螺旋伞齿轮技术工艺发展趋势分析

第一节 产品技术发展现状

目前，在螺旋伞齿轮技术方面引领创新方向并占据主流高端市场的是美国的格利森公司。进入本世纪，格利森公司推出了最新的CNC Free-form型机床——凤凰II型数控齿轮加工机床以及与之配套的软件—格利森螺旋伞齿轮制造专家系统（GEMS系统），这种最新系列的凤凰II型机床，利用全新的整体式床身设计，从而减少了占地面积，提高了机床刚性，主轴由数字直接驱动电机驱动，省掉了机械传动元件，提高了驱动速率，从而大大地降低了生产周期和提高了机床精度。机床的其他运动轴由数字伺服电机直接驱动，以实现给定的齿面产形运动，凤凰机床采用自容式电器和液压装置设计，从而使安装和调整便捷。GEMS系统是基于计算机网络的一体化制造系统，它将格里森公司现有软件模块（如GAGETM4WIN，G—AGETM4WIN，Summary Manager，FEA及UMCTM）集成，实现工程工作站和格利森数控机床之间的信息互换和享用。GEMS提供了一个高效、无缝和协同的圆锥齿轮生产制造系统。GEMS系统由以下模块组成：（1）应用软件，GAGETM4WIN程序，它是由多项功能模块组成的，为用户提供设计和分析圆锥齿轮的全套工具。用户通过输入圆锥齿轮的基本参数，就可以利用该软件得到设计齿轮尺寸参数、TCA计算结果、LTCA计算结果、根切计算检查、齿面失配图形、机床调整数据、测量数据以及刀具数据。（2）格利森自动齿轮修正软件，该软件基于齿面误差测量数据和误差修正矩阵，对切齿或磨齿齿面进行修正，使齿面误差控制在误差范围内。该软件可用于联机和脱机操作两种模式，用于脱机操作时，可在工程工作站上进行，用于联机操作时，可直接在测量机上运行。（3）高阶运动曲线设计模式UMCTM模块，提供齿面优化功能，利用凤凰机的万能运动特性进行高阶运动曲线设计以达到优化接触痕迹，降低噪声的设计目的。（4）有限元（FEA）T900程序，是一个综合的圆锥齿轮强度分析软件包，可应用于轮齿载荷和分配计算、接触和弯曲强度计算及加载下的运动误差分析等功能。（5）格利森机床调整管理软件模块，用于脱机和联机方式的调整卡数据库的网络管理。这是一个从螺旋伞齿轮的设计、加工、检测到误差补偿以及产品数据管理的闭环系统，它几乎吸收了螺旋伞齿轮技术研究的全部最新成果。据报道，使用这一专家系统，一般只须一次误差补偿就能得到优化的齿面。最近，瑞士的奥利康公司（OerlikonBuhrle）和德国的克林根贝格公司（KlingelnbergSons）已经合并，它们也共同推出了万能型的CNC弧齿锥齿轮切齿机床——KNC/S35及其制造系统。但是，这些垄断企业从不公开其技术内幕，仅在其研究报告和产品介绍中透露其技术研究的大致方向和研究结果。

国内研究人员在继续跟踪格利森技术的过程中有所突破。孙殿柱（2001）用B样条曲线将真实齿面的测量数据进行拟合来分析齿面加工的误差。吴训成（2004）提出了点啮合齿面的主动设计思想，突破了格利森以传统机床加工参数定义齿面的限制，但他提出的设计约束条件显然过于简单。苏智剑（2007）提出基于数控机床万能运动的主动设计齿面的展成方法。在工程实践方面，湖南中大创远数控技术公司（2006）制造出全球最大的螺旋伞齿轮磨削数控机床YK20100，其加工最大直径达1米。

