1、干切技術在螺旋錐齒輪加工上的應用謝耀 張俊 王志 陳書 劉贛 張明1 株洲齒輪有限責任公司 湖南株洲 412000 2 中南大學 湖南長沙 4110003 重慶工學院 重慶 400050摘要：本文結合企業的實踐經驗，主要介紹干切技術（Power Cutting）在螺旋錐齒輪方面的應用，包括將干切技術應用在螺旋錐齒輪的干切切齒、小輪螺紋加工兩個方面關鍵詞：螺旋錐齒輪 干切 長期以來，螺旋錐齒輪的切齒一直使用“濕切”方法。隨著機床、刀具、材料的發展，尋求一種高效、高精度、節能、環保、低成本制造高性能螺旋錐齒輪的切齒方法是行業的一個夢想。上世紀80年代未期，美國格里森公司推出螺旋錐齒輪PowerCU

2、TTINGTM技術（干切技術）、UMCULTIMA TM 、Free Form技術 ，使得這一夢想成真，其中PowerCUTTINGTM、UMCULTIMA TM技術獲得2000年美國汽車工業最高的榮譽PACE大獎。自此以后，國外螺旋錐齒輪圍繞這一切齒技術進行了大規模的技改，使得該技術在國外得到了廣泛地應用。從上世紀90以來，國內也有企業進行過螺旋錐齒輪的干切切齒嘗試，但效果都不太理想。 2007年12月12日，株洲齒輪有限責任公司在美國格里森工廠預驗收新訂購的兩臺鳳凰600HC時，使用國產齒坯、美國刀具，干切齒數比為21/29、大端模數為10.173的螺旋錐齒輪，取得了刀具修磨后一次切齒超過

3、80套以上的理想結果。隨后，株齒公司在國內又進行多次的干切切齒試驗，產品大端模數從10.10813.25，齒數從1741，使用的齒形加工方法包括滾切法、成形法。到目前為止，株齒公司使用干切技術生產的產品已達數千套以上。 2008年8月，株洲齒輪有限責任公司成功將干切技術應用在螺旋錐齒輪切齒后，又研發了螺旋錐齒輪小輪螺紋熱后干切技術（熱后硬車螺紋）。一、 螺旋錐齒輪干切齒的優勢1、 干切的高效率優勢國外的相關資料顯示：干、濕切的切齒時間為1.5min/6min，即干切的切齒效率為濕切的4倍；當采用手動上下料時的綜合加工時間為3.0min/7.5min，即手動上下料時干切的切齒工序效率為濕切的2.

4、5倍；當干切應用在自動線上而濕切使用手工上下料時，綜合切齒時間為4.75min/6.75min，即干切的效率為濕切的1.4倍。下表為實際使用時，干濕切的生產效率對比數據齒數大端模數大輪濕切（端面銑削法）大輪干切（端面滾切法）效率比較粗切精切合計大輪粗精切齒濕切/干切Z=2910.173211940752”912”5.14.3倍Z=2810.357201838745854”4.94.3倍Z=3713.25249331352”2.4倍Z=4010.875228301101”2.7倍Z=4011.40228301400”2.1倍Z=3911.131228301525”1.9倍Z=3711.75722

5、8301154”2.5倍Z=4110.61228301453”2.0倍從上表可以看，干切的加工效率為濕切的25倍（表中僅一個數據未達到2倍），變化的范圍比較大。若濕切時采用滾切法，干切生產效率的優勢是非常明顯的；若濕切采用成形法，由于濕切時成形法本身的效率就比較高，干切的效率優勢則體現得不那么明顯；若能使用成形法的螺旋錐齒輪濕切時使用滾切法，則干切的生產效率將是濕切5倍以上。2、 干切的節能環保優勢螺旋錐齒輪濕切的電力消耗計算如下：大輪粗切：7.5Kw*(2024)min/60=2.53Kw.h大輪精切：7.5Kw*(819)min/60=12.375Kw.h小輪粗切：7.5Kw*(1224)

6、min/60=1.53Kw.h小輪兩面精切：7.5Kw*(1221)min/60*2=35.25Kw.h每套產品切齒工序，使用滾切法濕切的電力消耗為：(2.53)+2.375+3+5.25=13.12513.625Kw.h /套每套產品切齒工序，使用成形法濕切的電力消耗為：(2.53)+1+1.5+3=88.5Kw.h /套螺旋錐齒輪干切的電力消耗計算如下：使用滾切法干切，大、小輪粗精切的電力消耗為：20Kw*(7.869.2)min/60*2=5.246.13Kw.h /套使用成形法干切，大、小輪粗精切的電力消耗為：20Kw*(11.0115.42)min/60*2=7.3410.28Kw.

