中國齒輪技術(shù)發(fā)展30年
——劉忠明
歷史回顧
齒輪的雛形最早出現(xiàn)在公元前200年前中國的水車中，應(yīng)為木制件；從公元前200年到公元1800年，隨著人類生產(chǎn)力的發(fā)展和冶煉技術(shù)的開發(fā)，出現(xiàn)了用銅和鑄鐵制造的齒輪，使得其承載能力和壽命大大提高。在公元前200年至公元23年的《西京雜記》中所記載的指南車，其齒輪傳動構(gòu)思之妙、水平之高、涉及領(lǐng)域之廣，堪稱古代文明之最，著名齒輪專家Dudley曾譽之為“古代齒輪技術(shù)的里程碑”[1]。自19世紀歐洲工業(yè)革命后一直到今天的200年中，蒸汽機、內(nèi)燃機、電動機的新動力代替了原始的水力傳動，鋼制齒輪也逐漸替代了鑄鐵齒輪。美國、前蘇聯(lián)、德國、日本等經(jīng)濟發(fā)達國家把齒輪傳動技術(shù)推向了一個新的高峰，齒輪技術(shù)發(fā)展之快、成果之多，遠遠超過歷史的任何時期。盡管中國的齒輪傳動歷史可追溯到3000年前，但只有在中華人民共和國成立后，中國的齒輪傳動技術(shù)才有了長足的進步。中國齒輪行業(yè)的發(fā)展里程大致可分為4個階段：1）初創(chuàng)期（1950-1965）：建國初期，我國齒輪工業(yè)幾乎是空白。第一個五年計劃（1953-1957）期間開始發(fā)展齒輪制造業(yè)，1956年成立了機械科學(xué)研究院，下設(shè)齒輪傳動研究室，這是中國最早的齒輪技術(shù)研究開發(fā)機構(gòu)。1963年中國機械工程學(xué)會齒輪傳動學(xué)會成立，并在太原市召開第一屆全國齒輪學(xué)術(shù)會議。20世紀60年代中約有齒輪制造廠（車間）100多家。2）緩慢發(fā)展期（1966-1980）：我國的齒輪工業(yè)基礎(chǔ)初步形成，齒輪生產(chǎn)廠家約有200個，涉足齒輪技術(shù)的研究所有7個，如鄭州機械研究所有限公司（機械科學(xué)研究院搬遷至河南），西安重型機械研究所，成都工具研究所等。同時，從事齒輪傳動技術(shù)研究的高等院校大約有10所。期間受文化大革命的影響，齒輪產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展遭受很大影響。3）快速發(fā)展時期（1981-1995）：隨著國家開始大量進口大型成套工業(yè)裝備，通過國家重點投人和數(shù)量可觀的技術(shù)或產(chǎn)品引進，齒輪技術(shù)又在樣機試制和備件國產(chǎn)化中得到發(fā)展，同時還進行了一系列基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、制造工藝及裝備研究，縮小了在文革中拉大的與國際先進水平的差距，齒輪傳動技術(shù)研究在中國有了較大的發(fā)展，形成了第二個高潮。同時國際交流也較頻繁，如1988年，齒輪傳動國際學(xué)術(shù)會議在中國鄭州召開，來自世界18個國家的368名代表出席會議，其中海外齒輪專家與學(xué)者有105名。另外，鄭州機械研究所完成了聯(lián)合國援助項目——中國齒輪技術(shù)開發(fā)中心建設(shè)（1986-1990年）。該項目共投資90萬美元，還派遣21名技術(shù)骨干到美國等工業(yè)發(fā)達國家進修[2]。這一時期中國的齒輪傳動技術(shù)已趨于成熟，主要齒輪制造企業(yè)有600余家，產(chǎn)值30多億美元。4）平穩(wěn)發(fā)展時期（1996至今）：其間的技術(shù)特點是：漸開線齒輪硬齒面制造技術(shù)成熟，全面取代中硬齒面，其他齒形齒輪的應(yīng)用空間逐步縮小；數(shù)控加工裝備發(fā)展迅速；齒輪行業(yè)的發(fā)展由技術(shù)驅(qū)動型轉(zhuǎn)為產(chǎn)品或設(shè)備驅(qū)動型；從事齒輪技術(shù)研究的高校大幅度減少，主要集中在錐齒輪方面；新齒形、新工藝、新技術(shù)研究處于相對低潮期；中國齒輪市場規(guī)模自2009年超過1000億人民幣，5年后的2013年超過2000億人民幣，2018年達到2600億人民幣。目前，我國齒輪市場規(guī)模位居世界第一，也是中國通用零部件行業(yè)市場規(guī)模最大的行業(yè)。圖1為2009年-2018年10年來中國齒輪市場規(guī)模發(fā)展情況。圖1 近10年來中國齒輪市場規(guī)模發(fā)展趨勢
30年來，中國齒輪技術(shù)隨著市場規(guī)模的迅速快速擴大取得了迅速發(fā)展。齒輪產(chǎn)品基本滿足了風(fēng)力發(fā)電、軌道交通、工程機械、石油化工等行業(yè)的裝備需求；高速齒輪、行星齒輪、錐齒輪、蝸輪蝸桿、圓弧齒輪等各類齒輪傳動技術(shù)日趨成熟。
