高性能小模数齿轮的研究现状与发展趋势

母庚礼 李黔希

摘要：小模数齿轮具有体积小、重量轻、传动紧凑、工作平稳特点，是航天、通信、机器人、智能装备等领域的关键基础件。随着航空、航天、智能通讯等领域装备性能的日益提升，对小模数齿轮传动及产品提出更高要求。本文对高性能小模数齿轮传动主动设计、精密加工、高效精密成型、快速精确检测、基础试验等关键技术国内外研究现状进行综述，并展望了小模数齿轮行业未来发展趋势，为小模数齿轮行业科学发展与技术进步提供参考。

关键词：小模数齿轮;主动设计;精密加工;快速精确检测基础试验

0引言

小模数齿轮通常指模数小于1mm的齿轮，具有体积小、重量轻、传动紧凑、工作平稳特点，广泛应用于航天、通信、机器人、智能装备等领域。小模数齿轮专业领域是我国齿轮行业中的一个细分专业中不可缺少的组成部分。2006年，全国小模数齿轮工作委员会正式成立，经过各企业、高校、研究所的共同努力，我国小模数齿轮行业迅速成长，新装备、新材料、新技术、新工艺都在行业中得以发展运用，技术实力大大增强，整体实力跨上了新台阶。

近年来，随着航空、航天、智能通讯等领域装备性能的日益提升，对小模数齿轮传动及产品提出了高精度、高承载、高可靠、长寿命、轻量化、低噪声的高要求。日益严苛的高性能要求下，小模数齿轮行业也面临巨大的挑战，诸如正向设计理论缺失、精准形性协同制造控制困难、测量精度和效率低、专用材料基础数据匮乏，导致工程应用中频繁出现噪声大、强度低、过度磨损和早期疲劳失效等问题，难以满足小模数齿轮传动高性能要求。

本文结合作者小模数齿轮传动领域多年工作经验，对高性能小模数齿轮设计、加工、成型、检测、试验关键技术国内外研究现状进行综述，并展望了小模数齿轮行业未来发展趋势，对进一步提升小模数齿轮传动服役性能、推动小模数齿轮行业科技发展提供参考。

1小模数齿轮传动设计

随着技术的进步，各个应用领域对小模数齿轮传动提出了传动精度高、承载能力强、振动噪声小、疲劳寿命长等多种要求。合理的齿形设计是保证小模数齿轮传动高服役性能的前提条件，其中如何通过对小模数齿轮的宏微观参数进行优化设计达到传动精度、减振降噪和抗疲劳的目的是急需攻克的难题。美国、德国和英国等先进工业国家都对小模数齿轮的基准齿形制定了专用的标准[1];河南科技大学[2]提出了“小轮采用双面法铣齿加工，大轮采用模具法成形加工”的小模数弧齿锥齿轮加工新方法，并讨论了该加工方法的实施工艺和应用理论基础。南昌大学[3]通过正交试验法研究了齿顶修形的最大修形量、修形长度、修形曲线等三个因素对小模数塑料齿轮疲劳寿命的影响规律并确定了最佳的小模数塑料齿轮齿顶修形方案。哈尔滨工业大学[4]研究了小模数渐开线少齿差减速器的设计方法和传动特性。上述研究为小模数齿轮的设计优化和服役性能提升提供了一定的理论基础，然而，对于小模数齿轮的齿形参数等因素与振动噪声、服役特性的关联规律并未进行有效揭示，专用设计理论缺失，制约了小模数齿轮服役性能的提升。

2小模数齿轮加工制造

小模数齿轮根据材料不同主要有包络共轭切削加工和模具成型两种制造方式。

小模数齿轮包络加工方面，美国Gleason公司等一直致力于小模数齿轮及齿轮传动装置设计制造的研究，提出了小模数弧齿锥齿轮设计与制造等技术，可以批量生产3～4级精度的m≤0.02mm的小模数齿轮，切削加工最小模数为0.038mm。贵州群建精密机械有限公司、重庆清平机械制造有限责任公司、陕西汉中长空精密机制制造公司是国内小模数齿轮行业中的典型代表，研制的0.5～1.0mm模数精度为6～7级，模数0.1～0.5mm小模数齿轮制造精度不稳定，与国外同类型产品相比存在一定差距，小模数齿轮加工变形等核心技术亟待突破。