7、h /套從上述計算可以看出，都使用滾切法時，干切的電力消耗要比濕切低很多；若都使用成形法，從理論計算的角度上看，其電力消耗差別不大。由于干切不使用任何冷卻劑（油、液、氣），所以也不會對環境產生任何不良影響。3、 干切的低成本優勢從目前情況看，雖然實現螺旋錐齒輪干切齒存在有設備投資大、刀具首期投入大、國內在技術存在斷層等缺陷，但螺旋錐齒輪干切齒的低成本優勢還是能通過以下幾方面體現出來：a、 由于不需要使用切削液，這部分制造成本就沒有了，根據初步測算結果，僅切齒工序的油料消耗就可節省612元/套。若計入由于使用了切削液，從而必須增加的清洗、排污處理等附加費用，其成本優勢就明顯些。b、 單套產品的刀

8、具消耗低。國外的資料和經驗證明，干、濕切的單套產品刀具消耗成本為1.1/2.16，即單套產品干切的刀具消耗成本不到濕切的50%。株洲齒輪有限責任公司的使用經驗也證明了這一點。另外，干切刀條的可重磨次數一般是原濕切使用刀片的兩倍左右，這也會攤薄干切刀條的成本。c、 單套產品的電力消耗低。株洲齒輪有限責任公司做過詳細測算，雖然干切齒的電力需求容量比濕切要高，但由于其切齒效率非常高且工序短，其單套產品的電力消耗反而比濕切低。株洲齒輪有限責任公司對17/28、8/39兩種產品的電力消耗作過測算，同一產品其單套產品的干、濕切電力消耗為2.6元/3.69元，即干切比濕切節能30%。國際先進水平的干濕切電力

9、消耗達到過0.51KW.h/2KW.h，即干切的電能消耗僅為濕切的25%左右，節能效果更是達到了75%。可以預見的是，隨著技術水平的提高，國內使用干切技術的節能效果將會進一步提高。d、 較低的人工成本、較低的在制品資金占用成本。4、 干切的高性能優勢成本降低了、效率提高了，產品的質量會怎樣呢？由于干切時使用的機床傳動鏈非常簡單，刀具系統的精度非常高，所以其制造的產品精度也非常高。在同等條件下，使用端面滾切法加工的螺旋錐齒輪其加工精度一般都能達到AGMA 1213級（DIN或GB 5級左右），比國內傳統方法加工的產品要高出幾個精度等級。實際上，其使用壽命、噪聲等指標也要好于按傳統工藝方法加工的產

10、品。二、 國內螺旋錐齒輪干切技術的回顧自螺旋錐齒輪干切技術問世以來，國內同行就對此技術給予了高度關注，并進行過許多有益的嘗試。最早進行干切演示的是湖北車橋，在上世紀九十年代，湖北車橋向當時在場的許多專家、技術人員演示了在奧利康機床上進行螺旋錐齒輪干切時驚人的效率，讓許多人切身感受到了“削鐵如泥”的真實效果，遺憾的是除了進行干切演示外，并沒有進行批量生產。在機床展覽會上，也可以見到螺旋錐齒輪的干切。2007年4月的北京機床展覽會期間，格里森公司使用鳳凰275HC機床為江鈴底盤試切過螺旋錐齒輪，當時使用的是美國刀具、國產齒坯、大端端面模數約為6，試切的結果為刀具修磨后切削螺旋錐齒輪大輪24件，小輪

11、19件，效果不是十分理想。2008年以來，齒輪行業興起了一股干切熱潮，各種干切的消息層出不窮，有在非常簡易的國產機床上使用涂層高速鋼刀具進行干切的；也有在天津機床上使用涂層高速鋼刀具進行干切的；一汽底盤也在奧利康C系列機床上使用硬質合金涂層刀具進行過數次螺旋錐齒輪干切。株洲齒輪有限責任公司在引進的鳳凰600HC機床于2008年4月到位后，進行過許多次的干、濕切試驗，部分產品已進行了批量生產。三、 螺旋錐齒輪干切齒1、 已使用干切齒技術的螺旋錐齒輪產品參數及干切結果齒數大端模數重磨后平均每次切削產品數（件/次）生產效率（/件）備注Z=1710.35745.21017”小輪粗精切Z=2110.17

12、393.5752”Z=2910.173104745”大輪粗精切，刀具為硬質合金涂層刀條，產品使用了多種國產材料Z=2810.35737.5948”Z=3713.2542.51352”Z=4010.87537.21101”Z=4011.4046.671400”Z=3911.13115.331525”Z=3711.757661154”Z=4110.6117.331453”生產效率為門對門的時間 從上表可以看出，所加工的產品大端模數從10.10813.25，每次重磨后所生產的產品數量從15.33件104件，單件產品的生產時間從745”1525”，這些數據說明在試驗、生產的過程中存在不均衡性、不穩定性

13、。分析其原因為：在試驗、生產過程中除使用的機床沒有變化外，其它因素都進行了改變。因此，在重載螺旋錐齒輪干切齒時仍有下述因素對結果構成影響。2、 螺旋錐齒輪干切齒的影響因素除了選擇合適的機床、刀具、材料外，下述因素，都會對螺旋錐齒輪干切的效果產生直接影響，在實際使用過程中需引起注意和重視：a、 原材料中硫的含量、雜質含量；b、 原材料的低倍組織級別；c、 齒坯的硬度、顯微硬度及其均勻性、一致性；d、 齒坯的帶狀組織級別及粒度；e、 刀具的各切削角度；f、 刀具涂層；g、 切削參數及切削過程選擇；3、 螺旋錐齒輪干切齒刀具國產化使用高性能的刀具是實現螺旋錐齒輪干切齒的重要條件之一，也是國內螺旋錐齒

