高性能齒輪關鍵制造技術現狀及發展建議

趙玉良，林樹國，王宇航

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.山西大同同煤集團晉華宮礦，山西 大同 037000)

0 前言

隨著我國經濟的不斷發展，應用于航空、軍工、風電、艦船、煤炭及石化等行業的高性能齒輪數量呈快速增長之勢，其應用性能方面的要求不僅包括了高速、高承載能力、高可靠性、長壽命等特征，而且在一些特殊應用條件下還要求其具有良好的高、低溫性能和短時間的缺油運行能力，這就要求此類齒輪不僅在材料的開發和選擇上要有良好的適應性能，而且在制造過程中的熱處理技術方面也要有新的思路和突破。多年來，國內外在對高端齒輪的關鍵制造技術方面進行了多方面的研究和探索，取得了許多積極的進展。尤其在國外，許多高端熱處理應用技術已十分成熟，并已廣泛應用于高性能齒輪的制造過程，產品性能也都有了十分明顯的改進和提高。在國內，盡管相關的研究也進行了不少，但在研究的廣度、深度、系統性和應用性方面還存在諸多問題，和國外先進水平相比仍有不小的差距。這就使得國內的高性能齒輪制造水平受到極大制約，產品性能和國外先進水平相比差距很大，遠不能滿足國內高端裝備的配套要求。隨著我國“十二五”計劃的推進，我國將在航天、軍工、海洋工程及新材料等新興戰略性產業發展上對高端齒輪有更多、更高的需求，高端傳動件產品的性能對上述行業的發展有著十分重大的影響。因此盡快開發和應用與高性能齒輪制造相關聯的關鍵制造技術已變得十分必要和迫切，這也正符合國家《機械基礎件、基礎制造工藝和基礎材料產業“十二五”發展規劃》中對基礎制造工藝進行開發的整體要求，本文將對幾項關鍵制造技術的發展現狀及應用方面進一步的深化研究要求予以簡略討論。

1 齒輪深冷處理技術

齒輪的深冷處理是高性能齒輪材料熱處理的重要延續和補充，是提升其綜合性能的重要手段，目前在國外高速齒輪及航空、航天齒輪制造中應用已十分普遍。國內一些單位也進行了許多探索，但由于缺乏系統性及指導性的工藝數據，其應用尚不夠普遍。

眾多的機理性試驗研究已表明，在對經過滲碳、淬火處理的齒輪再進行一次或多次的溫度最低可達零下190℃的低溫處理，可有效促進齒面組織中殘余奧氏體向馬氏體的轉變，同時使得馬氏體組織中分解析出彌散狀超細碳化物組織，因而使得齒輪齒面金相組織更為細密、均勻、穩定，表面強度及硬度提高，耐磨性也明顯改善，有害殘余應力大大減小，精度穩定性提高，可大大延長齒輪使用壽命。

為使該項處理技術能更為廣泛地得以推廣應用，除進一步深入研究冷處理的各項作用機理外，尚應加強其應用性方面的系統研究，如應對常用齒輪材料的冷處理工藝參數和處理程序進行全面試驗研究，以確定不同材料適用的處理工藝參數和方法，明確冷處理后金相組織的評定標準及要求。在此基礎上，對經過冷處理后齒輪各項主要性能的改善，如表面強度的提高，耐磨性的改善、尺寸穩定性的提高有一個量化的評定指標，以有效指導齒輪應用者進行恰當的設計和應用。

對進行齒輪冷處理適用的設備也應進行開發，并能滿足處理過程操作的自動化、智能化和低成本及環保方面的要求，以便于能大面積推廣應用該項技術，使其不僅在高性能齒輪制造中得以應用，而且在通用齒輪產品的生產中也能得以應用。

