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外圆柱齿轮磨齿

磨齿作为齿轮精加工工艺已有多年历史。它从成形砂轮磨齿发展到双锥面砂轮磨齿，进而发展到了蜗杆砂轮磨齿。如今，大批量汽车齿轮的磨齿大多采用蜗杆砂轮磨齿。这种磨齿方式的好处在于生产效率高，有些厂家的机床齿轮磨削速度能达到 100 m/s，节拍可达 13～40 s/件；精度也高，可达到 DIN 4～7 级；成本相对较低；并且能够解决齿轮热处理变形较大的难题。

1.磨齿工艺传统难点

机床动态精度需保持稳定，尤其是在大批量生产以及长期 2、3 班倒作业的情况下，要将齿轮件精度稳定在 DIN 5～7 级；夹具精度要求较高，并且便于工件自动上下料；砂轮修整器精度要求高且耐用，能够快速使砂轮修整达到磨齿精度要求，砂轮修形时间要短；砂轮需具备自锐性好的特点，并且使用寿命长，每修整一次砂轮可加工较多件；线速度要高，可达 100 m/s，能满足超高速磨齿的砂轮制造的供货商较少。

2.磨齿工艺的新难点

汽车市场竞争需要，变速器噪声要求不断提高。齿轮磨齿存在未解决的扭曲变形问题，2007 年德国大众对齿轮磨齿工艺提出了新要求，即一齿三截面（齿形方向测三截面、齿向方向测三截面，在单一齿轮一侧齿面上共测 9 个点的坐标误差值）。过去仅要求一齿一截面（齿形方向测中间一个截面、齿向方向测中间一个截面，在单一齿轮一侧齿面上共测 5 个点的坐标误差值）。现在相当于要求齿轮一侧曲面上测的 9 个点的空间位置都要合格，且一个轮齿双侧曲面上的 18 个点的空间位置都要合格，这很难达到。国际上真正能满足此要求的磨齿机制造厂较少。

德国大众为达成此规定，首先向瑞士莱森豪威尔公司提出需求。该公司对磨齿机床控制软件以及砂轮修整器等进行了多次重新设计与试验，最终满足了大众的要求。在此之后，大众才出台了磨齿一齿三截面的要求，并且在后续的新产品设计中广泛予以应用。目前，为了更稳定地达到新要求，尤其是混合动力汽车、电动汽车用户不断提出的新要求，瑞士莱森豪威尔公司已经对磨齿机床控制软件的版本等进行了多次升级。

电动汽车发展后，可能会对汽车齿轮的制造精度提出更高要求，因此工程师要做好思想准备去应对。同时，作为变速器的设计者，必须考虑新设计的产品能否加工出来，以及提出的新要求需有相应技术文件支持等问题。

强力珩斜齿外圆柱齿轮

过去珩齿加工时，外珩轮主动旋转，齿轮工件会跟随珩轮转动并被加工，这种方式类似剃齿加工。在这种加工过程中，仅仅能够提高齿轮的表面粗糙度，而基本无法提高齿轮的精度。现在的强力珩齿加工中，珩磨轮与被加工件按一定速比进行强制转动。同时，采用内珩磨轮来珩磨外圆柱齿轮。这样做增大了齿轮啮合时的重合系数，也加大了磨削力，从而提高了加工效率，有些厂家的机床珩磨轮转速能够达到 2000r/min，节拍可以达到 20s/件。并且还可以在一定范围内将齿轮精度提高到 DIN4～7 级，如图 1 所示。

图1 内珩轮强力珩外圆柱齿轮

内圆柱斜齿齿圈的强力车齿加工

车齿加工，在国内被称作“插滚”加工以及“刮齿”加工。而在国外，它被称为“Power”，或者其他未明确提及的名称。近些年汽车自动变速器大量使用，这使得行星排里的薄壁高精度内齿圈件的加工量逐渐增多。过去仅靠插齿机插斜齿加工已无法满足生产需求（比如三菱 SD25 全数控插齿机加工节拍为 25min/件），因此车齿加工再次被推出，车齿加工既具备插齿的径向进给，也具备圆周进给。内齿圈车齿加工的节拍比插齿加工快得多，最快能达到 2.5 分钟每件，精度可以达到 DIN 6 至 8 级，表面粗糙度为 Rz3 毫米。它的刀具与插齿刀类似，这种车齿加工方式还能加工外圆柱齿轮，并且换产时间仅需 30 分钟。现在能够批量稳定进行车齿加工高精度薄壁内齿圈的机床厂家并不多，因此在订货时需要根据具体情况进行选择（见图 2）。

