
1 W  `/ s  `5 G  E6 F4.滚、插齿
# L$ \+ o9 O, K3 |" b' }- Y2 ^9 l加工齿部所用设备仍大量采用普通滚齿机和插齿机，虽然调整维护方便，但生产效率较低，若完成较大产能需要多机同时生产。随着涂层技术的发展，滚刀、插刀刃磨后的再次涂镀非常方便地进行，经过涂镀的刀具能够明显地提高使用寿命，一般能提高90%以上，有效地减少了换刀次数和刃磨时间，效益显着。
2 d9 t4 X4 y# R5.剃齿
径向剃齿技术以其效率高，设计齿形、齿向的修形要求易于实现等优势被广泛应用于大批量汽车齿轮生产中。公司自1995年技术改造购进意大利公司专用径向剃齿机以来，在这项技术上已经应用成熟，加工质量稳定可靠。
% s5 y* T4 i, n) L6.热处理
汽车齿轮要求渗碳淬火，以保证其良好的力学性能。对于热后不再进行磨齿加工的产品，稳定可靠的热处理设备是必不可少的。公司引进的是德国劳易公司的连续渗碳淬火生产线，获得了满意的热处理效果。
7.磨削加工
4 k5 Q/ V8 C) H9 V- ~5 x主要是对经过热处理的齿轮内孔、端面、轴的外径等部分进行精加工，以提高尺寸精度和减小形位公差。
齿轮加工采用节圆夹具定位夹紧，能有效保证齿部与安装基准的加工精度，获得满意的产品质量。
! }- [  P1 i6 O8.修整
这是变速器、驱动桥齿轮装配前对齿部进行磕碰毛刺的检查清理，以消除它们在装配后引起噪声异响。通过单对啮合听声音或在综合检查仪上观察啮合偏差来完成。制造公司生产的变速器中壳体零件有离合器壳、变速器壳和差速器壳。离合器壳、变速器壳是承重零件，一般采用压铸铝合金经专用模具压铸而成，外形不规则、较复杂，一般工艺流程是铣结合面→加工工艺孔和连接孔→粗镗轴承孔→精镗轴承孔和定位销孔→清洗→泄漏试验检测。
齿轮加工技术与装备的发展趋势
5 ^+ k; _% d' d' `为适应齿轮加工行业对制造精度、生产效率、清洁生产、提高质量的要求，制齿机床及制齿技术出现了以下发展趋势。
1.数控化
8 D# w# r7 y- H  c$ s7 U  {由于通过将机床的各运动轴进行CNC控制及部分轴间进行联动后，具有以下优点：
（1）增加了机床的功能，如滚削小锥度及鼓形齿轮等变得极为简单。
0 Y, Y" K: V/ |; d（2）缩短了传动链，同时采用半闭环或全闭环控制后，通过数控补偿可以提高各轴的定位精度和重复定位精度，从而提高了机床的加工精度及Cp值，增加了机床的可靠性。
（3）换品种时由于省去了计算及换分齿挂轮及差动挂轮、进给及主轴换挡的时间，插齿机还省去了换斜导轨的时间，从而减少了辅助加工时间，增加了机床的柔性。
9 }  n; n' }% R" Y0 m（4）由于机械结构变得简单了，可以设计得更有利于提高机床的刚性及把热变形降到最底。
（5）各轴间没有机械联系，结构设计变得典型化，更利于实施模块化设计及制造。
9 R% x6 r+ [- o7 Y7 r2.高速高效
齿轮加工机床如滚齿机、插齿机及磨齿机的高速化主要是指机床拥有高的刀具主轴转速和高的工作台转速，它们是提高切削效率的主要指标。
传统机械滚齿机的滚刀主轴速度通常最高为500r/min,工作台转速最高为32r/min.随着齿轮加工刀具性能的提高，齿轮加工机床的高速、高效切削得到了飞速发展和成熟，齿轮滚齿切削速度由100m/min,发展到可达500~600m/min,切削进给速度由3~4mm/r发展到20mm/r,这使滚齿机主轴的最高转速可达5500r/min,工作台最高转速可达800r/min,机床部件移动速度也高达10m/min;大功率主轴系统使机床可运用直径和长度均较大的砂轮进行磨削，有利于增加砂轮寿命，也有利于操作者选择最优的磨削参数来完成磨削加工。
' w1 J0 C8 W; b6 W高效加工是机床从各个方面采用了专用技术来得以保证：具有最佳吸振效果的铸造床身；使机床具有最佳热稳定性的集成冷却介质循环系统；切削区保护隔板大倾角及光滑设计使干式切削产生的切屑迅速有效排出；具有用预载的、无隙滚珠丝杆驱动的进给系统；具有耐磨损直线导轨或采用PLC控制的定量润滑铸铁导轨等。电主轴的应用使刀具主轴得到提高，而工作台转速的提高则是采用了高精度斜齿轮副或力矩电动机。电主轴及力矩电动机具有回转精度高、无反向间隙和不用维修等优点。
' Y/ z$ x4 X5 r. o- F5 U9 e5 S4 A- e3.高精度
