

齒輪制造技術現狀
隨著汽車制造業的發展,齒輪行業通過大量引進高端設備使加工能力有了長足的進步與國際先進水平已相當接近。國產齒輪加工機床已基本形成了較完整的系列已開發出技術含量具有國際水準的螺旋錐齒輪六軸數控磨床,但齒輪機床總體制造水平在精度、壽命、穩定性、數控技術應用等方面與歐美相比存在較大差距目前國內齒輪加工行業的精加工特別是數控齒輪機床仍然以進口設備為主。如德國普發特公司、瑞士萊斯豪爾公司的圓柱齒輪滾齒、磨齒機等,美國格里森公司、德國克林貝格公司(含原瑞士奧利康)的螺旋錐齒輪銑齒、磨齒、研齒機以及齒輪測量中心在國內仍居顯著的優勢地位。
齒輪加工要根據不同結構及精度需要采用不同的工藝。鑒于設備投資大,工藝方式的選擇(如表1)通常都充分考慮已有資源。齒輪加工過程中的微小變形及工藝穩定性控制相對復雜,毛坯鍛造后大多要采用等溫正火,以期獲得良好的加工性能和趨勢性變形的均勻金相組織:對于精度要求不高的低速圓柱齒輪可以熱前剃齒而熱后不再加工:圓柱齒輪熱后加工根據條件有琦齒和磨齒不同方式的選擇,晰齒成本低但齒形修正能力弱,磨齒精度高但成本高:修緣和鼓形齒修形工藝能夠顯著降低齒輪嚙合噪聲和提高傳動性能,目前被廣泛采用。直齒錐齒輪主要用于差速器由于速度低精度要求相對較低,目前推薦采用精鍛齒輪。螺旋錐齒輪加工計算和機床調整,以往非常復雜和耗時的手工操作已被現代專用軟件和計算機程序所取代,有限元分析的引入使工藝參數設計更為可靠和便捷:螺旋錐齒輪熱后加工主要有研齒和磨齒兩種,由于磨齒的成本高、效率低且有局限性而目前大多采用研齒,研齒幾何上的修正能力很弱,因此螺旋錐齒輪的從動齒輪多采用滲碳壓淬工藝。齒輪材料及其熱處理技術發展是齒輪加工中對變形控制具有挑戰性的課題。
齒輪加工中測量技術的同步發展對齒輪制造水平的提高同等重要。傳統的幾何測量與綜合測量方法由于三坐標技術的發展以至齒輪測量中心的出現而在測量精度、效率、范圍等方面得到極大改善。齒廓空間形面測量成為現實(如圖1)使螺旋錐齒輪計算、加工、測量、反饋調整可在數控系統中實現數據閉環。
重要的技術研究方向
1.數值分析技術
作為幾何描述的漸開線、擺線等基干嚙合原理或共扼特性的理論研究起于18世紀初,將其轉化為現實即世界上出現第一臺齒輪加工機床距今也有近百年歷程。發展至今雖然切齒原理并未產生本質變化,但在應用工程領域無論是圓柱齒輪還是螺旋錐齒輪其制造能力都取得了長足進步主要表現在加工機床、檢測手段、計算分析技術等方面,其核心推動力是計算機數字技術的快速發展。因此,齒輪進入實際加工前,充分考慮制造因素影響的數值分析(CAE)技術的研究和應用成為重要課題。
數值分析技術是個比較大的概念,借助不同的專業軟件可進行結構強度、運動學、動力學、工藝成形等分析。有效的分析可以獲得如下效果。
a.延伸和提升設計方法和思路。通過分析對強度、壽命的預測可使單純的幾何設計轉變為可靠性設汁;加速由二維CAD轉變為三維實本進而實現數值模型設計。
b.最大限度地降低試制、試驗成本,縮短開發周期。通過分析提高試制、試驗“一次成功率”。
C.生產時獲得可靠的齒輪結構數據和正確的工藝調整數據。通過驗證使分析數據模型得到預期性能目標的優化以指導生產,另一方面生產過程中針對市場進行齒輪結構的適應性更改時通過數值分析做可行性判定。
齒輪數值分析的有效性需通過試驗進行規律性驗證,以判斷其置信度水平是否滿足實際要求否則將不具實用意義。數值分析的有效性取決于計算數學模型的準確性、幾何實體模型的精確程度、各種可知邊界條件輸入數據的正確與否。計算數學模型依賴于合適的軟件,目前有LS-DYNA(非線性)、NASTRAN(線性)、ABAQUS(非線性)、FEMFET(疲勞)、ADAMS(多剛體)、ANS丫S(非線性)等不同用途的較多可行選擇:圓柱齒輪易于獲得幾何實體數值模型,對于螺旋錐齒輪的齒廓曲面以往很難獲得精確的實際模型,現在已能夠實現(如圖2):對于各種可知邊界條件中,材料PSN曲線、熱處理狀態、摩擦因數等主要性能數據可通過試驗測試獲得,而對于潤滑、溫度、相對滑移速度等一些重要數據的獲得尚需開展深入研究。