美國、日本和歐洲發(fā)達國家是齒輪技術(shù)強國，仍不斷進行基礎(chǔ)研究，持續(xù)提升設(shè)計水平。30年來我國齒輪產(chǎn)品的設(shè)計水平不斷提高，與發(fā)達國家的差距逐漸縮小，常規(guī)設(shè)計分析技術(shù)已基本成熟，但在多學(xué)科耦合設(shè)計專業(yè)軟件開發(fā)、動力學(xué)建模分析、減振降噪設(shè)計、多余度合流與分流設(shè)計、傳動系統(tǒng)效率和熱平衡計算、機電液復(fù)合傳動集成設(shè)計等方面還有明顯差距。30年來我國齒輪工作者涉足齒輪傳動技術(shù)研究的各個方面，特別是在新齒形與新應(yīng)用、齒輪動力學(xué)分析及修形、錐齒輪型面嚙合分析與控制、非圓齒輪齒廓分析、專業(yè)軟件開發(fā)等方面做了大量工作。1）新齒形、新應(yīng)用
1765年瑞士數(shù)學(xué)家歐拉建議齒輪采用漸開線齒廓以來，漸開線成為目前齒輪傳動“一枝獨秀”的齒廓。盡管理論上凡符合嚙合定律的任何曲線都可作為齒輪嚙合的齒廓，但用于工業(yè)生產(chǎn)的齒廓曲線只有擺線、圓弧線、漸開線及其組合4種。漸開線齒廓具有直刃刀加工、中心距可分、可變位等其他齒廓難以望其項背的優(yōu)點。1923年美國人懷爾德哈伯最先提出圓弧齒廓的齒輪，1955年前蘇聯(lián)的諾維科夫通過深入研究使其得以實際應(yīng)用。1958年圓弧齒輪引入我國后，鄭州機械研究所、太原理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等對圓弧齒輪做了大量理論和試驗研究工作，在基礎(chǔ)理論、制造工藝、標準化等方面取得了重要突破，形成了我國獨有的理論與技術(shù)體系。雙圓弧齒輪的磨齒是世界性難題，為攻克這一技術(shù)難題，1995年開始鄭州機械研究所和太原理工大學(xué)等單位對硬齒面雙圓弧齒輪的刮削加工工藝進行了研究，掌握了滲碳淬火雙圓弧齒輪刮削加工的成套制造技術(shù)，使硬齒面雙圓弧齒輪的承載能力與相同規(guī)格的硬齒面漸開線齒輪相當(dāng)，結(jié)束了硬齒面雙圓弧齒輪難以精加工的歷史，是硬齒面雙圓弧齒輪技術(shù)上的重大創(chuàng)新，使我國圓弧齒輪的制造水平居國際領(lǐng)先水平。30年來，圓弧齒輪產(chǎn)品在石油化工等領(lǐng)域獲得了成功應(yīng)用。但由于其自身的局限性，特別是硬齒面漸開線圓柱齒輪制造、檢測技術(shù)成熟以來，圓弧齒輪只能在局部領(lǐng)域替代漸開線齒輪，遠未達到人們原來的期望。1990年合肥工業(yè)大學(xué)等開始微線段齒輪研究，2000年研制出減速器，并與漸開線齒輪進行了對比試驗。該齒輪齒廓由上萬段微線段組成，打破了傳統(tǒng)齒廓曲線必須二階光滑連續(xù)的局限，設(shè)計時對性能可調(diào)控的余地較大，因此設(shè)計出的齒輪傳動裝置比傳統(tǒng)漸開線齒輪裝置有很大提升，如強度可提高50%左右，效率可提高幾個百分點等[3]。點線嚙合齒輪為原武漢水運工程學(xué)院1986年提出，其小齒輪為一個變位的漸開線短齒，大齒輪其上部為漸開線凸齒廓，下部為過渡曲線的凹齒廓,嚙合時既有接觸線為直線的線嚙合，同時又存在凹凸齒廓接觸的點嚙合，產(chǎn)品在起重運輸機械和煤礦機械中有推廣應(yīng)用。在特殊齒輪傳動技術(shù)研究方面，鄭州機械研究所完成了科技部“輸送用高參數(shù)齒輪泵設(shè)計制造關(guān)鍵技術(shù)研究”、“特殊齒形齒輪泵的研制”、“新型內(nèi)嚙合齒輪泵研究”、“P型特殊齒形高粘度齒輪泵”等等項目，開發(fā)了NCB內(nèi)齒輪泵、TGC（P型泵）和SPX外嚙合齒輪泵兩大類、三種系列、22個規(guī)格的高參數(shù)齒輪泵產(chǎn)品；開發(fā)了可用于內(nèi)、外嚙合兩種嚙合形式以及牛頓、非牛頓兩種工作介質(zhì)的齒輪泵CAD/CAE集成軟件系統(tǒng)，建成了高粘度齒輪泵試驗臺，形成了全套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的內(nèi)、外嚙合高參數(shù)齒輪泵的設(shè)計制造技術(shù)，“高參數(shù)特種齒輪泵關(guān)鍵技術(shù)及系列產(chǎn)品研發(fā)”獲2008年機械工業(yè)科技進步二等獎；鄭州機械研究所還完成了科技部“精密單螺桿制冷壓縮機關(guān)鍵制造技術(shù)研究”、“600MW發(fā)電機組鍋爐回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器傳動裝置研發(fā)”等項目，完成了精密單螺桿制冷壓縮機中的單螺桿轉(zhuǎn)子（圖2）、600MW發(fā)電機組鍋爐回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器傳動裝置和支承軸承、三葉羅茨風(fēng)機擺線轉(zhuǎn)子、大型機械用銷齒傳動等各類特殊齒輪傳動的理論研究和產(chǎn)品開發(fā)等工作。
