齿轮加工技术的发展历程

齿轮技术的历史悠久，几乎与人类文明史同步。从19世纪末到20世纪30年代，相继出现了圆柱直齿、斜齿、锥齿、蜗轮、蜗杆等机械传动形式，齿轮制造由早期的以铸为主发展到采用滚齿、插齿、磨齿等生产方式，齿轮加工技术进入了工业化生产阶段，并逐渐发展与提高。

齿轮的加工方法很多，但主要的方法有滚齿、插齿、剃齿和磨齿。

1.滚齿

滚齿始于1897年，是目前应用最广的切齿方法。滚齿加工相当于一对交错轴斜齿圆柱齿轮的空间啮合，其滚刀是一个螺旋角很大且齿数极少的斜齿圆柱齿轮，实质上就是一个蜗杆。滚齿精度一般可达DIN4～7级，表面粗糙度可达Ra3.2～1.6μm。采用硬质合金滚刀，切削速度可达300～500m/min，切削效率比高速工具钢滚刀高2～3倍，采用陶瓷合金刀片的切削速度可高达2000m/min。由于滚齿加工的诸多优点，其成为了齿轮加工的主力，一些国家滚齿机拥有量约占齿轮机床的50%左右。目前滚齿的先进技术有：

1）多头滚刀滚齿，一般双头滚刀可提高效率约40%，三头滚刀可提高效率约50%。

2）硬齿面滚齿技术使硬度为350HBW左右的中硬齿面齿轮取代了软齿面齿轮。精加工可达到DIN6级精度。而且此技术作为大齿轮磨前预加工工序，可去掉淬火变形量，达到减少磨齿时间，降低成本的目的。

3）滚齿机数控化或普通滚齿机安装数显装置。20世纪80年代国外已制造了CNC机床，如日本东芝公司研制的HSC系列数控滚齿机，最大加工齿轮直径为3m，模数为40mm。我国郑州机械研究所根据数控原理，利用微机在机床上直接对环面蜗杆螺旋齿面进行曲线修形，近年来还开发了用数控系统取代机床机械传动系统等。

4）采用误差分离与误差补偿技术，通过控制机床主轴回转运动精度等手段来达到提高滚齿加工精度的目的。

对于模数较小的中小规格齿轮，由于高性能滚齿机的开发，加上刀具材料的改善，滚齿效率有了显著提高。采用多头滚刀，在大进给量条件下，可达到的切削速度为90m/s。如用超硬滚刀加工模数在3mm左右的调质钢齿轮，切削速度可达200m/s。提高插齿效率，要受到插齿机刀具往复运动机构的限制。采用刀具卸载，使用静压轴承、增强刀架与立柱刚性等新结构后，效率有了明显提高。

由于大型齿轮需要传递大的载荷，要求传动平稳等，因此一般将其制造成斜齿轮或人字齿轮，以滚齿加工方式为主。

2.插齿(www.xing528.com)

插齿是齿轮加工的重要方法之一，和滚齿加工原理相同，也是按展成原理进行工作的。插齿特别适用于加工内齿轮和多联齿轮，插齿速度最高可达1000～2500次/min冲程数，加工精度可达DIN5～6级。插齿机床占齿轮机床的20%～25%，最大可加工齿轮直径为15m。

由于插齿加工的特点，加工圆柱斜齿轮时需要设计专用的插齿刀或相应的插齿主轴螺旋导轨。因此，对于圆柱斜齿轮或人字齿轮应用插齿加工较少。

3.磨齿

磨齿是获得高精度、硬齿面齿轮最有效和可靠的加工方法。目前碟形砂轮和大平面砂轮磨齿精度可达DIN2级，但效率较低。蜗杆砂轮磨齿精度可达DIN3～4级，效率高，适用于磨削中、小模数齿轮。锥形砂轮磨齿精度可达DIN4～5级，适用于磨削大齿轮。如德国HOFLER公司磨齿机可磨齿轮直径为3.5m，模数为32mm。

由于硬齿面齿轮广泛应用，以及高速、高性能要求的齿轮日益增多，因此要求磨齿加工在效率和质量上都要提高。一般来说，展成法磨齿用得较普遍，而成形法磨齿则应用较少。MAAG磨齿法，虽然磨齿精度高，但效率低，不适合重磨削。而NILES与HOE-FLER公司生产的单砂轮磨齿机刚性好、精度可靠，适合于大进给量加工，效率高。近年来，为提高效率对磨制方法进行了不断改进，如减少磨削次数、压缩展成长度、缩短尾削冲程。为此，马格（MAAG）公司提出的“K—磨削法”与耐尔斯（NILES）公司提出的“双面磨削法”都有效地提高了实际磨削效率。目前对于成批磨削中、小模数齿轮，倾向于采用蜗杆砂轮磨齿机，其磨削效率很高。对于磨削大模数齿轮，除可应用能重磨削的单砂轮磨齿外，采用成形磨削方法，也是一种高效磨削的有效途径。

除传统的滚齿、插齿、剃齿、磨齿、研齿和珩齿等技术外，我国近年来还发展了淬硬齿轮的刮削加工、磨料流光整加工、电解珩磨和电火花研磨复合加工技术等。此外，还有一些新的工艺方法，如美国格利森公司研制的G-TRACNo765型轨道式切齿机，每小时能加工88个齿轮，比普通滚齿机提高效率3～4倍。双刀盘高效切齿工艺，切削速度可达137m/s，粗、精加工一个m=1.5mm、外径为24.43mm、齿宽为19mm的斜齿轮，只需6s，其效率提高5～10倍。美国密歇根工具公司的多刀头插齿，效率比普通插齿提高了5～10倍，汽车行业齿轮冷成形工艺，冷挤、热轧等少无切削工艺也不断获得新的发展。

对于低速重载齿轮，如轧钢机齿轮，由于采用硬齿面齿轮后，其齿面负荷系数增加而引起的整个齿轮装置系统的弹性变形变得突出了，所以有时也要对反映到齿面的弹性变形进行修正。这种对齿轮轮齿修形的技术是目前大功率、高速、重载齿轮制造的一个重要趋势。在齿轮制造技术方面，重点是进行硬齿面加工，尤其是大型硬齿面齿轮的切齿与热处理工艺的发展，如超硬切齿、滚内齿、成形磨齿、大模数齿轮珩齿、弹性砂轮抛光、轮齿修形，以及深层渗碳等新工艺正在生产上不断地试验与应用。

齿轮加工正朝着环保、高效、高精度及无屑加工方向发展。齿轮加工机床正朝着全数控、自动化、柔性化、综合化、绿色化、网络化以及安全、操作与调整方便的方向发展。数控齿轮加工机床成为其典型的发展方向。

中国齿轮行业“十二五”发展规划纲要指出：以齿轮为代表（包括轴承、液压件、气动元件、密封件和紧固件）的基础零部件不仅是我国装备制造业的基础性产业，也是国民经济建设各领域的重要基础。其产业关联度高、吸纳就业强和技术资金密集，是各类主机行业产生升级、技术进步的重要保障，是我国发展战略性新兴产业的重要支撑，是我国从制造大国向制造强国转变的标志性产业。2010年实现工业总产值946.35亿元，2011年中国齿轮的市场规模达到1233亿元，居全球第三位；2013年，齿轮行业总体销售额达到1780亿元，同比增长23%。齿轮行业已成为中国机械基础件中规模最大的行业。“十二五”期间年均增长率10%左右；国内市场占有率提高到85%；2015年全行业销售规模国内市场达到2200亿元，出口额达到300亿元。