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我國齒輪發(fā)展趨勢(shì)分析與展望

轉(zhuǎn)載

國際上，動(dòng)力傳動(dòng)齒輪裝置正沿著小型化、高速化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。特殊齒輪的應(yīng)用、行星齒輪裝置的發(fā)展、低振動(dòng)、低噪聲齒輪裝置的研制是齒輪設(shè)計(jì)方面的一些特點(diǎn)。為達(dá)到齒輪裝置小型化目的，可以提高現(xiàn)有漸開線齒輪的承載推力。各國普遍采用硬齒面技術(shù)，提高硬度以縮小裝置的尺寸；也可應(yīng)用以圓弧齒輪為代表的特殊齒形。英法合作研制的艦載直升飛機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)采用圓弧齒輪后，使減速器高度大為降低。隨著船舶動(dòng)力由中速柴油機(jī)代替的趨勢(shì)，在大型船上采用大功率行星齒輪裝置確有成效；現(xiàn)在冶金、礦山、水泥一軋機(jī)等大型傳動(dòng)裝置中，行星齒輪以其體積小、同軸性好、效率高的優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用愈來愈多。

由于機(jī)械設(shè)備向大型化發(fā)展，齒輪的工作參數(shù)提高了。如高速齒輪的傳遞功率為1000-30000kw。齒輪圓周速度為20~200m/s(1200-12000r/min)，設(shè)計(jì)工作壽命為5X104-10X104小時(shí)；軋鋼機(jī)齒輪的圓周速度已由每秒幾米提高到20m/s，甚至30～50m/s。傳遞扭炬達(dá)l00~200t.m，要求使用壽命在20～30年以上，這些齒輪的精度等級(jí)一般在3～8級(jí)，并對(duì)平穩(wěn)性與噪聲有較高的要求。

對(duì)于高速齒輪(包括透平機(jī)械齒輪)，在圓周速度超過100m/s時(shí)由于運(yùn)轉(zhuǎn)中的熱效應(yīng)要求在設(shè)計(jì)始對(duì)產(chǎn)生的熱變形進(jìn)行修正，使齒輪在工作時(shí)達(dá)到一個(gè)正常的嚙合狀態(tài)，特別對(duì)于高速重載齒輪更要加以考慮。其次，對(duì)于低速重載齒輪如軋鋼機(jī)齒輪，由于采用硬齒面齒輪后，其齒面負(fù)荷系數(shù)增加而引起的整個(gè)齒輪裝置系統(tǒng)的彈性變形變得突出了，所以有時(shí)也要對(duì)反映到齒面的彈性變形進(jìn)行修正。這種對(duì)齒輪輪齒修形的技術(shù)是目前大功率、高速、重載齒輪制造的一個(gè)重要趨勢(shì)。在齒輪制造技術(shù)方面，重點(diǎn)是進(jìn)行硬齒面加工，尤其是大型硬齒面齒輪的切切與熱處理工藝的發(fā)展，如超硬切齒、滾內(nèi)齒、成形磨齒、大模數(shù)齒輪珩齒、彈性砂輪拋光、輪齒修形、以及深層沙碳等新工藝正在生產(chǎn)上不斷地試驗(yàn)與應(yīng)用。

齒輪制造工藝的發(fā)展很大程度上表現(xiàn)在精度等級(jí)與生產(chǎn)效率的提高。自七十年代以來各種齒輪的制造精度，普遍提高一級(jí)左右，有的甚至2～3級(jí)。一般低速齒輪精度由過去的8～9級(jí)提高到7～8級(jí)，機(jī)床齒輪由6～8級(jí)提高到4～6級(jí)，軋機(jī)齒輪由7～8級(jí)提高到5～6級(jí)。

對(duì)于模數(shù)不大的中小規(guī)格齒輪，由于高性能滾齒機(jī)的開發(fā)，加上刀具材料的改善，滾齒效率有了顯著提高。采用多頭滾刀，在大進(jìn)給且條件下，可達(dá)到的切削速度為90m/s。如用超硬滾刀加工模數(shù)3左右的調(diào)質(zhì)鋼齒輪，切削過度可達(dá)200m/s。提高插齒效率，要受到插齒機(jī)刀具往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的限制。最近在開發(fā)采用刀具卸載，使用靜壓軸承，增強(qiáng)刀架與立柱剛性等新結(jié)構(gòu)后，效率有明顯提高。新型插齒機(jī)的沖程數(shù)可達(dá)到2000次/分。

由于硬齒面齒輪廣泛應(yīng)用，以及高速、高性能要求的齒輪日益增多，因此要求磨齒加工，在效率和質(zhì)量上都要提高。一般來說。展成法磨齒用得較普遍，而成形法磨齒則少。MAAG磨齒法，雖然磨齒精度高，但效率低，不適合重磨削。而Niles與Hofler公司生產(chǎn)的單砂輪磨齒機(jī)剛性好精度可靠，適合于大進(jìn)給量加工，效率高。近年來，為提高效率也在改進(jìn)磨制方法，如減少磨削次數(shù)，壓縮展成長度，縮短尾削沖程；為此MAAG公司提出的"K"一磨削法與Niles公司提出的"雙面磨削法"都提高了實(shí)際磨削效率。目前對(duì)于成批磨削中、小用數(shù)齒輪，傾向于采用蝸桿砂輪磨齒機(jī)，磨削效率很高，對(duì)于磨削大模數(shù)齒輪，除可應(yīng)用能重磨削的單砂輪磨齒外，采用成形圖削方法，也是一種高效磨削的有效途徑。