非圓齒輪最早出現(xiàn)于19世紀末荷蘭制造的立車刀架快回機構(gòu)中，但受制于其設(shè)計、制造的復(fù)雜性，在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)沒有得到應(yīng)用推廣。20世紀60年代以前，非圓齒輪研究主要集中在理論研究方面，解決了嚙合理論和設(shè)計方面的許多基本問題，確定了非圓齒輪齒廓嚙合所要滿足的幾何條件。但受當(dāng)時計算機技術(shù)和數(shù)控技術(shù)等限制，這段時期針對非圓齒輪的設(shè)計主要依賴手工計算，費時費力。加工手段主要依靠靠模法、分度近似切齒法、斷續(xù)展成法和鑄造法制齒，生產(chǎn)效率和加工精度都較低，使得非圓齒輪很難得到應(yīng)用推廣。20世紀60-80年代非圓齒輪的發(fā)展一直處于低潮。進入20世紀80年代，伴隨著計算機和數(shù)控加工技術(shù)的快速發(fā)展，非圓齒輪也進入快速發(fā)展期。針對非圓齒輪，我國學(xué)者在設(shè)計、加工、應(yīng)用等各個方面都進行了深入的研究。如出版了“非圓齒輪”、“非圓齒輪及非勻速比傳動”等專著，鄭州機械研究所針對非圓齒輪CAD/CAM系統(tǒng)進行了研究和開發(fā)，實現(xiàn)了非圓齒輪從設(shè)計到加工的自動化。在這一時期，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，非圓齒輪的開發(fā)已廣泛采用計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)。數(shù)控滾齒機、數(shù)控插齒機、線切割等數(shù)控設(shè)備的出現(xiàn)也使非圓齒輪的加工易于實現(xiàn)，并可獲得很好的加工精度。目前，非圓齒輪仍是齒輪技術(shù)研究的熱點之一，據(jù)不完全統(tǒng)計，僅2016年在國內(nèi)期刊雜志上發(fā)表的相關(guān)論文就有79篇，分別從設(shè)計、制造、測繪、仿真、嚙合特性、承載能力等多個方面進行了較為全面的研究，仍是齒輪傳動的熱點之一。目前，非圓齒輪在國內(nèi)的很多機械產(chǎn)品中得到了普遍應(yīng)用（圖3、圖4）。但與傳統(tǒng)圓柱齒輪市場相比規(guī)模較小、較為分散，對我國非圓齒輪市場的開拓以及專業(yè)生產(chǎn)廠家的形成，均產(chǎn)生了一定的影響。
2）輪齒修形技術(shù)
漸開線齒輪動力學(xué)和修形技術(shù)的研究是最近30年研究成果最多、進展最快的技術(shù)之一。齒輪輪齒的修形包括齒形修形、螺旋線修形、對角修形及三維拓撲修形等。通過修形可以達到：①改善齒面載荷分布，提高承載能力；②減小傳遞誤差，降低齒輪傳動噪音；③降低摩擦損失,提高傳遞效率等。特別是通過修形可以明顯改善載荷在齒寬方向的分布，提高齒輪的承載能力。在GB/T 3480標準所有載荷修正系數(shù)中，齒向載荷分布系數(shù)Kβ是影響因素最多、計算最復(fù)雜的。軸系結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計不合理、制造裝配誤差較大時，有可能出現(xiàn)不合理的、較大數(shù)值的Kβ。國外有文獻曾對某2MW風(fēng)電增速箱做過研究，結(jié)果表明未修形時Kβ=1.67（載荷分布如圖5（a）所示）；采用螺旋線修形時Kβ=1.23（載荷分布見圖5（b）所示）；在進一步考慮行星架扭轉(zhuǎn)變形的影響時Kβ=1.16（載荷分布見圖5（c）所示），齒向載荷分布系數(shù)比不修形時降低了30%，中心距可降低約12%；但如果修形不當(dāng)，出現(xiàn)過量修形時Kβ=1.98（載荷分布見圖5（d）所示），不但齒向載荷分布得不到改善，反而降低了承載能力。齒輪輪齒的修形不能僅考慮齒輪本身的變形和誤差，應(yīng)對整個傳動鏈的誤差、變形等進行計算分析，這涉及到復(fù)雜的設(shè)計和制造技術(shù)，而且最終還需經(jīng)試驗或?qū)嶋H運行驗證。齒輪修形技術(shù)在歐美國家已經(jīng)得到普遍應(yīng)用，但目前國內(nèi)對此缺乏深入系統(tǒng)的研究，難以提供適合各種工況的精確指導(dǎo)，這也是我國齒輪傳動產(chǎn)品比較落后的主要原因之一[4]。
3）錐齒輪設(shè)計分析技術(shù)
