高效干切技术在螺旋锥齿轮行业的应用

株洲齿轮有限责任公司 潘晓东 刘祥环

高效干切技术在螺旋锥齿轮行业的应用

株洲齿轮有限责任公司 潘晓东 刘祥环

本人结合企业的实践经验，主要介绍高效干切技术（Power Cutting）在螺旋锥齿轮行业的应用，根据实际制造经验，将高效干切技术和通用加工螺旋锥齿轮工艺进行对比，总结高效干切技术的各种优势。通过株洲齿轮有限责任公司多年对高效干切技术的研究，总结出了影响干切技术国产化的因素及解决方案。

螺旋锥齿轮；干切技术

1 概述

随着中国汽车工业的高速发展，中国汽车关键零部件的制造技术也在不断地提升。车企普遍认为发动机、变速箱、车桥为汽车工业的三大核心技术，而车桥厂又视螺旋锥齿轮为其核心技术。株洲齿轮有限责任公司（以下简称为株齿）从事了50多年的汽车齿轮研发与制造，是螺旋锥齿轮相关国标的制定者。长期以来，螺旋锥齿轮的切齿一直使用“湿切”方法，随着客户对汽车产品质量和舒适性等要求的不断提高，普通的螺旋锥齿轮加工设备和工艺已经满足不了客车螺伞、出口汽车的要求。株齿一直在探索新工艺来提高螺旋锥齿轮的精度要求，改善接触区域，降低噪音，但在原有设备基础上改变加工工艺，产品的精度、接触区、噪音并没有得到质的飞跃。随着机床、刀具、材料的发展，寻求一种高效、高精度、节能、环保、低成本制造高性能螺旋锥齿轮的切齿方法是行业的一个梦想。

图1 株齿的美国格里森齿轮干切生产线

20世纪90年代，美国格里森公司推出螺旋锥齿轮干切技术，并获得美国汽车工业最高的荣誉—PACE大奖。自此以后，欧美螺旋锥齿轮设备厂家及生产企业围绕这一干切齿工艺技术进行了大量研究，并得到了产业化的应用。从20世纪90年代以来，国内也有企业进行了弧齿、锥齿轮、干切齿的尝试，如湖北车桥、一汽地盘引进奥利康机床进行干切，天津机床使用涂层高速钢刀具进行干切，但因齿坯材料、正火、刀具等原因，效果都不理想，干切技术最终没有在国内推广。

图2 株齿湿切铣齿线和拉齿线

从2007年年底到现在，株齿在格里森工厂大规模订购了凤凰600HC、凤凰Ⅱ型设备，现已形成10万套／年的干切能力。刚开始使用国产锻坯、美国进口刀具，干切数比为21∶29、大端模数为10.173的弧齿锥齿轮，取得了刀具修磨后一次切齿超过80套以上的理想结果。随后，株齿公司在国内又进行多次的干切齿试验，产品大端模数达13以上，齿数从17到41，使用的齿形加工方法包括滚切法、成形法。2012年，株齿公司使用干切技术生产的产品已超过5万套，今后将继续增加技改投入，将干切齿产能扩大到30万套／年。

图3 株齿螺旋锥齿轮加工设备

2 螺旋锥齿轮干切技术的优势

2.1 干切的高效优势

根据株齿公司长时间的统计显示，干切的切齿时间为1.5min，而湿切的切齿时间为6min，即干切的切齿效率是湿切的4倍。当采用手动上下料时的综合加工时间分别为4.75min和6.75min，即干切手动上下料工序的效率是湿切的2.5倍。当干切应用在自动线上的效率是湿切的1.4倍。下表为实际使用时，干湿切的生产效率对比数据：

齿数 大端模数大轮湿切（端面铣削法）大轮干切（端面铣削法）效率比较粗切 精切 合计 大轮粗精切齿 湿切／干切Z＝29 10.173 21′ 19′ 40′ 7′52″～9′12″ 5.1～4.3倍Z＝28 10.357 20′ 18′ 38′ 7′45″～8′54″ 4.9～4.3倍Z＝37 13.25 24′ 9′ 33′ 13′52″ 2.4倍Z＝40 10.875 22′ 8′ 30′ 11′01″ 2.7倍Z＝40 11.4 22′ 8′ 30′ 14′ 2.1倍Z＝39 11.131 22′ 8′ 30′ 15′25″ 1.9倍Z＝37 11.757 22′ 8′ 30′ 11′54″ 2.5倍Z＝41 10.61 22′ 8′ 30′ 14′53″ 2倍

从上表可以看出，干切的加工效率为湿切的2～5倍，变化范围比较大。若湿切时采用滚切法，干切生产效率的优势是非常明显的；若湿切采用成形法，由于湿切时成形法本身的效率比较高，干切的效率优势则体现得不那么明显。若能使用成形法的螺旋锥齿轮湿切时使用滚切法，则干切的生产效率将是湿切的5倍以上。