此外，還有一些新的工藝方法，如美國格利森公司研制的G-TRACNo765型軌道式切齒機(jī)，每小時(shí)能加工88個(gè)齒輪，比普通滾齒機(jī)提高3～4倍。雙刀盤高效切齒工藝，切削速度可達(dá)137m/s，粗、精加工一個(gè)m=1.5mm、外徑24.43mm、齒寬19mm的斜齒輪，只需6秒鐘，其效率為該齒的5～10倍。美國密芝根工具公司的多刀頭插齒，效率比普通插齒提高5~10倍，汽車行業(yè)齒輪冷成型工藝，冷擠、熱軋等少無切削工藝也不斷獲得新的發(fā)展。

關(guān)于齒輪材料與熱處理，隨著便自面齒輪的發(fā)展，也逐漸受到人們的重視。

齒輪用鋼的發(fā)展趨勢(shì)：一是含Cr，Ni，Mo的低合金鋼；二是硼鋼；三是碳氮共滲用鋼；四是易切削鋼。由于我國缺乏Ni、Cr，常用20CrMnTi滲碳鋼或用含硼加稀土鋼。重型機(jī)械常用18CrMnNiMo滲碳鋼或中碳合金鋼。機(jī)床行業(yè)食用40Cr，38CrMoAl等鋼以及高速齒輪用25Cr2MoV鋼進(jìn)行氮化。

齒輪熱處理工藝一般有碳滲(或碳氮共滲)、氮化、感應(yīng)淬火、調(diào)質(zhì)等四類。當(dāng)前總的趨勢(shì)是提高齒面硬度，滲碳淬火齒輪的承載能力可比調(diào)質(zhì)齒輪提高2~3倍。

滲碳淬火齒輪可以獲得高的表面硬度、耐磨性、韌性和抗沖擊性能，能提供高的抗點(diǎn)蝕、抗疲勞性能。心部和滲碳層的性能主要取決于選用何種熱處理工藝，如將齒輪調(diào)質(zhì)處理到360HB時(shí)，其齒面接觸疲勞極限應(yīng)力ph.-750N/mm2，如表面淬火到HRC56-60-時(shí)，pJ1500N/mm2；如表面滲碳到同樣硬度時(shí)yi.-1200N/mm2。對(duì)于調(diào)質(zhì)齒輪，由于齒輪刀具材料的改進(jìn)，已將小齒輪的齒面硬度提高到360HB，大齒輪提高到280HB以上。

齒輪滲碳大多數(shù)采用氣體滲碳法。常用丙烷氣發(fā)生爐生成氣體，送入滲碳爐進(jìn)行，也有用液注式滲碳爐，使有機(jī)液體在爐內(nèi)氣化進(jìn)行滲碳.這種方法占地少，原料與處理費(fèi)用低：爐子不穩(wěn)定工作時(shí)間也短，有利于節(jié)約能源和成本。最近發(fā)展的真空離滲碳法，尤其對(duì)于深層滲碳要求的齒輪，可進(jìn)一步縮短時(shí)間，減少變形。

電子計(jì)算機(jī)在各工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，促進(jìn)了各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。同樣，在齒輪的設(shè)計(jì)、計(jì)算方面進(jìn)展也很快，人們利用計(jì)算機(jī)能對(duì)各種可能的設(shè)計(jì)方實(shí)進(jìn)行計(jì)算、分析和比較，并通過優(yōu)選，取得較為理想的結(jié)果。例如在分析齒面接觸區(qū)，求嚙合線與相對(duì)速度夾角中，對(duì)彈流潤滑計(jì)算以及幾何參數(shù)計(jì)算等方面編制了程序。還有，在齒輪修形計(jì)算與齒輪承載能力計(jì)算方面都編有程序。我國已編制了GB3480-83漸開線圓柱齒輪承載能力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的程序軟件供生產(chǎn)應(yīng)用。在齒輪加工方面，可以利用計(jì)算機(jī)控制整個(gè)切齒過程.使制造質(zhì)量穩(wěn)定可靠。目前，國內(nèi)在研究應(yīng)用微機(jī)對(duì)弧齒錐齒輪的切齒調(diào)整卡進(jìn)行計(jì)算，可對(duì)加工偏差及時(shí)調(diào)整，使齒面接觸達(dá)到比較理想的位置，并大大提高了工效。此外，根據(jù)數(shù)控原理，應(yīng)用微機(jī)對(duì)環(huán)面蝸桿螺旋齒面進(jìn)行拋物線修形，已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)。雖然這方面的工作在國內(nèi)還處于起步階段，但它對(duì)提高齒輪制造質(zhì)量和技術(shù)水平具有重要意義。

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