高性能小模數(shù)齒輪的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

母庚禮 李黔希

摘要：小模數(shù)齒輪具有體積小、重量輕、傳動緊湊、工作平穩(wěn)特點，是航天、通信、機器人、智能裝備等領域的關鍵基礎件。隨著航空、航天、智能通訊等領域裝備性能的日益提升，對小模數(shù)齒輪傳動及產品提出更高要求。本文對高性能小模數(shù)齒輪傳動主動設計、精密加工、高效精密成型、快速精確檢測、基礎試驗等關鍵技術國內外研究現(xiàn)狀進行綜述，并展望了小模數(shù)齒輪行業(yè)未來發(fā)展趨勢，為小模數(shù)齒輪行業(yè)科學發(fā)展與技術進步提供參考。

關鍵詞：小模數(shù)齒輪;主動設計;精密加工;快速精確檢測基礎試驗

0引言

小模數(shù)齒輪通常指模數(shù)小于1mm的齒輪，具有體積小、重量輕、傳動緊湊、工作平穩(wěn)特點，廣泛應用于航天、通信、機器人、智能裝備等領域。小模數(shù)齒輪專業(yè)領域是我國齒輪行業(yè)中的一個細分專業(yè)中不可缺少的組成部分。2006年，全國小模數(shù)齒輪工作委員會正式成立，經過各企業(yè)、高校、研究所的共同努力，我國小模數(shù)齒輪行業(yè)迅速成長，新裝備、新材料、新技術、新工藝都在行業(yè)中得以發(fā)展運用，技術實力大大增強，整體實力跨上了新臺階。

近年來，隨著航空、航天、智能通訊等領域裝備性能的日益提升，對小模數(shù)齒輪傳動及產品提出了高精度、高承載、高可靠、長壽命、輕量化、低噪聲的高要求。日益嚴苛的高性能要求下，小模數(shù)齒輪行業(yè)也面臨巨大的挑戰(zhàn)，諸如正向設計理論缺失、精準形性協(xié)同制造控制困難、測量精度和效率低、專用材料基礎數(shù)據(jù)匱乏，導致工程應用中頻繁出現(xiàn)噪聲大、強度低、過度磨損和早期疲勞失效等問題，難以滿足小模數(shù)齒輪傳動高性能要求。

本文結合作者小模數(shù)齒輪傳動領域多年工作經驗，對高性能小模數(shù)齒輪設計、加工、成型、檢測、試驗關鍵技術國內外研究現(xiàn)狀進行綜述，并展望了小模數(shù)齒輪行業(yè)未來發(fā)展趨勢，對進一步提升小模數(shù)齒輪傳動服役性能、推動小模數(shù)齒輪行業(yè)科技發(fā)展提供參考。

1小模數(shù)齒輪傳動設計

隨著技術的進步，各個應用領域對小模數(shù)齒輪傳動提出了傳動精度高、承載能力強、振動噪聲小、疲勞壽命長等多種要求。合理的齒形設計是保證小模數(shù)齒輪傳動高服役性能的前提條件，其中如何通過對小模數(shù)齒輪的宏微觀參數(shù)進行優(yōu)化設計達到傳動精度、減振降噪和抗疲勞的目的是急需攻克的難題。美國、德國和英國等先進工業(yè)國家都對小模數(shù)齒輪的基準齒形制定了專用的標準[1];河南科技大學[2]提出了“小輪采用雙面法銑齒加工，大輪采用模具法成形加工”的小模數(shù)弧齒錐齒輪加工新方法，并討論了該加工方法的實施工藝和應用理論基礎。南昌大學[3]通過正交試驗法研究了齒頂修形的最大修形量、修形長度、修形曲線等三個因素對小模數(shù)塑料齒輪疲勞壽命的影響規(guī)律并確定了最佳的小模數(shù)塑料齒輪齒頂修形方案。哈爾濱工業(yè)大學[4]研究了小模數(shù)漸開線少齒差減速器的設計方法和傳動特性。上述研究為小模數(shù)齒輪的設計優(yōu)化和服役性能提升提供了一定的理論基礎，然而，對于小模數(shù)齒輪的齒形參數(shù)等因素與振動噪聲、服役特性的關聯(lián)規(guī)律并未進行有效揭示，專用設計理論缺失，制約了小模數(shù)齒輪服役性能的提升。

