淺談齒輪制造業的問題以及發展趨勢

錢永輝 毛芳芳 張朝國

摘要：齒輪是機械傳動中應用極為廣泛的零件之一，涉及的制造業包括轎車齒輪業、摩托車齒輪業、機器人傳動軸齒輪以及機床齒輪業，齒輪制造業從業人員約200萬，齒輪總成產品年產值超過2800億元。本文簡要陳述了國內外齒輪行業的發展現狀，分析了國內齒輪發展的優勢以及短板，結合當前的工業技術預測了未來齒輪制造業的發展趨勢。

關鍵詞：齒輪;精度;趨勢

中圖分類號：TH132? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0190-02

0? 引言

《中國制造2025》中提出中國要成為世界制造強國，裝備制造業作為基礎性、戰略性產業，對于各行業產業升級、技術進步具有重要的保障作用，集中體現了國家綜合實力。中國要躋身世界裝備制造業強國必須高度重視齒輪等基礎零部件制造。齒輪是一種重要的傳動零件，是機器或部件不可或缺的部分且不可取代，在機械傳動中的運用非常廣泛。盡管我國的齒輪制造業取得了不菲的成績，齒輪制造總量躍居世界前列，普通齒輪的質量相當可靠，但當前，我國齒輪行業的發展遇到了瓶頸。主要表現在，生產設備配套不完善，企業的高精尖機床設備嚴重依賴進口，在面對國際形勢的變化時，往往比較被動，造成我國工業核心競爭力不足，高精尖產業掣肘于國外。筆者認為我們應該分析我們齒輪制造的薄弱環節，找出癥結所在，并且提出有效的解決方案。

1? 現階段齒輪發展的情況以及趨勢

我國齒輪行業從2007-2014年一直處在高速發展時期，產量實現逐年增長，2015年雖稍微有小幅度下降，2015年至2020年間又再次進入高速發展階段，呈現逐年穩定增長的趨勢，雖然期間全世界受疫情影響，但我國的齒輪制造仍然實現了7.7%的增長，2020年的產值高達3000億元，穩居世界齒輪產量第一，通用零部件的最大市場，產值分布圖如圖1。

目前，我國齒輪制造企業多，約5000多家齒輪制造企業，骨干企業不足10%，約300多家。按照齒輪檔次的劃分高檔和中低檔次，中低檔次占比75%，隨著我國總體的制造創新能力在逐年上升，低檔向中高檔轉變在逐年攀升。

2? 掣肘我國齒輪發展問題的幾個方面

2.1 齒輪行業的研究和試驗能力不足

材料方面我國遠遠落后發達國家，材料的標準落后，牌號未行程系列化尤為突出。我國齒輪材料有許多殘缺，含有大量的氧化物以及非金屬雜質，且雜質的分布不均勻，造成局部的應力，后期對齒輪的性能會有很大影響，造成產品質量殘缺，局部縮松、開裂。我國的熱處理技術目前比較落后，一般齒輪材料要經過調質處理、滲碳、滲氮處理，對齒輪的硬度、韌性的提高相對有限。在鍛造、軋制、熱處理中雜質容易造成開裂、變性、疏松等現象。我國齒輪行業的試驗能力薄弱，多數產品沒有經過三方檢測、驗證和評價，設計、制造及性能試驗等基礎數據難以形成共享數據，對齒輪行業整體設計水平和創新能力的提高是一個掣肘因素。增加行業標準化投入，增加應用標準，提高貫標率，以滿足產業發展的需要。

2.2 國產齒輪機床以及專用夾具的精度相對不高

齒輪加工的步驟為齒坯加工→熱前制齒→熱后精加工3個階段。齒坯加工已經實現全數字化控制機床，經過多年的發展已經具備了高效率、高精度的要求。熱處理前的加工的機械設備主要運用插齒機、滾齒機等，熱處理后的精加工設備主要是高精度研磨機，用以提高齒輪的表面粗糙度。目前，我國數控機床、插齒機、滾齒機和高精度研磨機等機械設備的精度方面較歐美日等發達國家還有一定差距，這個差距需要我們相關機械加工技術、基礎加工設備的提高以求逐步提高機械加工能力。中高端齒輪制造時對夾具的精度要求很高，夾具精度造成誤差會對齒輪的加工制造的誤差產生放大的效應。粗加工一般要求達到粗糙度值Ra為0.01mm，半精加工Ra0.005mm，精度Ra0.002mm以內。此類夾具包括各類高精度卡盤、滾齒夾具、磨齒夾具、珩齒夾具都屬于高端回轉類夾具。加工齒輪的夾具精度不夠，會造成加工誤差和夾具誤差的重復堆積。夾具精度不高會對齒輪加工切削穩定性造成一定影響，進而再次放大到齒輪上，致使齒輪精度不高。

