高效干切技術在螺旋錐齒輪行業的應用

株洲齒輪有限責任公司 潘曉東 劉祥環

高效干切技術在螺旋錐齒輪行業的應用

株洲齒輪有限責任公司 潘曉東 劉祥環

本人結合企業的實踐經驗，主要介紹高效干切技術（Power Cutting）在螺旋錐齒輪行業的應用，根據實際制造經驗，將高效干切技術和通用加工螺旋錐齒輪工藝進行對比，總結高效干切技術的各種優勢。通過株洲齒輪有限責任公司多年對高效干切技術的研究，總結出了影響干切技術國產化的因素及解決方案。

螺旋錐齒輪；干切技術

1 概述

隨著中國汽車工業的高速發展，中國汽車關鍵零部件的制造技術也在不斷地提升。車企普遍認為發動機、變速箱、車橋為汽車工業的三大核心技術，而車橋廠又視螺旋錐齒輪為其核心技術。株洲齒輪有限責任公司（以下簡稱為株齒）從事了50多年的汽車齒輪研發與制造，是螺旋錐齒輪相關國標的制定者。長期以來，螺旋錐齒輪的切齒一直使用“濕切”方法，隨著客戶對汽車產品質量和舒適性等要求的不斷提高，普通的螺旋錐齒輪加工設備和工藝已經滿足不了客車螺傘、出口汽車的要求。株齒一直在探索新工藝來提高螺旋錐齒輪的精度要求，改善接觸區域，降低噪音，但在原有設備基礎上改變加工工藝，產品的精度、接觸區、噪音并沒有得到質的飛躍。隨著機床、刀具、材料的發展，尋求一種高效、高精度、節能、環保、低成本制造高性能螺旋錐齒輪的切齒方法是行業的一個夢想。

圖1 株齒的美國格里森齒輪干切生產線

20世紀90年代，美國格里森公司推出螺旋錐齒輪干切技術，并獲得美國汽車工業最高的榮譽—PACE大獎。自此以后，歐美螺旋錐齒輪設備廠家及生產企業圍繞這一干切齒工藝技術進行了大量研究，并得到了產業化的應用。從20世紀90年代以來，國內也有企業進行了弧齒、錐齒輪、干切齒的嘗試，如湖北車橋、一汽地盤引進奧利康機床進行干切，天津機床使用涂層高速鋼刀具進行干切，但因齒坯材料、正火、刀具等原因，效果都不理想，干切技術最終沒有在國內推廣。

圖2 株齒濕切銑齒線和拉齒線

從2007年年底到現在，株齒在格里森工廠大規模訂購了鳳凰600HC、鳳凰Ⅱ型設備，現已形成10萬套／年的干切能力。剛開始使用國產鍛坯、美國進口刀具，干切數比為21∶29、大端模數為10.173的弧齒錐齒輪，取得了刀具修磨后一次切齒超過80套以上的理想結果。隨后，株齒公司在國內又進行多次的干切齒試驗，產品大端模數達13以上，齒數從17到41，使用的齒形加工方法包括滾切法、成形法。2012年，株齒公司使用干切技術生產的產品已超過5萬套，今后將繼續增加技改投入，將干切齒產能擴大到30萬套／年。

圖3 株齒螺旋錐齒輪加工設備

2 螺旋錐齒輪干切技術的優勢

2.1 干切的高效優勢

根據株齒公司長時間的統計顯示，干切的切齒時間為1.5min，而濕切的切齒時間為6min，即干切的切齒效率是濕切的4倍。當采用手動上下料時的綜合加工時間分別為4.75min和6.75min，即干切手動上下料工序的效率是濕切的2.5倍。當干切應用在自動線上的效率是濕切的1.4倍。下表為實際使用時，干濕切的生產效率對比數據：

齒數 大端模數大輪濕切（端面銑削法）大輪干切（端面銑削法）效率比較粗切 精切 合計 大輪粗精切齒 濕切／干切Z＝29 10.173 21′ 19′ 40′ 7′52″～9′12″ 5.1～4.3倍Z＝28 10.357 20′ 18′ 38′ 7′45″～8′54″ 4.9～4.3倍Z＝37 13.25 24′ 9′ 33′ 13′52″ 2.4倍Z＝40 10.875 22′ 8′ 30′ 11′01″ 2.7倍Z＝40 11.4 22′ 8′ 30′ 14′ 2.1倍Z＝39 11.131 22′ 8′ 30′ 15′25″ 1.9倍Z＝37 11.757 22′ 8′ 30′ 11′54″ 2.5倍Z＝41 10.61 22′ 8′ 30′ 14′53″ 2倍

從上表可以看出，干切的加工效率為濕切的2～5倍，變化范圍比較大。若濕切時采用滾切法，干切生產效率的優勢是非常明顯的；若濕切采用成形法，由于濕切時成形法本身的效率比較高，干切的效率優勢則體現得不那么明顯。若能使用成形法的螺旋錐齒輪濕切時使用滾切法，則干切的生產效率將是濕切的5倍以上。