小模数齿轮模具成型方面：小模数齿轮特征尺寸小、精度性能寿命等要求高，使得其模具设计、制造和精密成型面临极大挑战。欧美、日本在粉末冶金小模数齿轮成型制造方面的研究处于前列，意大利MiniGears公司生产的粉末冶金小模数弧齿锥齿轮占据着全球大部分高端市场份额。日本日立粉末冶金公司生产的小节锥半角斜伞粉末冶金齿轮，成功取代了传统的以机加工锻钢坯的昂贵生产工艺，并获得了日本粉末冶金协会颁发的年度创新设计奖。德国爱尔兰根纽伦堡大学LKT研究所通过3D打印随行冷却和高动态变模温控制技术调节塑料齿轮注塑模具型腔温度场，实现了塑料齿轮轮齿结晶形态调控和高精度成型[5]。近年来，我国粉末冶金齿轮何塑料齿轮行业发展迅速，江苏精研科技公司实现0.075mm模数齿轮粉末注射精密成型。但国内长期依赖模具设计与成型工艺经验，模具型腔齿廓精密加工困难，成为制约我国小模数齿轮成型制造规模和质量的瓶颈。

3小模数齿轮检测试验

由于小模数齿轮齿槽间隙小、几何尺寸小，其精确检测一直是目前行业共性难题。日本TT1、美国Gear Inspection等国外测量中心针对光学投影和采用CCD的非接触式视觉测量技术开展大量研究，开发了较为规范的测量系统，在技术先进性、市场占有率和产品可靠性等方面占据当前领先地位[6]。国内在0.5～1mm模数齿轮采用测头接触式测量已经成为常规测量，但0.2～0.5mm模数齿轮检测采用成像法或光纤测头测量仍然有一定难度，模数0.2mm以下的齿轮更加困难。基础试验方面，欧美先进国家掌握了小模数齿轮表面完整性表征手段、加速疲劳试验方法与數据处理技术，支撑制定VDI2736、BS6168等标准规范[7]。国内针对高性能小模数齿轮专用材料的疲劳试验研究和基础数据匮乏，难以有效指导我国高性能小模数齿轮的设计制造。

4结论与展望

我国小模数齿轮行业年产值已超过130亿元，齿轮传动产品精密化、微型化、智能化为小模数齿轮行业的发展创造了广阔的市场空间，预计2025年年产值达到800亿元。小模数齿轮正向设计、高效精密加工、成型模具智能化设计、光学非接触快速精确测量是小模数齿轮传动技术的发展趋势。在面向中国制造2025和日益激烈的经济、国防安全严峻形势下，针对国内外小模数齿轮技术差距，结合前沿发展趋势，需要进一步开展高性能小模数齿轮设计制造检测试验关键技术研究，支撑我国小模数齿轮行业自主创新能力和基础件保障能力提升。

参考文献

[1]石照耀，曲宏芬，张万年.小模数齿轮单面啮合测量仪的设计[J].北京工业大学学报，2011，37（04）：481-486.

[2]炊兵毅，张华，杨建军.小模数弧齿锥齿轮的切齿理论及铣齿试验研究[J].机械传动，2020，44（08）：171-176.

[3]刘燚.基于齿廓修形的小模数塑料齿轮的力学性能研究[D].南昌大学，2015.

[4]刘丹.小模数渐开线少齿差减速器设计及其传动特性研究[D].哈尔滨工业大学，2012.

[5]Prof. Dr.-Ing. Wiedas Spritzgießen den VerschleißbeiZahnrädernredu ziert[J]. MaschinenMarkt，2011，20：36-39

[6]康玉辉，李美美.逆向工程技术在小模数齿轮加工检测中的应用[J].机电工程，2020，37（11）：1372-1375.

[7]刘明佩，朱维斌，叶树亮.基于改进Zernike矩的小模数齿轮亚像素边缘检测[J].仪器仪表学报，2018，39（08）：259-267.