中外齒輪箱制造技術對比

摘? 要：通過對齒輪箱關鍵工序的簡要分析，對比中外齒輪箱的制造差異，以了解國內外齒輪箱的制造水平是否有差距，幫助國內廠商認識目標、發現不足。

關鍵詞：齒輪箱;鋼錠;電渣鋼（ESR）;滲碳;留磨余量

0? ? 引言

國內的齒輪箱行業于20世紀中期開始快速發展，涌現出了一批優秀的齒輪箱開發企業和行業前輩。他們努力學習國外的先進技術，將國產品牌帶上了一個新臺階，甚至達到了國外同等水平。國產齒輪箱在各應用領域逐漸打破了國外產品的壟斷，為國家建設做出了巨大貢獻。

經過半個多世紀的發展，國產齒輪箱和國外產品是否還有差距？或是已經超越？筆者基于自身十多年齒輪箱制造行業的經驗積累和對國外產品的了解，從齒輪箱關鍵工序入手，對其進行了簡要的對比和分析。

1? ? 齒輪箱制造工藝簡介

限于篇幅，本文只從關鍵制造工序分析國內外齒輪箱的開發水平，即從原材料來料到齒輪件終檢入庫。

圖1展示了齒輪件的主要加工工序：鍛件廠提供合格的鍛件，有時也按要求進行粗、精加工;滾齒是齒輪成型的重要工序，按內齒/外齒和成型方式主要有滾齒、插齒、銑齒、拉齒等;熱處理通常是通過向齒面的一定深度滲入碳、氮或通過電感應淬火增加齒面的硬度;磨齒是提高齒面的粗糙度、修形以延長壽命、降低噪聲;最后零件通過檢驗入庫，等待最后裝配。

以下章節我們對各個工序進行分析和對比。

2? ? 鍛件

鍛件的上道工序是煉鋼，通過上游提供的原材料（鋼錠、連鑄坯、電渣鋼）鍛打成型，提高鍛件的力學性能。鍛件的驗收標準有力學性能、化學成分、晶粒度、純凈度等。理化性能通常是硬指標，也是國內外原材料都能滿足的前提條件。純凈度指標近十年來越來越受到關注和重視。隨著齒輪箱行業的發展，齒輪箱的功率密度也在逐步提高，齒輪箱承載能力更強、體積更小;在原有的失效模式外，一種新的失效模式——齒面斷裂（TFF）正在越來越多地提前結束齒輪箱的壽命。

所以，決定鍛件質量的關鍵可能在于煉鋼環節。目前國內大面積使用的還是鋼錠，即傳統的煉鋼工藝形成的毛坯。鋼錠是逐個生產的，所以個體之間存在差異，甚至一個錠切割的各部位也存在較大差異，兩端的純凈度肯定要比中間差很多。

連鑄坯能有效避免鋼錠的主要缺點。鋼水連續澆注提高了效率，且整個坯的各項性能指標一致性非常好，鋼的純凈度控制也比鋼錠優秀很多。連鑄坯主要有兩點劣于鋼錠：一是力學性能，另一點可能是連鑄坯的致命弱點——芯部比外圍各項指標差。所以，連鑄坯一般用于批量產品的空心類零件，如齒圈和中空的餅狀齒輪。

電渣鋼（ESR）近幾年開始大量用于高功率密度、高可靠性要求的零件上。電渣鋼是在原煉鋼工藝的基礎上增加了一道通過電極消耗鋼水中雜質的工序，大大提高了鋼的純凈度。電渣鋼提出于20世紀40年代，在歐洲、美國、前蘇聯得到發展，起初只用于航空航天、軍用武器方面，隨后才逐步應用于工業領域。電渣鋼在擁有其他鋼種優點的同時避開了其缺點，但因價格相對較高，目前在工業領域也僅在特殊要求下應用于部分特殊零件。

隨著國內煉鋼、鍛造技術的發展以及全球供應鏈的形成，國外齒輪箱制造商也開始大量采購中國的原材料。分析他們的供應鏈也可發現一些特點：大的鑄件和鍛件目前已基本實現100%國產化，70%～80%齒輪件和內部軸類零件也已實現了國產化，但還有部分高可靠性零件如行星輪、高速齒輪軸等依然采購歐洲、印度、韓國和日本的鋼材，運到中國加工或裝配。