30年來錐齒輪設(shè)計制造技術(shù)取得巨大進展。由于錐齒輪在幾何上非常復(fù)雜，其設(shè)計分析方法與制造方法密切相關(guān)，加工中的切齒調(diào)整方案直接影響著齒輪副的嚙合質(zhì)量。目前，我國高等院校中與齒輪傳動相關(guān)的研究主要集中在錐齒輪方面。我國錐齒輪設(shè)計標準大多采用零變位設(shè)計。河南科技大學(xué)利用分錐與節(jié)錐相對變位的原理，提出了“節(jié)錐不變、分錐變位”的非零傳動錐齒輪技術(shù)，可以大幅度提高錐齒輪的承載能力，技術(shù)產(chǎn)品已在重型機械、機床、艦船、煤礦、油田等行業(yè)推廣。直升機等航空傳動系統(tǒng)也多采用錐齒輪傳動，其工作特點是高速、重載且工況復(fù)雜，要求質(zhì)量輕、可靠性高，對錐齒輪嚙合精度和干運轉(zhuǎn)能力有十分苛刻的要求，我國航空錐齒輪傳動壽命和可靠性與國外先進水平相比差距很大[11]。4）設(shè)計分析軟件
30年來，我國齒輪軟件經(jīng)歷了從無到有、從功能單一到系統(tǒng)集成的快速發(fā)展。隨著計算機技術(shù)和編程技術(shù)的發(fā)展，單一功能的齒輪計算分析軟件已變得十分簡單。目前，國產(chǎn)軟件中，影響較大的有鄭州機械研究所開發(fā)的齒輪傳動CAD集成系統(tǒng)（ZGCAD）、重慶理工大學(xué)開發(fā)的錐齒輪設(shè)計制造分析軟件系統(tǒng)等。ZGCAD軟件從1987年開始開發(fā)至今，已幾乎包含所有齒輪傳動類型的幾何尺寸計算、強度校核等功能。目前，該軟件系統(tǒng)已在冶金、石化、煤礦、電站、汽車、大型工程裝備等行業(yè)的約600家齒輪設(shè)計制造單位使用，軟件還銷往臺灣地區(qū)。功能主要包括：①漸開線圓柱齒輪傳動優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)；②高速齒輪傳動優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)；③錐齒輪傳動優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)；④雙圓弧齒輪傳動優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)；⑤蝸輪蝸桿傳動優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)；⑥NGW型行星齒輪傳動優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)；⑦齒輪幾何尺寸及精度計算；⑧齒輪強度計算軟件；⑨齒輪及軸系有關(guān)計算軟件；⑩齒輪軸系零部件參數(shù)化繪圖系統(tǒng)；?非圓齒輪CAD系統(tǒng)等。與國外先進的專業(yè)軟件Romax、MASTA、KissSoft等相比，國產(chǎn)軟件基本上屬于計算類軟件，主要是相關(guān)標準的程序化，功能相對單一，系統(tǒng)集成性較差，在復(fù)雜齒輪傳動系統(tǒng)的3D精確建模與系統(tǒng)分析等功能方面，還難以與國外先進的同行軟件相媲美?？上驳氖?，2018年國家重點研發(fā)計劃“制造基礎(chǔ)技術(shù)與關(guān)鍵部件”專項設(shè)立了“齒輪傳動數(shù)字化設(shè)計分析與數(shù)據(jù)平臺”項目，將由鄭州機械研究所牽頭、聯(lián)合重慶大學(xué)、大連理工大學(xué)、中南大學(xué)、重慶理工大學(xué)及南高齒、杭前進、二重、太重等骨干企業(yè)共同開展齒輪數(shù)字化設(shè)計及數(shù)據(jù)平臺的開發(fā)與應(yīng)用工作，期望三年后我國的齒輪專業(yè)軟件有一個大的提升。30年來，我國齒輪制造技術(shù)及裝備取得了突飛猛進的發(fā)展，硬齒面成型磨削、齒根噴丸強化、齒面超精加工、近凈成型、干切加工等技術(shù)得到快速發(fā)展和成熟，體現(xiàn)出四“Jing”的特點：①精確。加工幾何尺寸更加準確，幾何精度大幅度提高，磨齒經(jīng)濟精度可達4~6級；②精明。齒輪加工機床功能復(fù)合化、數(shù)控化、智能化程度日益提高，具有自動找正、自動換刀、自動在線測量甚至自動上下料等功能，使得加工效率大幅度提高，操作進一步簡便，操作工人的勞動強度大大降低；③靜。齒輪加工時產(chǎn)生的噪聲大幅度減小，產(chǎn)品質(zhì)量的提高使設(shè)備運行時的噪聲進一步降低；④凈。一是加工精度的提高，使得零件毛坯或半成品加工量減?。欢菣C床工作時更注重綠色環(huán)保，生產(chǎn)車間更加干凈，環(huán)境更加良好。漸開線硬齒面齒輪成型磨削技術(shù)及裝備的發(fā)展是近30年取得的最偉大成就之一，使得硬齒面齒輪全面替代軟齒面或中硬齒面，也使得輪齒的修形變得簡單可行；使?jié)u開線圓柱齒輪的普通精度等級從8～10級提高到4～6級。超精密齒輪的工業(yè)小批量生產(chǎn)水平可以很容易地達到3級精度。