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齒輪是汽車行業(yè)主要的基礎(chǔ)傳動(dòng)元件，通常每輛汽車中有18~30個(gè)齒部，齒輪的質(zhì)量直接影響汽車的噪聲、平穩(wěn)性及使用壽命。齒輪加工機(jī)床是一種復(fù)雜的機(jī)床系統(tǒng)，是汽車行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，世界上各汽車制造強(qiáng)國(guó)如美國(guó)、德國(guó)和日本等也是齒輪加工機(jī)床制造強(qiáng)國(guó)。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)80%以上的汽車齒輪由國(guó)產(chǎn)制齒裝備加工完成。同時(shí)，汽車工業(yè)消費(fèi)了60%以上的齒輪加工機(jī)床，汽車工業(yè)將一直是機(jī)床消費(fèi)的主體。
齒輪加工工藝
1.鍛造制坯
熱模鍛仍然是汽車齒輪件廣泛使用的毛坯鍛造工藝。近年來(lái)，楔橫軋技術(shù)在軸類加工上得到了大范圍推廣。這項(xiàng)技術(shù)特別適合為比較復(fù)雜的階梯軸類制坯，它不僅精度較高、后序加工余量小，而且生產(chǎn)效率高。
2.正火
這一工藝的目的是獲得適合后序齒輪切削加工的硬度和為最終熱處理做組織準(zhǔn)備，以有效減少熱處理變形。所用齒輪鋼的材料通常為20CrMnTi,一般的正火由于受人員、設(shè)備和環(huán)境的影響比較大，使得工件冷卻速度和冷卻的均勻性難以控制，造成硬度散差大，金相組織不均勻，直接影響金屬切削加工和最終熱處理，使得熱變形大而無(wú)規(guī)律，零件質(zhì)量無(wú)法控制。為此，采用等溫正火工藝。實(shí)踐證明，采用等溫正火有效改變了一般正火的弊端，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
3.車削加工
為了滿足高精度齒輪加工的定位要求，齒坯的加工全部采用數(shù)控車床，使用機(jī)械夾緊不重磨車刀，實(shí)現(xiàn)了在一次裝夾下孔徑、端面及外徑加工同步完成，既保證了內(nèi)孔與端面的垂直度要求，又保證了大批量齒坯生產(chǎn)的尺寸離散小。從而提高了齒坯精度，確保了后序齒輪的加工質(zhì)量。另外，數(shù)控車床加工的高效率還大大減少了設(shè)備數(shù)量，經(jīng)濟(jì)性好。
4.滾、插齒
加工齒部所用設(shè)備仍大量采用普通滾齒機(jī)和插齒機(jī)，雖然調(diào)整維護(hù)方便，但生產(chǎn)效率較低，若完成較大產(chǎn)能需要多機(jī)同時(shí)生產(chǎn)。隨著涂層技術(shù)的發(fā)展，滾刀、插刀刃磨后的再次涂鍍非常方便地進(jìn)行，經(jīng)過涂鍍的刀具能夠明顯地提高使用壽命，一般能提高90%以上，有效地減少了換刀次數(shù)和刃磨時(shí)間，效益顯著。
5.剃齒
徑向剃齒技術(shù)以其效率高，設(shè)計(jì)齒形、齒向的修形要求易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于大批量汽車齒輪生產(chǎn)中。公司自1995年技術(shù)改造購(gòu)進(jìn)意大利公司專用徑向剃齒機(jī)以來(lái)，在這項(xiàng)技術(shù)上已經(jīng)應(yīng)用成熟，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
6.熱處理
汽車齒輪要求滲碳淬火，以保證其良好的力學(xué)性能。對(duì)于熱后不再進(jìn)行磨齒加工的產(chǎn)品，穩(wěn)定可靠的熱處理設(shè)備是必不可少的。公司引進(jìn)的是德國(guó)勞易公司的連續(xù)滲碳淬火生產(chǎn)線，獲得了滿意的熱處理效果。
7.磨削加工
主要是對(duì)經(jīng)過熱處理的齒輪內(nèi)孔、端面、軸的外徑等部分進(jìn)行精加工，以提高尺寸精度和減小形位公差。
齒輪加工采用節(jié)圓夾具定位夾緊，能有效保證齒部與安裝基準(zhǔn)的加工精度，獲得滿意的產(chǎn)品質(zhì)量。
8.修整
這是變速器、驅(qū)動(dòng)橋齒輪裝配前對(duì)齒部進(jìn)行磕碰毛刺的檢查清理，以消除它們?cè)谘b配后引起噪聲異響。通過單對(duì)嚙合聽聲音或在綜合檢查儀上觀察嚙合偏差來(lái)完成。制造公司生產(chǎn)的變速器中殼體零件有離合器殼、變速器殼和差速器殼。離合器殼、變速器殼是承重零件，一般采用壓鑄鋁合金經(jīng)專用模具壓鑄而成，外形不規(guī)則、較復(fù)雜，一般工藝流程是銑結(jié)合面→加工工藝孔和連接孔→粗鏜軸承孔→精鏜軸承孔和定位銷孔→清洗→泄漏試驗(yàn)檢測(cè)。