2小模數(shù)齒輪加工制造

小模數(shù)齒輪根據(jù)材料不同主要有包絡共軛切削加工和模具成型兩種制造方式。

小模數(shù)齒輪包絡加工方面，美國Gleason公司等一直致力于小模數(shù)齒輪及齒輪傳動裝置設計制造的研究，提出了小模數(shù)弧齒錐齒輪設計與制造等技術，可以批量生產3～4級精度的m≤0.02mm的小模數(shù)齒輪，切削加工最小模數(shù)為0.038mm。貴州群建精密機械有限公司、重慶清平機械制造有限責任公司、陜西漢中長空精密機制制造公司是國內小模數(shù)齒輪行業(yè)中的典型代表，研制的0.5～1.0mm模數(shù)精度為6～7級，模數(shù)0.1～0.5mm小模數(shù)齒輪制造精度不穩(wěn)定，與國外同類型產品相比存在一定差距，小模數(shù)齒輪加工變形等核心技術亟待突破。

小模數(shù)齒輪模具成型方面：小模數(shù)齒輪特征尺寸小、精度性能壽命等要求高，使得其模具設計、制造和精密成型面臨極大挑戰(zhàn)。歐美、日本在粉末冶金小模數(shù)齒輪成型制造方面的研究處于前列，意大利MiniGears公司生產的粉末冶金小模數(shù)弧齒錐齒輪占據(jù)著全球大部分高端市場份額。日本日立粉末冶金公司生產的小節(jié)錐半角斜傘粉末冶金齒輪，成功取代了傳統(tǒng)的以機加工鍛鋼坯的昂貴生產工藝，并獲得了日本粉末冶金協(xié)會頒發(fā)的年度創(chuàng)新設計獎。德國愛爾蘭根紐倫堡大學LKT研究所通過3D打印隨行冷卻和高動態(tài)變模溫控制技術調節(jié)塑料齒輪注塑模具型腔溫度場，實現(xiàn)了塑料齒輪輪齒結晶形態(tài)調控和高精度成型[5]。近年來，我國粉末冶金齒輪何塑料齒輪行業(yè)發(fā)展迅速，江蘇精研科技公司實現(xiàn)0.075mm模數(shù)齒輪粉末注射精密成型。但國內長期依賴模具設計與成型工藝經驗，模具型腔齒廓精密加工困難，成為制約我國小模數(shù)齒輪成型制造規(guī)模和質量的瓶頸。

3小模數(shù)齒輪檢測試驗

由于小模數(shù)齒輪齒槽間隙小、幾何尺寸小，其精確檢測一直是目前行業(yè)共性難題。日本TT1、美國Gear Inspection等國外測量中心針對光學投影和采用CCD的非接觸式視覺測量技術開展大量研究，開發(fā)了較為規(guī)范的測量系統(tǒng)，在技術先進性、市場占有率和產品可靠性等方面占據(jù)當前領先地位[6]。國內在0.5～1mm模數(shù)齒輪采用測頭接觸式測量已經成為常規(guī)測量，但0.2～0.5mm模數(shù)齒輪檢測采用成像法或光纖測頭測量仍然有一定難度，模數(shù)0.2mm以下的齒輪更加困難。基礎試驗方面，歐美先進國家掌握了小模數(shù)齒輪表面完整性表征手段、加速疲勞試驗方法與數(shù)據(jù)處理技術，支撐制定VDI2736、BS6168等標準規(guī)范[7]。國內針對高性能小模數(shù)齒輪專用材料的疲勞試驗研究和基礎數(shù)據(jù)匱乏，難以有效指導我國高性能小模數(shù)齒輪的設計制造。

4結論與展望

我國小模數(shù)齒輪行業(yè)年產值已超過130億元，齒輪傳動產品精密化、微型化、智能化為小模數(shù)齒輪行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了廣闊的市場空間，預計2025年年產值達到800億元。小模數(shù)齒輪正向設計、高效精密加工、成型模具智能化設計、光學非接觸快速精確測量是小模數(shù)齒輪傳動技術的發(fā)展趨勢。在面向中國制造2025和日益激烈的經濟、國防安全嚴峻形勢下，針對國內外小模數(shù)齒輪技術差距，結合前沿發(fā)展趨勢，需要進一步開展高性能小模數(shù)齒輪設計制造檢測試驗關鍵技術研究，支撐我國小模數(shù)齒輪行業(yè)自主創(chuàng)新能力和基礎件保障能力提升。

參考文獻

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[3]劉燚.基于齒廓修形的小模數(shù)塑料齒輪的力學性能研究[D].南昌大學，2015.

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