日前，大連理工大學(xué)王立鼎院士團隊成功研制出1級精度基準標準齒輪，齒輪精度達到國際領(lǐng)先，填補了國內(nèi)外1級精度齒輪制造工藝與測量方法的空白。目前，滲碳淬火磨齒齒輪存在的主要問題是磨削量過大導(dǎo)致的磨削燒傷和磨削臺階等問題。滲碳淬火齒輪因熱處理畸變較大需要磨削精加工，其磨削量主要取決于齒輪的熱處理畸變量。根據(jù)我國目前的情況,按齒輪模數(shù)大小及齒輪的結(jié)構(gòu)和尺寸不同,磨削量一般在0.2～0.6mm范圍內(nèi),有的可達0.8mm甚至1mm以上。過大的磨削量會降低表層最佳的硬度及其梯度分布、金相組織，從而喪失了表面起良好作用的殘余壓應(yīng)力。國內(nèi)目前很多企業(yè)對這一問題缺乏足夠的重視。長期以來，齒輪切削加工中需要使用切削液，這不僅會造成作業(yè)環(huán)境的污染，而且會影響操作者的健康，更會增加相關(guān)成本。隨著環(huán)保要求的越來越嚴，齒輪的干切技術(shù)得到了快速發(fā)展。干切可分為直接干切、風(fēng)冷干切、冷風(fēng)干切等。直接干切是在不采取冷卻措施的條件下直接進行加工，要求機床的耐熱性和剛性要好。對于滾齒機而言，由于普通機床的傳動鏈較長、整個切削系統(tǒng)剛性較差，難以滿足干切要求。數(shù)控機床通過縮短傳動鏈，增加系統(tǒng)剛性，才可能實現(xiàn)干切要求。同時，要保持連續(xù)切削，刀具也必須能夠承受持續(xù)高溫，因此目前采用直接干切方式進行滾齒加工尚不普遍；風(fēng)冷干切是用壓縮空氣代替切削油等冷卻液的切削加工方式。目前風(fēng)冷干切在滾齒和花鍵加工中有應(yīng)用；冷風(fēng)干切是向切削點噴射低溫的壓縮空氣以獲得良好的冷卻效果。有研究表明：高速干式滾齒機加工齒輪全過程的碳排放總量比普通濕式切削滾齒機加工齒輪全過程的碳排放減少55.7%，大大降低了齒輪加工的物料、能源消耗及加工成本費[6]。近凈成形技術(shù)主要用于大規(guī)模生產(chǎn)的車輛齒輪，經(jīng)精密鍛造技術(shù)生產(chǎn)的直齒輪、錐齒輪等零件經(jīng)較少的切削加工或直接用于產(chǎn)品。少、無切削的近凈成形和凈成形是一種快速發(fā)展的先進制造技術(shù)，是在傳統(tǒng)模鍛基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來的?？朔饲邢骷庸げ牧侠寐实?、生產(chǎn)效率低以及切斷了金屬纖維流線而造成的疲勞強度降低等問題，具有節(jié)材降耗、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低、零部件強度高等優(yōu)點，符合高效、精密、綠色清潔的先進制造技術(shù)的發(fā)展趨勢。近幾年，我國直齒錐齒輪的精密鍛造技術(shù)得到了快速發(fā)展，由最初的熱鍛，到冷精鍛，鍛造出來的齒輪質(zhì)量有了很大的提高，相關(guān)的技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)不少企業(yè)獲得了產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)[7]。噴丸強化技術(shù)是隨著風(fēng)電齒輪的發(fā)展，近年來得到普遍應(yīng)用的一種輪齒齒面強化技術(shù)。噴丸強化是通過機械手段在齒輪表面產(chǎn)生壓縮變形和殘余壓應(yīng)力，從而提高輪齒表層疲勞強度的一種齒面改性方法。噴丸后齒面強化層內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，表層殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，使原始馬氏體的位錯密度增加、結(jié)構(gòu)細化，噴丸使金屬表面顯微硬度和數(shù)十微米的表層內(nèi)的殘余壓應(yīng)力增大，從而達到大幅度提高齒輪彎曲疲勞強度的目的。噴丸強化的作用主要有：①增加殘余壓應(yīng)力；②細化組織結(jié)構(gòu)；③提高表面硬度；④改變表面粗糙度等。前3種作用都可提高齒輪的疲勞壽命，而噴丸強化后表面粗糙度的增加則可能降低齒輪的接觸疲勞壽命。因此，一般認為噴丸強化有利于彎曲疲勞強度的提高。實際應(yīng)用中，可通過控制丸粒硬度、直徑、強度、覆蓋率等工藝參數(shù)來改善噴丸對齒輪表面完整性的影響。齒輪噴丸強化表面完整性的控制關(guān)鍵主要是對殘余應(yīng)力分布和表面粗糙度的控制，避免出現(xiàn)“欠噴”和“過噴”等不當(dāng)?shù)膰娡鑿娀?。根?jù)噴丸工藝的不同，噴丸強化可分為強力噴丸、微粒噴丸和復(fù)合噴丸等3種。強力噴丸是用高硬度鑄造鋼丸（直徑0.4～0.6mm）在高壓、高速下轟擊齒輪表面，使齒輪表層的殘余壓應(yīng)力顯著提高，從而抑制疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴展。