图2 强力车齿加工薄壁内圆柱斜齿齿圈

同时，对于这种薄壁内齿圈的加工，必须注意机床夹具的选择：要采用多瓣式液压夹具，4 瓣、6 瓣以及 8 瓣的夹具都无法满足夹紧精度要求，至少需要 16 瓣及以上，瓣数越多越好。采用多瓣式液压夹具的目的是让夹紧力能够均匀地夹持薄壁内齿圈，尽量避免产生夹持变形，确保加工后的工件没有弹性恢复变形，以保证加工质量不被破坏。

薄壁内圆柱斜齿齿圈的螺旋拉齿

现在，企业对于薄壁内齿圈件的需求量是非常大的。以前的加工工艺无法满足大量生产的需求。因此，一些主要从事自动变速器生产的企业逐渐采用用螺旋拉床加工斜齿内齿圈的方式。这种方式具有生产率高（可达节拍 60 s/件）以及调整方便的特点，并且这些特点越来越显示出优越性。这种加工方法的加工精度主要由齿轮螺旋拉刀的制造精度决定。如今，能够制造出高精度（DIN 8 级）薄壁内齿圈螺旋拉刀的厂商寥寥无几。正因如此，这种工艺的广泛应用受到了极大的限制。

齿轮、齿毂类零件的焊接

手动变速器和自动变速器中，有一些齿轮、齿毂类零件需要进行焊接。目前常用的焊接工艺有激光焊接和电子束焊接这两种。从它们的加工特点来分析，激光焊接适合用于薄壁零件，其优点是能够在常态下进行焊接；而缺点是会有热变形，焊缝比较浅，在大量生产中很难达到 4 毫米，并且零件的真实焊缝检查也不太方便。电子束焊接可用于关键件和安全件。其优点在于工艺极为稳定，焊缝既小又深，热变形极小，焊缝深且牢固可靠，焊缝质量便于检查，生产率较高，节拍可达 22 s/件。

包含抽真空时间的分摊；其缺点在于必须在真空度良好（5×10-4 Pa）的环境中进行焊接。

齿轮机床的验收标准

齿轮机床属于复杂的精密设备。对于这类机床的验收，关键并非在于静态精度的情况，而是在于动态精度能够稳定达到何种程度，也就是能否加工出良好的工件。一般工厂常用工序能力 Cp、Cpk 值来进行机床验收，而德国采用机床能力 Cm、Cmk 值进行验收，我认为这种方式对验收机床更为合理。工序能力涵盖人、机、料、法、环等方面的因素。这些因素中，只有“机”这一项与验证机床本身固有的加工精度有关，而其他因素与机床制造厂商并无紧密关系，而是与自身企业的管理、工艺设计、人员培训等相关。用这些无关的项去验收机床厂是不合理的。并且，其他项只有在生产了一段时间之后才能够逐步完善。现在有越来越多的企业会用机床能力 Cm、Cmk 值来验收机床。在投产并稳定生产之后，会定期做机床工序能力 Cp、Cpk 值。通过这样做，可以复查生产组织管理以及设备等方面出现的问题，并且加以改正。只有这样，才能够真正保证产品的质量。

表1 齿轮精加工机床能力验收标准数值及用户差异

强力珩磨淬硬内圆柱斜齿齿圈

过去无法加工淬硬后的大批量斜齿内齿圈件。因此，对于因热处理变形而降低的齿圈零件精度，只能一味提高热前加工精度。然而，热前加工精度即便再提高也很困难，这样会增加零件废品率，还会大大增加生产成本。目前电动车和混合动力车对变速器的噪声要求提升幅度较大，这就使得对内齿圈的精度也需要相应提升。正因如此，一些有实力的国外机床厂家正在进行强力珩磨淬硬内齿圈的珩磨机的设计与试制。我已经获取并了解到了一些相关信息，通过与一些厂家进行交流和考察，我认为目前无论是国内还是国外的厂家，都还没有成熟的珩磨机床产品能够在大量生产中得到应用。目前薄壁内圆柱斜齿齿圈的精度要稳定达到一些厂家产品图要求（大约 DIN 8 级）是很困难的。其难点在于珩磨轮尺寸较小，热后内齿圈较硬，珩轮精度保持的寿命低，加工成本很高。正因如此，这种机床迟迟未能在大量生产中出现，许多厂家只好将薄壁齿圈精度降到 DIN 9～10 级或以下。我们期待能制造出适应大量生产的这种薄壁内齿圈热后加工的机床，希望它能尽快制造出来，以满足未来汽车齿轮技术上的需求。

总结

以适应未来汽车产业的变化。