2.2 干切的节能环保优势

螺旋锥齿轮湿切的电力消耗计算如下：

大轮粗切：7.5kW×（20～24）min／60＝2.5～3kW·h。

大轮精切：7.5kW×（8～19）min／60＝1～2.375kW·h。

小轮粗切：7.5kW×（12～24）min／60＝1.5～3kW·h。

大轮两端面精切：［7.5kW×（12～21）min／60］×2＝1～2.375kW·h。

每套产品切齿工序，使用滚切法湿切的电力消耗为：（2.5～3）＋2.375＋3＋5.25＝13.125～13.625kW·h／套。

每套产品切齿工序，使用成形法湿切的电力消耗为：（2.5～3）＋1＋1.5＋3＝8～8.5kW·h／套。

螺旋锥齿轮干切的电力消耗计算如下：

浅谈桥梁施工中大跨径连续桥梁的施工技术…………………………………………… 韩彦龙，李洪生（10-187）

使用滚切法干切，大、小轮粗精切的电力消耗为：［20kW×（7.86～9.2）min／60］×2＝5.24～6.13kW·h／套。

使用成形法干切，大、小轮粗精切的电力消耗为：［20kW×（11.01～15.42）min／60］×2＝7.34～10.28kW·h／套。

从上述计算可以看出，都使用滚切法时，干切的电力消耗比湿切低很多；若都使用成形法，从理论计算的角度上看，其电力消耗差别不大。由于干切不使用任何冷却剂（油、液、气），所以也不会对环境产生任何不良影响。

2.3 干切的成本优势

从目前情况看，虽然实现螺旋锥齿轮干切齿存在有设备投资大。刀具首期投入大，国内在技术上存在断层等缺陷，但螺旋锥齿轮干切齿的低成本优势还是能通过以下几方面体现出来。

（1）由于不需要使用切削液，这部分制造成本就没有了，根据株齿螺伞分厂测算的结果，仅切齿工序的油料消耗就可以节省6～12元／套。若计入由于使用了切削液，从而必须增加清洗、排污处理、车间地面去油污等附件费用，其成本优势就非常明显。

（2）单套产品的刀具消耗低。根据株齿3年多的经验测算，干／湿切的单套产品刀具消耗成本为1.2／2.1，即单套产品干切的刀具消耗成本不到湿切的60%。另外，干切刀片的可重磨次数一般是原湿切使用刀片的2倍左右，这大大降低了干切刀具的成本。

（3）单套产品的电力消耗低。虽然干切齿设备的功率比湿切齿设备要高，电力需要增容，但由于其干切齿效率非常高且工序短，其单套产品的电能消耗反而比湿切低。根据株齿3年多的经验测算，干切比湿切要节能30%以上，国际先进水平的干切甚至可节能70%以上。由于20世纪各国为了发展工业，对不可再生能源的泛滥开发，造成21世纪全球能源紧缺，我国在沿海地区已实施了限电政策，国家强制淘汰高能耗设备，可以预计，中国使用干切技术的企业将进一步推广。

2.4 干切的高性能优势

由于干切时使用的机床传动链非常简单，刀具系统的精度非常高，所以其制造出的产品精度也非常高。在同等条件下，使用端面滚切法加工的螺旋锥齿轮，其加工精度一般都能达到AGMA（美国齿轮制造商协会）12～13级（DIN或GB5级左右），比国内传统的加工方法加工出来的产品要高出2～3个精度等级。通过台架试验验证和配套整车厂售后信息反馈，干切齿的精度、使用寿命、接触区域、噪音等指标也要比按传统工艺方法加工的好很多。

3 螺旋锥齿轮干切齿的影响因素

除了选择合适的机床、刀具、材料外，下述因素都会对螺旋锥齿轮干切的效果产生直接的影响，在实际使用过程中需要引起注意和重视。

（1）原材料中硫的含量、杂质含量；

（2）原材料的低倍组织级别；

（3）齿坯的硬度、显微硬度及其均匀性和一致性；

（4）齿坯的带状组织级别及粒度；

（5）刀具的各切削角度；

（6）切削参数及切削过程选择；

（7）使用高性能的刀具是实现螺旋锥齿轮干切齿的重要条件之一，也是国内螺伞锥齿轮干切技术迟迟不能得到推广的主要影响因素之一。行业普遍认为若长期依赖进口刀具，会存在订货周期长、价格高、运费高等问题。为了解决这些问题，株齿从刀具的选型、重磨、涂层等方面考虑如何实现国产化。株齿就干切刀具国产化项目和株洲天威硬质合金工具有限责任公司开展合作，从目前使用国产化刀具和进口刀具的使用寿命和效果来看，干切刀具的国产化项目非常成功。

4 结论

中国汽车工业经历2009年和2010年井喷式的发展后，在2011年进入了一个调整期，目前国内许多汽车主机厂都在抓住这个市场调整的时机，对产品结构、制造工艺和水平、产品质量等各方面进行调整和提升，以实现整个汽车产业的升级和结构调整，为将来的快速发展蓄积能量。株齿作为重型螺旋锥齿轮领先的制造企业，利用干切技术对产品结构及制造工艺进行了结构性的调整，实现企业的转型升级。随着中国机床、刀具、材料等技术的发展和完善，可以预见，国内螺旋锥齿轮的干切将会得到广泛的应用。目前，在行业内干切齿的优势已获得了市场的认可，成为螺旋锥齿轮技术的发展趋势之一。

［1］谢耀东，张俊杰等.弧齿锥齿轮的高效干切技术.现代零部件，2009／7.

［2］程文，谢耀东.先进的螺旋锥齿轮弧齿加工工艺探讨.机械制造，2008／5.

［3］HermanJ.Stadtfeld《Advanced Bevel Gear Technology》［M］.1000University Avenue P.O.Box 22970Rochester，New York 14692－2970：Gleason Corporation 2000.

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