2.3 齒輪切削刀具耐磨性、切削性能低

目前我國的基礎工業起步相對較晚，在齒輪加工的刀具還落后于發達國家。“工欲善其事必先利其器”，要加工出質量可靠的齒輪，齒輪刀具顯得尤為重要。刀具的綜合切削的精度、耐磨性、耐熱性，抗震性都要達到相應的標準。待齒輪完成相應的半徑加工后，對齒輪進行熱處理完畢后，要進行精加工即對齒輪進行磨削加工。隨著我國對材料的研究和發展，在刀具的制造方面，硬質合金鋼已經得到普遍的應用，基本上取代了原先的高速鋼刀具，整體硬質合金鋼刀具和可轉為刀具已經得到了廣泛的應用，但是硬質合金鋼的成分和質量上與國外同行業還有一定的差距。由于我國基礎工業的落后，許多高精度磨床還是依賴進口，相應的配套的磨削砂輪的配套無法跟國外的砂輪完成對接。雖然近年來我國的材料制造方面有了長足的進步，但是磨削砂輪的制造方面還是能達到國際先進水平。這主要表現我國的砂輪使用一段時間后，會脫落，進而不能在一次精加工完成動作，致使產品的磨削質量和效率低下。

2.4 行業協作方面缺乏統一的行業交流機制

我國在齒輪合作方面沒有達成一致的行業協同協作，行業交流合作不夠緊密，好的經驗不能及時分享，錯誤的經驗不能有效避免，相互借鑒。相關的企業應該組成行業協會，經驗相互借鑒，引入第三方評估開展齒輪制造的先進技術交流，積累先進的設計、制造技術數據。

3? 齒輪制造問題擬解決方案

在發展的道路上，唯有創新才是出路。在齒輪的設計、加工、制造等方面都要創新。在設計方面加大與高校合作，利用高校的科學研究能力和高額的科研經費，整合優勢資源，發展齒輪設計方面優勢。在材料方面，與科研院所加大合作，開發尼龍、陶瓷等材料，開發綜合利用效率高的材料。在核心技術方面考慮，結合當下先進技術比如利用3D打印制造技術，結合CAD/CAM、CAE等技術進行加工。在產品初步設計時，利用ADAMS優化設計軟件，對產品的結構、材料、性能等技術參數進行方針優化，大幅度的縮減了設計成本，值得推廣使用。

4? 齒輪加工制造未來努力方法及發展趨勢

目前國際形勢復雜多變，形勢日趨嚴峻，我國被西方國家圍困堵截。我們的工業發展不能指望外國提供幫助，我國必須沖破帝國主義國家的禁錮，打破外國設置的技術壁壘，擼起袖子加油干，打破國外的技術壟斷。我們必須抓住未來齒輪制造的發展趨勢，順勢而為，發展我國在齒輪方面的技術和設備。我們要按照未來對齒輪的發展要求，把握發展趨勢方向。

結合數控機床逐步向功能集成化、工藝復合化演變發展方向，把數控機床與現代制技術緊密結合起來，齒輪加工向著以下幾個方面發展：

4.1 高速度、高精度、高效率、高可靠性

效率是制造業對時間成本、技術成本控制的關鍵原因之一。隨著計算機輔助技術的發展，機床床體結構設計的優化，機床剛度提高，載荷負擔得到有效的均衡，車床的自熱、切削熱、摩擦熱等熱變形引起的加工誤差能得到有效的控制。機床的速度、精度、效率、可靠性得到穩固的提高。

4.2 依托國家政策著力發展齒輪制造技術

我國的社會主義的制度優越性之一表現在可以集中力量辦大事，有了政策的引導，人財物力等陸續投入，可以在短期時期內看到明顯的成效。根據我國可持續的發展理念，綠色制造、智能制造伴隨齒輪設計、制造的全過程，努力制造出高精度、高強度、低噪音的新型齒輪。

4.3 結合新的技術開發新制造途徑

3D打印技術是新興的制造技術，有著獨特的制造優勢。3D打印技術可以制造出零件形狀復雜的工件，這樣在設計加工方面，易成形，實現了齒輪的制造不再受機器、刀具、材料的限制。

在設計方面利用先進的虛擬方針軟件ADAMS，可以通過模擬方針，分析齒輪的受力、振動、噪音，進行了無紙化運作，提高了效率，為設計的可行性提供了依據。

4.4 提高熱處理的能力

合理正確的熱處理工藝可以大幅度提高齒輪的剛性、韌性。在材料受限的情況下，熱處理無疑是增加齒輪性能的良好途徑之一。加大熱處理試驗科技的投入，對滲氮、滲碳技術再研究，對金屬的相進行顯微觀察，找出新的金屬或非金屬滲劑。

5? 結束語

我國的基礎工業起步晚，但是經過幾代人的努力部分已經迎頭趕上一些發達國家，但是齒輪這個普遍的基礎零件在高端領域還是處在弱項，需要我們再經過幾年或者數十年的努力才可以。盡管以美國為首的西方國家對我們進行經濟打壓，技術壟斷，但是勤勞智慧的中國人民靠自己一定可以解決這個技術弱項。

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