14、輪干切齒技術遲遲不能得到推廣的主要影響因素之一。行業普遍擔心若長期依賴進口刀具，會存在定貨周期長、價格高、關稅高、運費高等問題。為了解決這一問題，株洲齒輪有限責任公司從一開始就設想好如何較好地解決這問題，從刀具的選型、重磨、涂層等方面從項目一開始就考慮好了如何實現國產化。數控切齒機到位后，株洲齒輪有限責任公司隨即就干、濕切刀具國產化項目與株洲天威硬質合金工具有限責任公司開展合作，下表為國產刀具與美國刀具的使用結果對比情況。齒數大端模數重磨后平均每次切削產品數（件/次）生產效率(/件)刀具產地備注Z=3711.75762.331154”株洲天威大輪粗精切，刀具為硬質合金涂層刀條70美國 試驗的條

15、件為：在其它情況都不變的情況下，僅更改刀條的產地。具體的做法就是使用美國刀具裝一盤刀、使用國產刀具裝一盤刀。 從試驗的結果可以看出，在其它條件都完全一致的情況下，國產刀具的使用效果與進口刀具的使用結果沒有明顯的區別。四、 螺旋錐齒輪小輪螺紋熱后干切加工如下圖所示，由于螺旋錐齒輪的小輪在使用時需防止螺帽松脫，國內大多數產品在設計時都設計有十字（交叉）銷孔或多個銷孔、一個或兩個鎖緊槽，在加工螺紋的過程中，由于是斷續切削，這就給螺紋加工帶來了額外的困難，這也是熱后往往采取磨螺紋工藝的主要原因之一。螺旋錐齒輪中常用的小輪鎖緊螺紋有以下幾種結構形式： I型 多銷孔鎖緊結構 II型 交叉或十字銷孔鎖緊結構

16、 型 雙鎖緊槽結構 型 單鎖緊槽結構型 螺帽防松型按傳統的加工方法，螺旋錐齒輪小輪螺紋一般采用熱前銑螺紋、滾壓螺紋或車螺紋熱后修螺紋的工藝路線；另外一種工藝是熱后磨螺紋。這些工藝方法存在以下缺陷：1、 不論是銑（滾）螺紋、車螺紋還是熱后磨螺紋，都必須用到切削液，給環保帶來了一些影響。2、 若采取在熱前加工螺紋的工藝，在產品的轉運過程中，往往需加以保護，以減少磕碰，增加額外的成本，而且磕碰依然是不可避免的。3、 若采取熱后磨螺紋的工藝方法，存在制造成本高、設備投資高、換產也比較麻煩的問題。4、 若要布置生產線，不論是熱前銑（滾）螺紋、車螺紋還是熱后磨螺紋，都存在設備需求多，且往往出現不匹配的情況

17、。2008年，株洲齒輪有限責任公司在進行數控切齒機生產線布置時為了解決上述存在的問題，進行了多次工藝試驗，最后選擇了螺旋錐齒輪小輪熱處理后在數控車床上使用不重磨涂層硬質合金刀片車螺紋（干切）的工藝，取得了的成功，下表為試驗過程中的產品參數及試驗結果：被加工螺紋表面硬度（HRC）加工產品數量（件/刀尖）加工的產品數量（件/刀片）生產效率（秒/件）螺紋型式M36X1.5-6h2843HRC195388（未用完）45”51”II型M39X1.5-6h2843HRC168313745”51”II型M36X1.5-6h未檢320173345”51”I型 從上表可以看出，試驗過程中，在效率基本不變的情況下

18、，單個刀尖或刀片的加工數量有很大的差別，上兩組數據取得的效果能令人滿意，而第三組數據則有些差強人意。分析其原因為車螺紋前的工序未達到技術要求。從前兩組數據可以得出：在經過改進后，螺旋錐齒輪小輪螺紋采用熱后硬車的工藝是可行的，其生產效率、制造成本都是可以接受的。五、 結論隨著機床、刀具、材料、技術的發展與進步，可以預見，國內螺旋錐齒輪的干切技術將會得到廣泛的廣用，而且其使用效果也會越來越好。需說明的是，由于作者主要從事汽車驅動橋螺旋錐齒輪的設計、制造工作，文中很多觀點都是從汽車行業的角度出發考慮的，敬請注意。第一作者簡介: 謝耀東（1966-）,男，湖南株洲人,高級工程師,現任株洲齒輪有限責任公司技術中心副主任，主要從事螺旋錐齒輪技術與研究工作。通信地址:湖南省株洲市新華西路119號,電話【參考資料】1、Hermann J. Stadtfeld Advanced Bevel Gear Technology MRochester, New York 14692-2970: Gleason Corporation 20002、Hermann J. Stadtfeld Th