2 齒面離子注入技術

為提高傳動齒面的綜合性能，如提高其抗腐蝕、抗氧化及抗疲勞性能，提高表面硬度和耐磨性能，降低齒面摩擦系數，改善齒面微觀結構的低溫或高溫性能等，目前已證明行之有效的方法之一是采用齒面的各類離子注入技術。注入的元素類別視具體要求的不同，可選擇一種或多種不同的元素。齒面通過各類離子的注入，可有助于析出金屬化合物和合金相，形成離散強化相，減少粘著和互擴散，增強氧化膜，提高潤滑性能。如為提高直升機齒輪的短時缺油運轉能力，對齒輪齒面采用了Mo離子注入的處理技術，試驗表明取得了積極的效果。

為加快離子注入技術在齒輪齒面處理中的應用，應加強對各類常用齒輪材料在不同應用環境和使用要求下的各種適用性應用研究，以便為實際應用操作提供技術指導。如為提高齒面的抗膠合、抗微點蝕、抗疲勞性能等不同要求時，各種相應離子注入類別的操作工藝參數和處理結果評定的研究，各種不同的離子注入方法及相應硬件手段的開發等，均應系統全面籌劃并盡快進行。

3 齒面磷化、硫化、鍍鎳及沉積涂層技術

為改善齒面的摩擦潤滑特性，提高齒面抗冷、熱膠合和微點蝕能力，多年來在高性能齒輪齒面的處理中還采用了鋅系或錳系磷化處理、表面鍍鎳、表面鍍銅、低溫電解滲硫及表面沉積涂層技術等，這些也都在不同程度上取得了一定效果。如國外曾通過PVD技術形成齒面涂層，采用的涂層厚度為1～4 μm，硬度800～3 000 HV。試驗表明其抗微點蝕能力有了明顯的提高［4-5］，幾乎未觀察到微點蝕現象發生，齒形精度也未下降。目前表面涂層技術在風電軸承中也已開始被采用，FAG及TIMKEN公司均推出了旨在提高軸承性能及使用壽命的帶涂層軸承并已投放市場。我國汽車齒輪生產中目前也有采用齒面磷化技術來改善其齒面摩擦性能，但應用范圍還很有限。

上述幾種方法的一個共同點是均涉及到新生的表面層問題，一些技術尚不夠成熟完善，應用中還存在許多問題。因此應對其表面層與母體的結合力、組織致密性、應力狀況、硬度、抗疲勞性能、耐溫性能、耐沖擊能力、耐磨性、耐蝕性等，均應在不同的環境與載荷條件及不同的轉速條件下進行系統全面的試驗研究，確定出其適宜的應用條件及驗收或檢驗方法，完善其處理工藝，以便能更廣泛的推廣應用。

4 齒面振動光整技術

采用齒面振動光整研磨技術降低齒輪表面的粗糙度，已被證明是一種十分經濟高效的處理方法，對改善嚙合齒面間的潤滑狀況，有效避免齒面的膠合和微點蝕的發生有著十分顯著的效果。與此同時，齒輪疲勞強度也將得以提高，齒面磨損也大大減輕，運行溫度及噪音也明顯下降。齒面振動光整研磨技術一般應用于重載低速齒輪的深度處理。

國外進行齒面超精加工的設備及工藝技術已較為成熟，它是采用將工件置于直徑為3～5 mm的非磨蝕性高密度陶瓷研磨顆粒中，同時施以高頻振動，在顆粒與齒輪的多次往復運動中，使得齒面微小波峰得以進一步的平滑。在上述研磨的過程中，研磨顆粒中還加有專用的液態化學助磨劑，它可在工件表面不斷生成氧化層，這一氧化層不斷被磨去，又不斷再生成，借此可以加速齒面的磨合。由此可知，超精加工是一個工藝性較強的精磨過程，其最終效果不僅取決于各相關工藝參數的控制，也和齒面的初始粗糙度有很大的關系。經過超精加工工藝處理過的齒面，其粗糙度一般可達Ra＜3 μm。