2.2 干切的節能環保優勢

螺旋錐齒輪濕切的電力消耗計算如下：

大輪粗切：7.5kW×（20～24）min／60＝2.5～3kW·h。

大輪精切：7.5kW×（8～19）min／60＝1～2.375kW·h。

小輪粗切：7.5kW×（12～24）min／60＝1.5～3kW·h。

大輪兩端面精切：［7.5kW×（12～21）min／60］×2＝1～2.375kW·h。

每套產品切齒工序，使用滾切法濕切的電力消耗為：（2.5～3）＋2.375＋3＋5.25＝13.125～13.625kW·h／套。

每套產品切齒工序，使用成形法濕切的電力消耗為：（2.5～3）＋1＋1.5＋3＝8～8.5kW·h／套。

螺旋錐齒輪干切的電力消耗計算如下：

淺談橋梁施工中大跨徑連續橋梁的施工技術…………………………………………… 韓彥龍，李洪生（10-187）

使用滾切法干切，大、小輪粗精切的電力消耗為：［20kW×（7.86～9.2）min／60］×2＝5.24～6.13kW·h／套。

使用成形法干切，大、小輪粗精切的電力消耗為：［20kW×（11.01～15.42）min／60］×2＝7.34～10.28kW·h／套。

從上述計算可以看出，都使用滾切法時，干切的電力消耗比濕切低很多；若都使用成形法，從理論計算的角度上看，其電力消耗差別不大。由于干切不使用任何冷卻劑（油、液、氣），所以也不會對環境產生任何不良影響。

2.3 干切的成本優勢

從目前情況看，雖然實現螺旋錐齒輪干切齒存在有設備投資大。刀具首期投入大，國內在技術上存在斷層等缺陷，但螺旋錐齒輪干切齒的低成本優勢還是能通過以下幾方面體現出來。

（1）由于不需要使用切削液，這部分制造成本就沒有了，根據株齒螺傘分廠測算的結果，僅切齒工序的油料消耗就可以節省6～12元／套。若計入由于使用了切削液，從而必須增加清洗、排污處理、車間地面去油污等附件費用，其成本優勢就非常明顯。

（2）單套產品的刀具消耗低。根據株齒3年多的經驗測算，干／濕切的單套產品刀具消耗成本為1.2／2.1，即單套產品干切的刀具消耗成本不到濕切的60%。另外，干切刀片的可重磨次數一般是原濕切使用刀片的2倍左右，這大大降低了干切刀具的成本。

（3）單套產品的電力消耗低。雖然干切齒設備的功率比濕切齒設備要高，電力需要增容，但由于其干切齒效率非常高且工序短，其單套產品的電能消耗反而比濕切低。根據株齒3年多的經驗測算，干切比濕切要節能30%以上，國際先進水平的干切甚至可節能70%以上。由于20世紀各國為了發展工業，對不可再生能源的泛濫開發，造成21世紀全球能源緊缺，我國在沿海地區已實施了限電政策，國家強制淘汰高能耗設備，可以預計，中國使用干切技術的企業將進一步推廣。

2.4 干切的高性能優勢

由于干切時使用的機床傳動鏈非常簡單，刀具系統的精度非常高，所以其制造出的產品精度也非常高。在同等條件下，使用端面滾切法加工的螺旋錐齒輪，其加工精度一般都能達到AGMA（美國齒輪制造商協會）12～13級（DIN或GB5級左右），比國內傳統的加工方法加工出來的產品要高出2～3個精度等級。通過臺架試驗驗證和配套整車廠售后信息反饋，干切齒的精度、使用壽命、接觸區域、噪音等指標也要比按傳統工藝方法加工的好很多。

3 螺旋錐齒輪干切齒的影響因素

除了選擇合適的機床、刀具、材料外，下述因素都會對螺旋錐齒輪干切的效果產生直接的影響，在實際使用過程中需要引起注意和重視。

（1）原材料中硫的含量、雜質含量；

（2）原材料的低倍組織級別；

（3）齒坯的硬度、顯微硬度及其均勻性和一致性；

（4）齒坯的帶狀組織級別及粒度；

（5）刀具的各切削角度；

（6）切削參數及切削過程選擇；

（7）使用高性能的刀具是實現螺旋錐齒輪干切齒的重要條件之一，也是國內螺傘錐齒輪干切技術遲遲不能得到推廣的主要影響因素之一。行業普遍認為若長期依賴進口刀具，會存在訂貨周期長、價格高、運費高等問題。為了解決這些問題，株齒從刀具的選型、重磨、涂層等方面考慮如何實現國產化。株齒就干切刀具國產化項目和株洲天威硬質合金工具有限責任公司開展合作，從目前使用國產化刀具和進口刀具的使用壽命和效果來看，干切刀具的國產化項目非常成功。

4 結論

中國汽車工業經歷2009年和2010年井噴式的發展后，在2011年進入了一個調整期，目前國內許多汽車主機廠都在抓住這個市場調整的時機，對產品結構、制造工藝和水平、產品質量等各方面進行調整和提升，以實現整個汽車產業的升級和結構調整，為將來的快速發展蓄積能量。株齒作為重型螺旋錐齒輪領先的制造企業，利用干切技術對產品結構及制造工藝進行了結構性的調整，實現企業的轉型升級。隨著中國機床、刀具、材料等技術的發展和完善，可以預見，國內螺旋錐齒輪的干切將會得到廣泛的應用。目前，在行業內干切齒的優勢已獲得了市場的認可，成為螺旋錐齒輪技術的發展趨勢之一。

［1］謝耀東，張俊杰等.弧齒錐齒輪的高效干切技術.現代零部件，2009／7.

［2］程文，謝耀東.先進的螺旋錐齒輪弧齒加工工藝探討.機械制造，2008／5.

［3］HermanJ.Stadtfeld《Advanced Bevel Gear Technology》［M］.1000University Avenue P.O.Box 22970Rochester，New York 14692－2970：Gleason Corporation 2000.

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