同時，噴丸強度越大，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的深度越深，數(shù)量越多，齒面硬度提高也越明顯；強力噴丸雖可大幅度提高齒根表層的殘余壓應(yīng)力，提高齒輪的彎曲疲勞強度，但也會使齒面粗糙度增加。微粒噴丸（直徑小于0.1mm）既可在一定程度上提高齒輪表層的殘余壓應(yīng)力，又能有效降低強力噴丸對齒面粗糙度的不利影響，滿足噴丸對齒面粗糙度的要求；復(fù)合噴丸是指采用兩次或多次噴丸，一般是先用高硬度較大丸粒在高壓、高速條件下強力噴丸，然后再用直徑較小的高硬丸粒進行微粒噴丸，以實現(xiàn)在齒輪表面形成殘余壓應(yīng)力、改善表面粗糙度、提高表面硬度的目的。復(fù)合噴丸可以使齒齒根表層有較大的殘余壓應(yīng)力又不使齒面粗糙度明顯降低。研究表明復(fù)合噴丸比微粒噴丸和強力噴丸的強化效果更為明顯，最大殘余壓應(yīng)力可達到1300MPa，使齒輪的彎曲疲勞極限大幅度提高[8]。我國齒輪材料及熱處理技術(shù)是隨著機械工業(yè)對齒輪質(zhì)量和承載能力要求的不斷提高而發(fā)展的。30年來我國的齒輪材料及熱處理技術(shù)取得了突飛猛進的發(fā)展和驕人的成績。20世紀70年代，我國齒輪的生產(chǎn)以軟齒面調(diào)質(zhì)工藝為主，承載能力低。自20世紀80年代開始，我國開展了大規(guī)模的硬齒面制造技術(shù)研究工作，如材料選取方面進行了齒輪鋼材國產(chǎn)化系列化研究，齒輪硬齒面熱處理工藝及其裝備研究，齒輪彎曲疲勞強度、接觸疲勞強度及抗膠合能力等方面的試驗研究等工作，奠定了我國硬齒面齒輪全面代替中硬齒面齒輪的基礎(chǔ)，大大提高了我國齒輪制造的技術(shù)水平[9]。盡管如此，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，齒輪設(shè)計參數(shù)不斷提高，對齒輪使用性能、壽命和可靠性也提出了更高的要求，對熱處理技術(shù)水平的發(fā)展提出了更高的要求。目前，齒輪材料及熱處理質(zhì)量的高低在一定程度上成為制約齒輪服役壽命和可靠性的關(guān)鍵。當(dāng)前，滲碳齒輪仍然存在很多與熱處理密切相關(guān)的問題：預(yù)備熱處理與齒輪加工性能和熱處理畸變、硬化層深度與齒輪疲勞剝落、有效硬化層深度與滲碳深度及工藝控制、齒輪滲碳后緩冷工藝與開裂、齒輪熱處理工藝應(yīng)力與疲勞性能和加工性能、齒輪心部硬度及心部韌性與齒輪強度和工藝性能、高濃度催滲滲碳應(yīng)用等[10]。近年來，國內(nèi)感應(yīng)淬火工藝也得到了快速發(fā)展，在風(fēng)電齒圈、三峽升船機齒條中都獲得了成功應(yīng)用。三峽升船機為國內(nèi)首次采用齒輪齒條爬升平衡重式垂直升船機，過船規(guī)模3000噸級，最大提升總質(zhì)量達1.55萬噸，承船廂垂直升降最大高度113m，是世界上技術(shù)最復(fù)雜、規(guī)模最大的升船機。2009年三峽升船機齒條進入招標階段時，國內(nèi)尚沒有解決避免大型鑄造齒條感應(yīng)淬火齒面開裂這一世界性難題，對開式硬齒面齒輪齒條傳動的失效模式也缺乏經(jīng)驗，三峽升船機齒條立足國內(nèi)生產(chǎn)面臨嚴峻考驗。為解決這一問題，鄭州機械研究所、二重集團（德陽）重型裝備股份有限公司、上海交通大學(xué)等單位經(jīng)過3年多的聯(lián)合攻關(guān)，成功攻克了特大模數(shù)齒條的鑄件冶煉鑄造、輪齒感應(yīng)淬火、齒面高效高精度加工等技術(shù)難題，為三峽升船機工程成功生產(chǎn)出質(zhì)量合格的102根齒條，為三峽升船機工程建設(shè)的順利完成和通航奠定了重要基礎(chǔ)。課題取得的主要創(chuàng)新點有：①齒條材料熱處理特性研究及材料優(yōu)化。在對材料CCT曲線及冷卻特性研究的基礎(chǔ)上，優(yōu)選G35CrNiMo6-6+QT1代替原德國設(shè)計的G42CrMo4+QT2；同時根據(jù)表淬性能要求對影響齒條感應(yīng)淬火的關(guān)鍵因素提出質(zhì)量控制要求；進行了齒條齒面硬度和硬化層深度的設(shè)計評估，確定了齒條齒面硬度和硬化層深度及齒根硬化層深度。②大模數(shù)齒條感應(yīng)淬火計算機模擬技術(shù)。在對齒條感應(yīng)淬火的溫度測試和殘余應(yīng)力測試技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，發(fā)展了基于數(shù)值模擬的殘余應(yīng)力調(diào)控技術(shù)，優(yōu)化了齒條合金鋼相變熱力模型，實現(xiàn)了對淬火熱力過程的精確分析，提出了“溫差累積應(yīng)變”的概念，計算分析了不同工藝下的應(yīng)變值，為齒條材料淬火開裂傾向的評定提供了力學(xué)條件，支撐了齒條感應(yīng)淬火不開裂工藝的制定。