第二节 产品工艺特点或流程

齿轮制造工艺的发展很大程度上表现在精度等级与生产效率的提高。自七十年代以来各种齿轮的制造精度，普遍提高一级左右。有的甚至2～3级。一般低速齿轮精度由过去的8～9级提高到7～8级。机床齿轮由6～8级提高到4～6级，轧机齿轮由7～8级提高到5～6级。对于模数不大的中小规格齿轮，由于高性能滚齿机的开发，加上刀具材料的改善，滚齿效率有了显著提高。采用多头滚刀，在大进给且条件下，可达到的切削速度为90m/s。如用超硬滚刀加工模数3左右的调质钢齿轮，切削过度可达200m/s。提高插齿效率，要受到插齿机刀具往复运动机构的限制。最近在开发采用刀具卸载，使用静压轴承，增强刀架与立柱刚性等新结构后，效率有明显提高。

螺伞齿轮用传统的切削工艺加工，大量金属被切成废屑，生产效率低，材料利用率低，生产成本高。差速器直伞齿轮精锻早已得到广泛应用，目前，人们在此基础上积极开发螺伞齿轮精锻，以取代现行的螺伞齿轮粗铣工艺。但是后桥螺伞齿轮比差速器中的直伞齿轮大得多，齿槽深得多，而且有螺旋角的影响，因此，螺伞齿轮的精锻会比直伞齿轮精锻难度大得多。

由于伞齿轮形状结构特殊，精锻时无法采用通常的闭式模锻，早期的螺伞齿轮精锻与直伞齿轮一样，都是采用开式模锻。其工艺流程为：坯料加热→制坯→粗锻→切飞边和冲连皮→去氧化皮→加热→精压→切飞边→表面清理→车削内孔、背锥及后端面→精铣齿面→热处理→磨内孔。

螺伞齿轮无飞边一火两锻工艺流程为：坯料少无氧化加热→制坯（徽粗、冲孔、扩孔） →粗锻→精压→表面清理→车削除齿面以外其他部分→精铣齿面→热处理→磨内孔。该工艺仅需一次加热，即可完成粗锻和精压。与开式精锻相比，省去了粗锻后的切边、冲连皮、去氧化皮、精压前加热和精压后切边等5道工序。从而达到了节材、节能，减少设备投资和人力消耗的目的。

螺旋伞齿轮虽然是一种质量要求高，加工难度大的零件，但只要紧紧抓住切削机床、刀具、夹具和工件这四个要素，分析和研究各种有关问题，在特定的生产条件下，适应环境的要求，在保证机械加工工序质量和产量的前提下，采用合理的工艺过程，尽量降低加工成本，就一定有可能实现螺旋伞齿轮加工工艺最佳方案，从而产生出质量可靠、用户满意的螺旋伞齿轮。

第三节 国内外技术未来发展趋势分析

当前，螺旋伞齿轮技术尽管在工程应用方面已经显得非常成熟，但随着计算机数控技术在这一领域的广泛应用，在齿面设计、加工及检测等多个方面出现了一些尚需进一步研究的新问题：

1）大型能源设备上用于大功率传递的巨型螺旋伞齿轮的齿面设计和加工技术。这类齿轮一般直径超过2米，对于单件生产，若依然用滚刀或刀盘展成，不但不经济，而且巨大的刀具对机床本身的刚度和运动的稳定性是很大的挑战。这类齿轮应该在通用多轴联动数控铣床上用指头铣刀加工。在这种新式加工方式下，齿面的设计和加工是必须研究的课题。

2）螺旋伞齿轮的齿面结构一般先用传统摇台型齿轮加工机床的调整参数来描述，再按齿面接触分析结果来修形。即使在CNC Free-form型机床上格利森依然按传统摇台型齿轮加工机床的加工原理来调整机床，这是没有必要的，也不够科学。基于预定传动功能要求的点啮合齿面主动设计及其CNC加工方法在CNC Free-form型机床出现后将成为螺旋伞齿轮技术发展的新领域。

3）齿面加载接触分析（LTCA）是齿面结构优化设计的重要依据，但是现有LTCA中齿面几何模型和接触力学模型的精确性和实用性还有待进一步改善和明确。

4）机床加工出的真实齿面对理论齿面的误差的精确测量对进行机床精度补偿具有重要意义，因此齿面坐标测量点的拟合精度的研究和齿面误差的评定方法必将成为研究的热点。