齒面超精加工已被國外風電齒輪箱制造行業作為低速級齒輪精加工的常規加工工藝而普遍采用。在我國，由于處理工藝技術研究及硬件設施的缺失，目前這一工藝的應用還尚不普遍，亟待進行開發研究。

5 傳統處理工藝技術升級及復合應用技術

在關注并采用各種新的處理技術的同時，對應用多年的傳統技術也要進行開發升級，以適應新的條件下對各類產品的熱處理質量所提出的更高要求。

近些年來，傳統的熱處理技術已逐漸發展了真空低壓滲碳、真空離子深層氮化、真空碳氮共滲和稀土催滲等新技術，噴丸強化技術也有新的發展，如激光噴丸強化和超聲波噴丸等。據報道，法國正在開發超聲波噴丸技術，通過試驗，表明這種工藝對提高齒面接觸強度和抗微點蝕能力有著積極影響，并可使得對齒面粗糙度的影響大大降低。通過進一步更系統的研究開發，可以有效提高輪齒表面抗微點蝕能力及綜合性能。各種傳統熱處理技術的升級進步也是包括重載、高速行星傳動技術在內的高端齒輪制造的迫切需要。如包括風電增速箱在內的高端行星傳動齒輪箱中大型內齒圈的熱處理問題，就遇到了傳統滲碳工藝變形過大且難控制，而亟待采用快速深層氮化技術或新一代的無害排放的真空碳氮共滲技術來解決這些難題。上述這些相關技術應盡快解決效率、成本及處理結果的可靠性和穩定性等方面的問題，使其能得以更好的應用和普及。

除此之外，本文所述的各項處理工藝技術并不是孤立的，而是有著十分緊密的關聯關系。不同的應用環境和條件，可能需要多種不同的技術復合使用，這樣方能取得良好的效果。如航天、航空高速齒輪，可能需要滲碳、深冷處理、表面離子注入或表面磷化等技術復合應用。艦船和風電齒輪則可能需要噴丸、滲碳、齒面光整加工等方面的復合技術，等等。這些都需要進行不同類別復合處理技術的綜合性應用研究，以對其在不同組合條件下滿足特定載荷及應用環境的適用性進行全面研究，并形成指導性的推薦組合方法、處理工藝和技術參數等規范或標準。如一家英國公司采用齒面滲碳、淬火、噴丸和超精加工工藝結合起來，在進行了兩次不同粒徑及強度的噴丸后，最后再進行齒面超精加工。這樣不僅有效保留了噴丸形成的齒面殘余應力，也使得齒面粗糙度大大降低，齒輪綜合性能有效得以提升。

6 若干建議

對齒輪產品性能要求的不斷提升促使著新的技術和工藝在不斷產生和發展，我國在齒輪基礎制造工藝的開發研究方面還存在許多空白，許多急需的關鍵制造技術的應用研究還非常不系統，缺乏為行業發展提供共性技術支撐的公共平臺和數據庫，這給相關技術的推廣應用帶來了極大的障礙，也直接導致我國在高端齒輪產品的制造質量方面和國外相比差距仍較大。為改變這種狀況，提出如下建議:

(1)“十二五”期間國家應立題對相關專項進行持續性研究，集中材料、熱處理、齒輪設計、制造及應用單位共同努力，協力攻關，盡管形成自主的高水平、低成本、低能耗、系統化、實用化及智能化的綠色熱處理技術體系，建成我國的高性能齒輪制造技術公共服務平臺。

(2)確定的整體工作目標應為對齒輪產品關鍵處理技術形成規范化的處理程序及工藝，自動化及智能化的處理設備或生產線，標準化的驗收檢驗方法，保證高技術應用的便利穩定，充分保證產品的處理質量，為我國盡早步入齒輪制造強國提供堅實的技術支撐。

(3)建設若干高水平的示范性熱處理中心，引領帶動全國性的地域熱處理中心建設，形成規模化、專業化的服務體系，便于高端處理技術推廣應用，也有利于環保和排放物集中治理。

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