③大模數(shù)齒條感應(yīng)淬火殘余應(yīng)力控制及工藝技術(shù)。在齒條材料特性研究和感應(yīng)淬火數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，通過大量的齒塊淬火試驗、齒條整齒件淬火試驗以及對大量表淬性能檢測數(shù)據(jù)、應(yīng)力測試數(shù)據(jù)分析比較，最終找到了防止齒根淬火開裂和控制殘余應(yīng)力的工藝方法，使齒條齒面和齒根的應(yīng)力狀態(tài)均為壓應(yīng)力。經(jīng)對批量生產(chǎn)的齒條進行應(yīng)力測試，表明齒條的應(yīng)力分布狀態(tài)是穩(wěn)定的，形成的克服大模數(shù)齒條齒根淬火開裂和控制齒條殘余應(yīng)力的感應(yīng)淬火工藝技術(shù)是可靠的。④大模數(shù)齒條表面淬火變形控制技術(shù)。研制了專用的防變形工裝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的背靠背把合方式，大大減小了大型齒條表淬過程的變形，提高了表淬生產(chǎn)效率；采用齒條定位基準臺階和頂推頂具，有效提高了齒條的安裝效率和齒條定位的可靠性。⑤大模數(shù)硬齒面齒條齒形高效高精度加工方法。采取銑削加工代替?zhèn)鹘y(tǒng)的磨削加工，使加工效率顯著提高；通過對面銑刀的優(yōu)化，提高了面銑刀的使用壽命和加工效率；采用多齒法的進刀方式控制面銑刀的運動軌跡，提高了齒面的加工精度和光潔度。研究成果已成功應(yīng)用于三峽和向家壩升船機齒條的生產(chǎn)，在國際上首次解決了超大模數(shù)鑄造齒條感應(yīng)淬火加工的質(zhì)量控制問題。使二重集團（德陽）重型裝備股份有限公司成為世界上首家具備特大模數(shù)感應(yīng)淬火齒條生產(chǎn)能力的企業(yè)，取得了巨大的社會效益和良好的經(jīng)濟效益。相關(guān)成果獲2018年機械工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎。齒輪測量技術(shù)及其儀器的研發(fā)已有近百年的歷史。齒輪測量技術(shù)的發(fā)展歷程是以齒輪精度理論的發(fā)展為前提的。迄今,齒輪精度理論經(jīng)歷了齒輪誤差幾何學(xué)理論、齒輪誤差運動學(xué)理論和齒輪誤差動力學(xué)理論的發(fā)展過程。1970年是齒輪測量技術(shù)的轉(zhuǎn)折點，齒輪整體誤差測量技術(shù)和齒輪測量機(中心)的出現(xiàn)解決了齒輪測量的難題,即在一臺儀器上快速獲取齒輪的全部誤差信息。20世紀90年代以來，齒輪測量技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了迅速發(fā)展，發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在：①齒輪整體誤差測量與齒輪坐標測量合二為一；②齒輪測量中心與三坐標測量機合二為一；③功能測試與分析測試合二為一；④齒輪加工與測量合二為一，齒輪在機測量技術(shù)在齒輪磨床上得到普通采用[11]。目前，5米以內(nèi)的漸開線齒輪測量問題已基本解決，但直徑大于3米的特大型齒輪的測量仍存在諸多困難。北京工業(yè)大學(xué)近年來在特大型齒輪的激光跟蹤在位測量方法研究等方面作了大量的工作，取得了一批科研成果。近年來，隨著風(fēng)電、軌道交通、汽車等行業(yè)的快速發(fā)展，齒輪產(chǎn)品的試驗裝備發(fā)展和相關(guān)試驗研究均取得了喜人的進展。主要表現(xiàn)在：1）鄭州機械研究所、重慶大學(xué)等研究機構(gòu)和企業(yè)分別購置了齒輪接觸疲勞試驗機和彎曲疲勞試驗機，重新開始了齒輪材料極限應(yīng)力測試等基礎(chǔ)試驗研究工作。我國齒輪行業(yè)內(nèi)對齒輪材料極限應(yīng)力的測試只在20世紀80年代進行過，已中斷近30年。20世紀90年代后，盡管有個別企業(yè)進行過個別材料的極限應(yīng)力測試工作，但缺乏系統(tǒng)性、專業(yè)性。目前，鄭州機械研究所已初步完成了18CrNiMo7-6齒輪材料ME級熱處理質(zhì)量等級的接觸疲勞極限應(yīng)力和彎曲疲勞極限應(yīng)力的測試工作。