齒輪加工技術(shù)與裝備的發(fā)展趨勢(shì)
為適應(yīng)齒輪加工行業(yè)對(duì)制造精度、生產(chǎn)效率、清潔生產(chǎn)、提高質(zhì)量的要求，制齒機(jī)床及制齒技術(shù)出現(xiàn)了以下發(fā)展趨勢(shì)。
1.數(shù)控化
由于通過將機(jī)床的各運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行CNC控制及部分軸間進(jìn)行聯(lián)動(dòng)后，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）增加了機(jī)床的功能，如滾削小錐度及鼓形齒輪等變得極為簡(jiǎn)單。
（2）縮短了傳動(dòng)鏈，同時(shí)采用半閉環(huán)或全閉環(huán)控制后，通過數(shù)控補(bǔ)償可以提高各軸的定位精度和重復(fù)定位精度，從而提高了機(jī)床的加工精度及Cp值，增加了機(jī)床的可靠性。
（3）換品種時(shí)由于省去了計(jì)算及換分齒掛輪及差動(dòng)掛輪、進(jìn)給及主軸換擋的時(shí)間，插齒機(jī)還省去了換斜導(dǎo)軌的時(shí)間，從而減少了輔助加工時(shí)間，增加了機(jī)床的柔性。
（4）由于機(jī)械結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單了，可以設(shè)計(jì)得更有利于提高機(jī)床的剛性及把熱變形降到最底。
（5）各軸間沒有機(jī)械聯(lián)系，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得典型化，更利于實(shí)施模塊化設(shè)計(jì)及制造。
2.高速高效
齒輪加工機(jī)床如滾齒機(jī)、插齒機(jī)及磨齒機(jī)的高速化主要是指機(jī)床擁有高的刀具主軸轉(zhuǎn)速和高的工作臺(tái)轉(zhuǎn)速，它們是提高切削效率的主要指標(biāo)。
傳統(tǒng)機(jī)械滾齒機(jī)的滾刀主軸速度通常最高為500r/min,工作臺(tái)轉(zhuǎn)速最高為32r/min.隨著齒輪加工刀具性能的提高，齒輪加工機(jī)床的高速、高效切削得到了飛速發(fā)展和成熟，齒輪滾齒切削速度由100m/min,發(fā)展到可達(dá)500~600m/min,切削進(jìn)給速度由3~4mm/r發(fā)展到20mm/r,這使?jié)L齒機(jī)主軸的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)5500r/min,工作臺(tái)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)800r/min,機(jī)床部件移動(dòng)速度也高達(dá)10m/min;大功率主軸系統(tǒng)使機(jī)床可運(yùn)用直徑和長(zhǎng)度均較大的砂輪進(jìn)行磨削，有利于增加砂輪壽命，也有利于操作者選擇最優(yōu)的磨削參數(shù)來(lái)完成磨削加工。
高效加工是機(jī)床從各個(gè)方面采用了專用技術(shù)來(lái)得以保證：具有最佳吸振效果的鑄造床身；使機(jī)床具有最佳熱穩(wěn)定性的集成冷卻介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)；切削區(qū)保護(hù)隔板大傾角及光滑設(shè)計(jì)使干式切削產(chǎn)生的切屑迅速有效排出；具有用預(yù)載的、無(wú)隙滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給系統(tǒng)；具有耐磨損直線導(dǎo)軌或采用PLC控制的定量潤(rùn)滑鑄鐵導(dǎo)軌等。電主軸的應(yīng)用使刀具主軸得到提高，而工作臺(tái)轉(zhuǎn)速的提高則是采用了高精度斜齒輪副或力矩電動(dòng)機(jī)。電主軸及力矩電動(dòng)機(jī)具有回轉(zhuǎn)精度高、無(wú)反向間隙和不用維修等優(yōu)點(diǎn)。
3.高精度
由于采用了高精度、具有預(yù)加負(fù)荷的高剛性直線導(dǎo)軌、滾珠絲桿、滾動(dòng)軸承、電主軸、力矩電動(dòng)機(jī)及數(shù)控技術(shù)，使高速加工條件下的齒輪加工機(jī)床精度得到保證并有所提高。電主軸精度一般為徑向振擺0.002mm,軸向0.001mm;環(huán)形轉(zhuǎn)矩伺服電動(dòng)機(jī)定位精度達(dá)0.5″，重復(fù)定位精度達(dá)0.01″；直線運(yùn)動(dòng)軸的定位精度小于0.008mm,重復(fù)定位精度小于0.005mm.滾齒及插齒盡管為粗加工，但在高速切削的條件下仍能達(dá)到DIN6~7級(jí)精度，為其后的精加工工序獲得高精度提供了保證。
