齿轮加工与润滑技术的新发展

作者：张洪灿 潘云飞

欢迎访问e展厅 展厅 4 齿轮加工机床/刨床展厅 铣齿机, 龙门刨, 滚齿机, 剃齿机, 插齿机, ... 众所周知，齿轮传动是近代机器中最常见的一种机械传动，是机械产品的重要基础零部件。它与其他机械传动形式(链传动、带传动、液压传动等)传动相比，具有功率范围大、传动效率高、传动准确、使用寿命长等特点。因此，它已成为许多机械产品不可缺少的传动部件，也是机器中所占比重最大的传动形式。 齿轮的设计与制造水平将直接影响到机械产品的性能和质量，例如，在现代蓬勃的汽车工业中，通常每辆汽车中有18~30个齿部，齿轮的质量直接影响汽车的噪声、平稳性及使用寿命。齿轮的加工技术和设备通常极大的影响了工业领域中所能达到的最高制造水平，现代工业发达的先进国家如美国、德国和日本等也是齿轮加工技术和设备的制造强国。因此，齿轮在工业发展中的地位一直比较突出，被公认为是工业化的一种象征。从这个角度来看，关注齿轮的先进加工技术和发展趋势具有极其重要意义。 齿轮加工技术的新发展 一般来说， 齿轮制造工艺过程包括材料制备、 齿坯加工、 切齿、 齿面热处理和齿面精加工等五个阶段。齿形加工和热处理后的精加工是齿轮制造的关键，也反映了齿轮制造的水平。而齿轮制造工艺的发展，很大程度上表现在精度等级与生产效率的提高两方面。目前世界各国主要从齿轮加工工艺和加工设备的发展两个方面来不断地提高齿轮的制造水平。 1）硬齿面滚齿技术 在传统方法中，齿轮的硬齿面的加工需要经过齿面的磨削加工，由于磨齿加工效率太低，加工成本过高，尤其对一些大直径，大模数的齿轮在加工上难度更大，因而从20世纪80年代起，国内外企业已逐渐采用硬齿面刮削作为淬硬齿轮(40～65HRC)的半精、精加工方法。 硬齿面滚齿技术也称刮削齿加工，这种工艺，是采用一种特殊的硬质合金滚刀，对渗碳淬火后齿面硬度为HRC58-62的齿轮齿面进行刮削，刮削精度可达到7级。这种方法可加工任意螺旋角、模数1～40mm的齿轮。普通精度(6～7级)硬齿面齿轮，一般采用“滚—热处理—刮削”工艺，粗、精加工在同一台滚齿机上即可完成;齿面粗糙度要求较高的齿轮，可在刮削后安排珩齿加工;对于高精度齿轮，则采用“滚—热处理—刮削—磨”工艺，用刮削作半精加工工序替代粗磨，切除齿轮的热处理变形，留下小而均匀的余量进行精磨，可以节约1/2～5/6的磨削工时，经济效益十分显著。对于大模数、大直径、大宽度的淬硬齿轮，因无相应的大型磨齿机，一般只能采用刮削加工。 硬齿面刮削最大的特点是生产效率要比磨齿高5-6倍，除此以外，可对热处理渗碳淬火齿轮过大的变形量进行磨齿前的修刮，不仅消除了齿轮的变形量，保证了齿轮在磨齿加工中的平稳，而且提高了磨削效率，保护了磨齿设备的精度。 采用硬齿面滚齿技术进行齿轮加工时，温度控制极为重要，因为过高的温度会使刀具磨损加快且易崩刀;因而需要通过金属加工液来冷却，同时冲走刀具和工件上的切削，提高刀具寿命和工件表面加工粗糙度。一般选用专用的油基切削液作为冷却润滑介质，如KR-C20，通过对粘度的适当控制和采用优异环保的极压抗磨剂来满足工艺中冷却、清洗和润滑等方面的要求。 2）干切削技术 干式切削加工即无润滑切削加工，是金属切削加工的发展趋势之一。该技术在上世纪80年代即开始研究，但一直受到机床、刀具材料的制约而发展缓慢，近十几年来随着机床设计技术、硬质合金刀具和表面涂层技术、新型陶瓷刀具、工艺理论研究的发展，干式切削在大幅度提升生产效率、明显改善表面质量的同时，也使生产成本有所下降。 高速干式切削是在无冷却、润滑油剂的作用下，采用很高的切削速度进行切削加工。高速干式切削必须选用适当的切削条件。