3? ? 滾齒

滾齒工序決定了齒輪件的齒根粗糙度和齒輪精度，結果大多取決于設備、工藝和對設備的保養。滾齒設備不在西方世界對我國禁售范圍，所以幾乎可以買到德國、韓國、日本所有的優秀設備。國內幾大齒輪箱制造廠均配備了一流的歐洲設備如Gleason、Liebherr等，加工的齒輪精度達到了ISO 1328的3～4級，但精度能否在10年的折舊期內有效保持是一個很大的問題。為了利益最大化，犧牲保養時間也是常有的現象。

所以，滾齒環節國內外應該處在同等的水平，差異在于國內的操作技師是否都接受了完善的職業技術教育以及作業前是否得到了充分的技能培訓。我們經常看到國外的操作者是一干幾十年的老技師，而國內大多是相對年輕的工人。

4? ? 熱處理

熱處理有感應淬火和滲碳、滲氮等方式。感應淬火主要應用于齒圈零件，相對氣體滲碳明顯提升了效率，降低了成本，由于是局部加熱所以有較小的零件變形。滲碳、滲氮是向齒面一定深度范圍內滲入C或N原子，通常步驟是：加熱—氣體滲入—油淬。由于是將整個零件加熱到930 ℃左右并迅速冷卻，整個零件會或大或小地存在變形問題。所以，在滿足硬度和深度要求的前提下，如何控制變形至關重要。

國內熱處理設備已有大量使用，國外的如AICHELIN、EMA等歐洲設備也越來越多地得到了國內齒輪箱制造商的應用。設備的質量通常體現在能否快速精確地控制爐溫、保證爐內各個區域溫度和氣體濃度均勢等，這對于保證同爐所有零件以及每個零件各部位熱處理結果一致性至關重要。

為了得到一致的熱處理性能，零件入爐時堆棧就非常講究。通常要進行多次試驗，并通過樣件切割檢測積累經驗、形成規范。每層零件數量、如何分布、零件層數既影響最后的結果，也影響生產效率。有時為了考慮經濟性，不得不將幾種形狀相似的零件一起入爐，這樣控制零件的變形和熱處理性能就更加困難。

熱處理質量指標有硬度、硬化層深、硬度梯度、變形等。前幾項是硬指標，變形控制則直接影響了下道工序。變形通常有變長、變彎（軸類）、脹大、翹曲（餅類）等。后道工序（磨齒）希望變形越小越好，這樣能最快地磨到期望結果;如果變形太大，無法磨出，則只能報廢。所以熱處理水平更多的是要看通過控制入爐、出爐、冷卻等過程使零件達到硬指標并控制變形最小。

5? ? 磨齒

磨齒是最后一道精加工工序（除氮化齒輪）。磨齒后齒輪有合格的齒面粗糙度、硬化層深和齒形/齒向修形，疲勞壽命增長，噪聲降低。國內齒輪箱廠的磨齒設備也早已達到了西方水平。排列整齊的Gleason、Hoefler等坐落于恒溫車間，再配備歐洲一流的Klingelnberg齒輪計量儀，利用這些設備，產品在質量上跟西方幾乎沒有差距。

磨齒的另一項參數——留磨余量間接體現了齒輪箱的制造和熱處理水平。留磨余量是滾齒時預留的齒面厚度，以補償熱處理變形。熱處理水平高，變形能控制到很小，只需要較小的留磨余量;反之，留磨余量要加大。留磨余量大則要增加齒根的挖根量以保證磨后齒面和齒根圓角相切，而挖根量增大又會削弱齒根的彎曲承載能力。

齒輪的設計趨勢是功率密度提高、體積減小，留磨余量的控制已成為齒輪箱開發的重要限制因素。在接觸到的一些國外來圖加工的項目中可以發現他們的挖根量非常小，甚至可以一個圓弧直接過渡齒根，這就要求齒輪熱處理時控制變形很小，磨齒時幾乎只為磨出修形。這樣相同的齒輪參數齒根的承載能力要比國產增加15%～20%，進而可以把齒輪箱做得更小。

6? ? 結語

經過對齒輪加工主工序、設備的對比可以發現，國內外使用的設備幾乎不存在差距，但是我們的原材料和熱處理環節還有一定差距。隨著電渣重熔這項國外已經過了保密期的技術在國內的推廣應用，國內的鋼材質量會越來越好。熱處理的變形控制可能還需要企業和科研院校靜下心來仔細研究和積累，盡快消除這項短板。否則我們還要在制造傻大笨粗的產品階段停留，缺乏國際競爭力。

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收稿日期：2020-06-02

作者簡介：郭方鵬（1983—），男，江蘇人，東南大學MBA在讀，高級工程師，研究方向：風電齒輪箱開發和新產品開發標準。