隨著磨齒機(jī)生產(chǎn)效率的提高、單件齒輪磨齒成本的降低以及汽車齒輪不斷追求提高精度的要求，市場(chǎng)對(duì)磨齒機(jī)的需求越來(lái)越大；同時(shí)，隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，各種機(jī)床間的功能延伸較容易實(shí)現(xiàn)。因此，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力下，世界各主要制齒機(jī)床制造商企業(yè)紛紛加入生產(chǎn)以磨齒機(jī)為代表的齒輪精加工機(jī)床行列。這種趨勢(shì)的發(fā)展將使今后的汽車齒輪加工越來(lái)越多地采用滾-磨工藝。
4.功能復(fù)合
功能復(fù)合型機(jī)床是指在一臺(tái)機(jī)床上或工件一次裝夾中，可以完成多道工序加工，從而提高工件的加工效率甚至精度。目前齒輪加工機(jī)床主要有以下功能復(fù)合組合形式：
（1）自動(dòng)上料、車削、滾齒、倒棱、去毛刺、自動(dòng)下料。
（2）自動(dòng)上料、車削、滾齒、倒角、自動(dòng)下料。
（3）自動(dòng)上料、車削、滾齒、磨削、自動(dòng)下料。
（4）自動(dòng)上料、磨內(nèi)孔、車端面、磨齒輪、自動(dòng)下料。
（5）磨齒面、磨外圓、磨端面。
（6）自動(dòng)上料、倒棱去毛刺、剃齒、自動(dòng)下料。
（7）自動(dòng)上料、滾齒、倒角、去毛刺、自動(dòng)下料。
（8）自動(dòng)上料、銑弧齒錐齒輪、倒角、自動(dòng)下料。
（9）自動(dòng)上料、倒棱去毛刺、剃齒、甩干、自動(dòng)下料。
5.綠色環(huán)保
切削過程中應(yīng)用切削液可提高刀具壽命，改善加工表面質(zhì)量和利于排出切削熱而不致引起機(jī)床的熱變形。但是，在高速切削過程中切削液的飛濺和形成的油霧對(duì)生態(tài)環(huán)境，特別是操作者的健康特別有害。為此，通常是將加工區(qū)用護(hù)罩封閉起來(lái)，安裝上油霧分離器，使排出的只是不含油的霧，而切削油則重新流回機(jī)床內(nèi)循環(huán)利用。但這并不能從根本上解決環(huán)保問題，因?yàn)樽冑|(zhì)切削液的更換排放會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境。
濕式齒輪加工中消耗的切削液及切削液附加裝置的費(fèi)用占加工成本的20%左右，采用高速干式切削能提高2~3倍以上的加工效率，刀具的使用壽命是濕式切削的2~5倍，因此，干式切削降低了單件齒輪的加工成本。
高速干式切削既可減少切削液的消耗和冷卻處理裝備，又可避免對(duì)環(huán)境造成污染，還能提高生產(chǎn)效率，降低單件齒輪的制造成本。因此，高速干式切削成為齒加工機(jī)床制造商多年來(lái)追求的目標(biāo)和發(fā)展方向。隨著齒輪加工機(jī)床的高速化，機(jī)床剛性的提高，良好的抗振性及排屑技術(shù)的完善，以及干式高速切削刀具的進(jìn)一步發(fā)展，高速干切已在切齒機(jī)床上全面實(shí)現(xiàn)。
6.智能化
數(shù)字化控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)結(jié)合在一起，使數(shù)控齒輪加工機(jī)床的智能化水平更高。
齒輪加工機(jī)床要實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、自動(dòng)平衡、防撞功能、過載保護(hù)、有無(wú)工件自動(dòng)識(shí)別、裝夾工件是否正確、工件是否已加工過、對(duì)齒嚙合、加工余量分配、刀具磨損、在線精密檢測(cè)、自動(dòng)修整砂輪、零編程界面、多功能加工軟件、切削工藝專家系統(tǒng)、機(jī)器人在機(jī)床間搬運(yùn)工件時(shí)的自動(dòng)識(shí)別、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程診斷等功能。
智能化是齒輪機(jī)床提高可靠性、安全性、穩(wěn)定性、復(fù)雜零件加工、精密加工和實(shí)現(xiàn)無(wú)人化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，還必將不斷完善和提高。
結(jié)語(yǔ)
齒輪加工正朝著高效、高精度及綠色制造方向發(fā)展，齒輪加工機(jī)床正朝著全數(shù)控、功能復(fù)合、智能化、自動(dòng)化及信息化方向發(fā)展。中國(guó)齒輪加工機(jī)床制造商要抓住這一發(fā)展趨勢(shì)，更好地為我國(guó)的汽車齒輪加工行業(yè)提供高效、復(fù)合、智能的裝備。