首先，采用很高的切削速度，尽量缩短刀具与工件间的接触时间，再用压缩空气或其他类似的方法移去切屑，以控制工作区域的温度。实践证明，当切削参数设置正确时，切削产生的热量80%可被切屑带走。 高速干式切削法不仅使机床结构紧凑，而且极大地改善了加工环境和降低了加工费用。在齿轮加工中，为进一步延长刀具寿命、提高工件质量，可在齿轮干式切削过程中，每小时使用10～1000ml润滑油进行微量润滑。这种方法产生的切屑可以认为是干切屑，工件的精度、表面质量和内应力不受微量润滑油的负面影响，还可以用自动控制设备进行过程监测。 据资料[]显示，美国、日本、德国等发达国家采用干式切削的总成本是传统切削工艺的70%左右。据美国企业的统计，在集中冷却加工系统中，切削液占总成本的14%～16%，而刀具成本只占2%～4%。据测算，如果20%的切削加工采用干式加工，总的制造成本可降低1.6%。干切技术的优势还表现在零件表面质量的提高和几何精度的改善。国外资料表明，干切工艺的工件表面粗糙度值可以降低40%左右，除此之外，干式切削对于资源和环境的重要意义也是不言而喻的。德国在高速干式切削领域中处于领先地位，现有8%左右的企业采用干式切削，这预示着高速干式滚齿技术将是未来齿轮加工发展的一个方向。 可以预见，国内在滚齿、插齿、成型磨等加工领域采用干式切削技术将极具潜力，随着齿轮机床、齿轮材料、齿轮刀具、加工工艺的进步，替代传统工艺只是时间问题。 3） 齿轮的无屑加工 与滚齿、插齿、剃齿和磨齿等传统的齿轮齿形成形方式不同，齿轮的无屑加工方法是利用金属的塑性变形或粉末烧结使齿轮的齿形部分最终成形或提高齿面质量的。该方法可以分为工件在常温下进行加工的冷态成形和把工件加热到1000℃左右进行加工的热态成形两类。前者包括冷轧、冷锻等;后者包括热轧、精密模锻、粉末冶金等。 无屑加工齿轮可以使材料利用率从切削加工的40～50%提高到80～95%以上，生产率也可成倍增长。但因受模具强度的限制，目前一般只能加工模数较小的齿轮或其他带齿零件，同时对精度要求较高的齿轮，在用无屑加工成形后仍需要利用切削加工最后精整齿形。无屑加工齿轮需要采用专用的工艺装备，初始投资较大，只有在生产批量较大时(一般达万件以上)才能显著降低生产成本。 齿轮加工润滑技术的发展 现代切削加工润滑技术的发展始终是与加工设备、加工工艺的进步联系在一起的，为了适应新的设备与工艺要求，润滑介质也相应在不断进步。 传统的齿轮加工中，切削液在近几十年内一直占据主导地位。传统切削润滑工艺采用油基切削液和水基切削液进行刀具和工件的加工润滑、冷却，并起到排屑和防锈等作用。 近年来，由于环境和资源压力的增加，在切削领域出现了多种用于替代传统加工润滑工艺的新型绿色切削加工工艺，如无润滑干式切削技术、微量润滑技术、低温冷风切削技术等，促进了切削技术的进步，也对机床结构、刀具材料、润滑介质等提出了新的要求。 1）微量润滑技术 在高效干切削中，控制热量的传播和扩散是一个很大的难题，为此在干式切削中采用冷风(可达-100℃以下)、微量润滑、高速切削等技术手段以提高加工质量和降低损耗。 相比无润滑切削技术，微量润滑技术引入了冷却润滑介质，使得切削条件大大改善，应用领域也的更广阔。微量润滑技术(MQL)是在压缩气体中混入微量的润滑油，代替大量切削液对切削点实施冷却润滑。MQL是一种有效的绿色制造技术，切削液以高速液滴形式供给，增加了润滑介质的渗透性，提高了冷却润滑效果，改善了工件的表面加工质量。微量润滑技术融合了干式与传统湿式润滑技术的优点，将切削液的用量降低到极微量的程度，使用切削液的量仅为传统切削液用量的万分之一，从而大大降低了冷却液成本，而且最大程度低降低了切削液的环境和人体负担，避免了处理废液的难题，而且该技术系统简单、占地小，易于安装在各种类型的机床上，从而大大增强了实用性能。