目前正在開展不同材料（20CrMoMn、20CrNi2MoA等）、不同制造工藝（噴丸強化、齒面超精加工等）、不同熱處理質(zhì)量（ME、MQ、ML）等級下的齒輪材料的接觸疲勞極限應(yīng)力、彎曲疲勞極限應(yīng)力進行試驗測試工作，以期最終能形成可供全行業(yè)使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用于指導(dǎo)不同類型、不同生產(chǎn)模式、不同應(yīng)用領(lǐng)域的齒輪產(chǎn)品的設(shè)計和制造。2）風(fēng)電齒輪箱生產(chǎn)企業(yè)大都建有3MW以上大型風(fēng)電齒輪箱試驗臺，并開展了試驗研究和產(chǎn)品試驗工作，積累了一些有價值的試驗數(shù)據(jù)，為新產(chǎn)品的開發(fā)奠定了重要的基礎(chǔ)。3）鄭州機械研究所承擔(dān)的國家“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”課題“三峽升船機鑄造齒條大型試驗裝備開發(fā)及質(zhì)量評定”（課題編號：2012ZX04010091），研制出大型齒輪齒條試驗臺，填補了國內(nèi)外空白，為三峽升船機的運行起到了“保駕護航”的重要作用。課題在以下方面取得了創(chuàng)新或突破：①大模數(shù)齒輪齒條試驗裝置開發(fā)技術(shù)。聯(lián)合設(shè)備供應(yīng)商設(shè)計開發(fā)出小轉(zhuǎn)動慣量電機、120Tm大型轉(zhuǎn)矩傳感器、末級中心距900mm頻繁增減速和換向的齒輪箱、抗沖擊大型直線導(dǎo)軌等，解決了快速頻繁換向、大載荷施加等技術(shù)難題。采用整體組合式軸承座，解決了軸承座變形過大問題。通過優(yōu)化導(dǎo)軌長度、滑塊類型和數(shù)量、提高安裝精度等措施，大大提高了導(dǎo)軌壽命，保證了試驗裝置的順利運行。設(shè)計開發(fā)了大型不間斷電源系統(tǒng)、防撞裝置、限位裝置、自動對中裝置等多重安全測控系統(tǒng)和裝置，保證了試驗裝置的安全、可靠運行。開發(fā)了寬距多條超長導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)及工裝和超長基準導(dǎo)軌高精度安裝定位機構(gòu)等，解決了4條各9.6m長導(dǎo)軌安裝精度難以保證的難題。采用自動對中及其控制系統(tǒng)，解決了移動平臺長期、反復(fù)換向過程中，累計位置誤差超差問題等；②大模數(shù)齒輪齒條疲勞壽命試驗測試技術(shù)。得到了升船機船廂上升和下降的各24種工況下每種工況時的載荷大小和方向，制定了試驗裝置大載荷施加和頻繁換向運動的控制策略。研究了齒條齒根應(yīng)力的分布規(guī)律，對齒條齒根應(yīng)力進行了實時監(jiān)測，得到了齒輪齒條嚙合過程中，齒條齒根應(yīng)力的變化規(guī)律。通過優(yōu)化試驗載荷和速度控制策略，解決了110噸移動試驗臺快速、頻繁換向帶來的沖擊等問題，完成了三峽升船機齒條42.2萬次應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的疲勞壽命試驗工作。通過對大型扭矩傳感器的標定、優(yōu)化控制策略等實現(xiàn)了對試驗數(shù)據(jù)的精確測控。開發(fā)了專用的試驗數(shù)據(jù)分析軟件，實現(xiàn)了對海量試驗數(shù)據(jù)的快速分析、圖形再現(xiàn)等。可以預(yù)見，未來齒輪技術(shù)的發(fā)展主要集中在制造技術(shù)和制造裝備方面，齒輪技術(shù)在未來一個較長時間內(nèi)仍將處于平穩(wěn)發(fā)展階段。高功率密度、高轉(zhuǎn)速、高可靠性、低質(zhì)量、低噪聲的齒輪傳動是人們追求的永恒目標。盡管斷齒的影響更為嚴重，但反映齒輪設(shè)計水平高低的卻是接觸疲勞強度。根據(jù)齒輪疲勞強度設(shè)計理論，要實現(xiàn)齒輪低質(zhì)量和高可靠性的要求必須提高齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力，而現(xiàn)有熱處理方式中，滲碳淬火齒輪的承載能力最高，最高極限應(yīng)力達到1650MPa，如何進一步提高齒輪的極限應(yīng)力是未來全世界追求的目標。表1為接觸疲勞極限應(yīng)力與中心距的關(guān)系，可以看出，如果接觸疲勞極限應(yīng)力從滲碳淬火齒輪最高的1650MPa提高15%達到1900MPa，齒輪中心距將減小10%左右，輕量化效果明顯。因此，復(fù)合熱處理技術(shù)、第二項齒面強化技術(shù)、齒面改形改性技術(shù)等將是未來齒輪技術(shù)研究和發(fā)展的重點。表1 接觸疲勞極限應(yīng)力與中心距的關(guān)系
極限應(yīng)力/MPa | 1350 | 1450 | 1550 | 1650 | 1900 |
中心距系數(shù) | 1.00 | 0.95 | 0.91 | 0.87 | 0.80 |