由于采用了高精度、具有预加负荷的高刚性直线导轨、滚珠丝杆、滚动轴承、电主轴、力矩电动机及数控技术，使高速加工条件下的齿轮加工机床精度得到保证并有所提高。电主轴精度一般为径向振摆0.002mm,轴向0.001mm;环形转矩伺服电动机定位精度达0.5″，重复定位精度达0.01″；直线运动轴的定位精度小于0.008mm,重复定位精度小于0.005mm.滚齿及插齿尽管为粗加工，但在高速切削的条件下仍能达到DIN6~7级精度，为其后的精加工工序获得高精度提供了保证。
随着磨齿机生产效率的提高、单件齿轮磨齿成本的降低以及汽车齿轮不断追求提高精度的要求，市场对磨齿机的需求越来越大；同时，随着数控技术的发展，各种机床间的功能延伸较容易实现。因此，在激烈的市场竞争压力下，世界各主要制齿机床制造商企业纷纷加入生产以磨齿机为代表的齿轮精加工机床行列。这种趋势的发展将使今后的汽车齿轮加工越来越多地采用滚-磨工艺。
4.功能复合
* P  i1 I$ q) ]% v$ s0 D功能复合型机床是指在一台机床上或工件一次装夹中，可以完成多道工序加工，从而提高工件的加工效率甚至精度。目前齿轮加工机床主要有以下功能复合组合形式：
9 Q) A. w3 ^9 t% J5 _: H7 Y（1）自动上料、车削、滚齿、倒棱、去毛刺、自动下料。
（2）自动上料、车削、滚齿、倒角、自动下料。
9 x. n$ p* x: I# W/ r6 z4 \: A6 A（3）自动上料、车削、滚齿、磨削、自动下料。
: e2 r, y. k8 B0 a9 g) b（4）自动上料、磨内孔、车端面、磨齿轮、自动下料。
% R; Y' o" b1 l4 X1 U' d3 r（5）磨齿面、磨外圆、磨端面。
2 ~5 D# u, D* i8 m# }+ i（6）自动上料、倒棱去毛刺、剃齿、自动下料。
5 P& x6 Z; O* X$ Y（7）自动上料、滚齿、倒角、去毛刺、自动下料。
（8）自动上料、铣弧齿锥齿轮、倒角、自动下料。
" N6 h* D" c* \0 E（9）自动上料、倒棱去毛刺、剃齿、甩干、自动下料。
; H) [4 `; R, I( @+ V1 O. O  Q5.绿色环保
切削过程中应用切削液可提高刀具寿命，改善加工表面质量和利于排出切削热而不致引起机床的热变形。但是，在高速切削过程中切削液的飞溅和形成的油雾对生态环境，特别是操作者的健康特别有害。为此，通常是将加工区用护罩封闭起来，安装上油雾分离器，使排出的只是不含油的雾，而切削油则重新流回机床内循环利用。但这并不能从根本上解决环保问题，因为变质切削液的更换排放会严重污染环境。
: p: n* y" V* h+ `) D湿式齿轮加工中消耗的切削液及切削液附加装置的费用占加工成本的20%左右，采用高速干式切削能提高2~3倍以上的加工效率，刀具的使用寿命是湿式切削的2~5倍，因此，干式切削降低了单件齿轮的加工成本。
高速干式切削既可减少切削液的消耗和冷却处理装备，又可避免对环境造成污染，还能提高生产效率，降低单件齿轮的制造成本。因此，高速干式切削成为齿加工机床制造商多年来追求的目标和发展方向。随着齿轮加工机床的高速化，机床刚性的提高，良好的抗振性及排屑技术的完善，以及干式高速切削刀具的进一步发展，高速干切已在切齿机床上全面实现。
2 Y& x- s0 m( U! J5 v! ], E6 l6.智能化
数字化控制技术、传感器技术、信息技术和网络控制技术结合在一起，使数控齿轮加工机床的智能化水平更高。
* L9 k+ z( M# x  v齿轮加工机床要实现误差补偿、温度补偿、自动平衡、防撞功能、过载保护、有无工件自动识别、装夹工件是否正确、工件是否已加工过、对齿啮合、加工余量分配、刀具磨损、在线精密检测、自动修整砂轮、零编程界面、多功能加工软件、切削工艺专家系统、机器人在机床间搬运工件时的自动识别、远程控制、远程诊断等功能。
8 X+ v) {* \+ U* r% Y; A智能化是齿轮机床提高可靠性、安全性、稳定性、复杂零件加工、精密加工和实现无人化生产的基础，还必将不断完善和提高。
齿轮加工正朝着高效、高精度及绿色制造方向发展，齿轮加工机床正朝着全数控、功能复合、智能化、自动化及信息化方向发展。中国齿轮加工机床制造商要抓住这一发展趋势，更好地为我国的汽车齿轮加工行业提供高效、复合、智能的装备。
" q/ F! @" r  Z文章关键词： 汽车、齿轮、加工工艺、