因此许多企业致力于开发并生产微量润滑系统，如德国Lubfix公司、德国福鸟(VOGEL)公司、意大利科诺润滑(Technosystems)公司、日本富士BC技研株式会社等。福特汽车公司已把微量润滑技术应用于汽车动力系统零件的加工;Grob公司作为设备制造商在缸体和变速箱的加工中使用了1个或2个通道的最小量润滑系统;Guehring公司指出，MQL不仅在经济上比一般的湿式加工有优越性，而且还 有助于切屑处理，该公司在整体硬质合金钻头上采用MQL取得了明显的效果。 2）低温微量润滑技术 微量润滑的冷却效果一般不理想，加工区域产生的高温引起了各种负面作用，如高温切屑影响操作人员安全、工件和刀具等受温度影响而降低加工精度等。出于对提高冷却能力的需求，促使低温微量润滑技术的得到发展。 低温微量润滑技术[]是将低温压缩气体(空气、氮气、二氧化碳等)与极微量的润滑油(10 ml/h~200 ml/h)混合汽化后，形成微米级的润滑介质液滴，喷射到加工区，对刀具和工件之间的加工部位进行润滑。该技术集低温气体冷却、介质润滑、高压喷射等特点为一体，具备优良的冷却能力和润滑能力，在钛合金、高温合金以及高硬度材料等难加工材料的高速加工中具有很大的发展空间。 齿轮加工润滑介质选择 目前齿轮加工润滑介质还以油基切削液为主，一些粗加工领域也使用水基切削液。 常见的齿轮加工方式有拉削、滚齿、插齿、剃齿、磨齿、珩齿等，适用于不同类别的齿轮切削加工。在齿轮加工中，切削力和切削温度是造成刀具磨损的主要因素，因此采用有效的润滑冷却技术，降低切削温度，改善切削摩擦状态，从而降低切削力，抑制刀具磨损，是进一步提高加工效率的主要技术途径。 在选择齿轮加工润滑介质方面，对于油基切削液而言，选择适宜的粘度、润滑性能至关重要，一般滚齿、插齿等加工选用粘度较高的油品，剃齿、磨齿等加工选用粘度较低的油品，可获得最佳的使用效果。此外，在产品的选择上还要考虑颜色、气味、油雾，以及是否含有钡等重金属元素等因素，选择对环境和人体安全的产品。 对于水基切削液而言，则要重点关注其稳定性、润滑性、防锈性、生物稳定性等指标，根据具体加工工况选择合适的水基切削液种类。此外，也要考虑产品的环保和安全性，产品中不能含有亚硝酸盐、有机酚类、重金属、二噁英等对人体有害的物质，从而保证现场操作工人的健康。 不论是油基还是水基金属加工介质，除了需要满足加工工艺的润滑冷却等要求之外，同时还要满足环保、安全等方面的要求，因此技术的不断进步尤为重要。南京科润工业介质有限公司始终坚持技术的不断创新进步，一贯注重产品的高品质和与人体、环境相适应的重要性，努力成为齿轮加工绿色润滑技术的领跑者。 结语 齿轮加工技术结合了材料科技、机械制造、数控技术、仿真模拟、润滑技术、检测技术等诸多领域的先进成果，随着新装备、新工艺、新技术的不断引进和自主开发，国内齿轮加工行业必将得到长足进步。 作为工业化时代的必经之路，发展齿轮加工技术，提高齿轮加工水平，对提高我国齿轮制造业国际市场竞争力具有重要意义。 参考文献： 李先广.当代先进制齿及制齿机床技术的发展趋势[J].制造技术与机床,2003,(2):10~12 廖绍华,李先广.面向绿色制造的滚齿机研究现状分析及发展趋势[J].制造技术与机床,2004,(11):47~50 付胡代，韩立强，杨威.高速干式切削在齿轮加工中的应用研究[J].制造业自动化,2010,32(6):37~39 戚宝运,何宁,李亮等.润滑油低温微量润滑技术及其作用机理研究[J].机械科学与技术,2010,29(6)：836~831(end)

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