淺談齒輪制造業(yè)的問題以及發(fā)展趨勢(shì)

錢永輝　毛芳芳　張朝國(guó)

（阜陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

摘　要：齒輪是機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用極為廣泛的零件之一，涉及的制造業(yè)包括轎車齒輪業(yè)、摩托車齒輪業(yè)、機(jī)器人傳動(dòng)軸齒輪以及機(jī)床齒輪業(yè)，齒輪制造業(yè)從業(yè)人員約200萬(wàn)，齒輪總成產(chǎn)品年產(chǎn)值超過(guò)2800億元。本文簡(jiǎn)要陳述了國(guó)內(nèi)外齒輪行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了國(guó)內(nèi)齒輪發(fā)展的優(yōu)勢(shì)以及短板，結(jié)合當(dāng)前的工業(yè)技術(shù)預(yù)測(cè)了未來(lái)齒輪制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：齒輪；精度；趨勢(shì)

0　引言

《中國(guó)制造2025》中提出中國(guó)要成為世界制造強(qiáng)國(guó)，裝備制造業(yè)作為基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，對(duì)于各行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、技術(shù)進(jìn)步具有重要的保障作用，集中體現(xiàn)了國(guó)家綜合實(shí)力。中國(guó)要躋身世界裝備制造業(yè)強(qiáng)國(guó)必須高度重視齒輪等基礎(chǔ)零部件制造。齒輪是一種重要的傳動(dòng)零件，是機(jī)器或部件不可或缺的部分且不可取代，在機(jī)械傳動(dòng)中的運(yùn)用非常廣泛。盡管我國(guó)的齒輪制造業(yè)取得了不菲的成績(jī)，齒輪制造總量躍居世界前列，普通齒輪的質(zhì)量相當(dāng)可靠，但當(dāng)前，我國(guó)齒輪行業(yè)的發(fā)展遇到了瓶頸。主要表現(xiàn)在，生產(chǎn)設(shè)備配套不完善，企業(yè)的高精尖機(jī)床設(shè)備嚴(yán)重依賴進(jìn)口，在面對(duì)形勢(shì)的變化時(shí)，往往比較被動(dòng)，造成我國(guó)工業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力不足，高精尖產(chǎn)業(yè)掣肘于國(guó)外。筆者認(rèn)為我們應(yīng)該分析我們齒輪制造的薄弱環(huán)節(jié)，找出癥結(jié)所在，并且提出有效的解決方案。

1　現(xiàn)階段齒輪發(fā)展的情況以及趨勢(shì)

我國(guó)齒輪行業(yè)從2007-2014年一直處在高速發(fā)展時(shí)期，產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)逐年增長(zhǎng)，2015年雖稍微有小幅度下降，2015年至2020年間又再次進(jìn)入高速發(fā)展階段，呈現(xiàn)逐年穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì)，雖然期間全世界受疫情影響，但我國(guó)的齒輪制造仍然實(shí)現(xiàn)了7.7％的增長(zhǎng)，2020年的產(chǎn)值高達(dá)3000億元，穩(wěn)居世界齒輪產(chǎn)量，通用零部件的Z大市場(chǎng)，產(chǎn)值分布圖如圖1。

圖1  2007-2020年我國(guó)齒輪行業(yè)產(chǎn)值

目前，我國(guó)齒輪制造企業(yè)多，約5000多家齒輪制造企業(yè)，骨干企業(yè)不足10％，約300多家。按照齒輪檔次的劃分高檔和中低檔次，中低檔次占比75％，隨著我國(guó)總體的制造創(chuàng)新能力在逐年上升，低檔向中高檔轉(zhuǎn)變?cè)谥鹉昱噬?/p>

2　掣肘我國(guó)齒輪發(fā)展問題的幾個(gè)方面

2.1齒輪行業(yè)的研究和試驗(yàn)?zāi)芰Σ蛔?/p>

材料方面我國(guó)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后發(fā)達(dá)國(guó)家，材料的標(biāo)準(zhǔn)落后。我國(guó)齒輪材料有許多殘缺，含有大量的氧化物以及非金屬雜質(zhì)，且雜質(zhì)的分布不均勻，造成局部的應(yīng)力，后期對(duì)齒輪的性能會(huì)有很大影響，造成產(chǎn)品質(zhì)量殘缺，局部縮松、開裂。我國(guó)的熱處理技術(shù)目前比較落后，一般齒輪材料要經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理、滲碳、滲氮處理，對(duì)齒輪的硬度、韌性的提高相對(duì)有限。在鍛造、軋制、熱處理中雜質(zhì)容易造成開裂、變性、疏松等現(xiàn)象。我國(guó)齒輪行業(yè)的試驗(yàn)?zāi)芰Ρ∪?，多?shù)產(chǎn)品沒有經(jīng)過(guò)三方檢測(cè)、驗(yàn)證和評(píng)價(jià)，設(shè)計(jì)、制造及性能試驗(yàn)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)難以形成共享數(shù)據(jù)，對(duì)齒輪行業(yè)整體設(shè)計(jì)水平和創(chuàng)新能力的提高是一個(gè)掣肘因素。增加行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化投入，增加應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，提高貫標(biāo)率，以滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。

2.2國(guó)產(chǎn)齒輪機(jī)床以及專用夾具的精度相對(duì)不高

齒輪加工的步驟為齒坯加工→熱前制齒→熱后精加工3個(gè)階段。齒坯加工已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制機(jī)床，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已經(jīng)具備了高效率、高精度的要求。熱處理前的加工的機(jī)械設(shè)備主要運(yùn)用插齒機(jī)、滾齒機(jī)等，熱處理后的精加工設(shè)備主要是高精度研磨機(jī)，用以提高齒輪的表面粗糙度。目前，我國(guó)數(shù)控機(jī)床、插齒機(jī)、滾齒機(jī)和高精度研磨機(jī)等機(jī)械設(shè)備的精度方面較歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定差距，這個(gè)差距需要我們相關(guān)機(jī)械加工技術(shù)、基礎(chǔ)加工設(shè)備的提高以求逐步提高機(jī)械加工能力。中高端齒輪制造時(shí)對(duì)夾具的精度要求很高，夾具精度造成誤差會(huì)對(duì)齒輪的加工制造的誤差產(chǎn)生放大的效應(yīng)。粗加工一般要求達(dá)到粗糙度值Ra為0.01mm，半精加工Ra0.005mm，精度Ra0.002mm以內(nèi)。此類夾具包括各類高精度卡盤、滾齒夾具、磨齒夾具、珩齒夾具都屬于高端回轉(zhuǎn)類夾具。加工齒輪的夾具精度不夠，會(huì)造成加工誤差和夾具誤差的重復(fù)堆積。夾具精度不高會(huì)對(duì)齒輪加工切削穩(wěn)定性造成一定影響，進(jìn)而再次放大到齒輪上，致使齒輪精度不高。

2.3齒輪切削刀具耐磨性、切削性能低

目前我國(guó)的基礎(chǔ)工業(yè)起步相對(duì)較晚，在齒輪加工的刀具還落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。“工欲善其事必先?其器”，要加工出質(zhì)量可靠的齒輪，齒輪刀具顯得尤為重要。刀具的綜合切削的精度、耐磨性、耐熱性，抗震性都要達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。待齒輪完成相應(yīng)的半徑加工后，對(duì)齒輪進(jìn)行熱處理完畢后，要進(jìn)行精加工即對(duì)齒輪進(jìn)行磨削?工。隨著我國(guó)對(duì)材料的研究和發(fā)展，在刀具的制造方面，硬質(zhì)合金鋼已經(jīng)得到普遍的應(yīng)用，基本上取代了原先的高速鋼刀具，整體硬質(zhì)合金鋼刀具和可轉(zhuǎn)為刀具已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是硬質(zhì)合金鋼的成分和質(zhì)量上與國(guó)外同行業(yè)還有一定的差距。由于我國(guó)基礎(chǔ)工業(yè)的落后，許多高精度磨床還是依賴進(jìn)口，相應(yīng)的配套的磨削砂輪的配套無(wú)法跟國(guó)外的砂輪完成對(duì)接。雖然近年來(lái)我國(guó)的材料制造方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是磨削砂輪的制造方面還是能達(dá)到先進(jìn)水平。這主要表現(xiàn)我國(guó)的砂輪使用一段時(shí)間后，會(huì)脫落，進(jìn)而不能在一次精加工完成動(dòng)作，致使產(chǎn)品的磨削質(zhì)量和效率低下。

2.4行業(yè)協(xié)作方面缺乏統(tǒng)一的行業(yè)交流機(jī)制

我國(guó)在齒輪合作方面沒有達(dá)成一致的行業(yè)協(xié)同協(xié)作，行業(yè)交流合作不夠緊密，好的經(jīng)驗(yàn)不能及時(shí)分享，錯(cuò)誤的經(jīng)驗(yàn)不能有效避免，相互借鑒。經(jīng)驗(yàn)相互借鑒，引入第三方評(píng)估開展齒輪制造的先進(jìn)技術(shù)交流，積累先進(jìn)的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)數(shù)據(jù)。

3　齒輪制造問題擬解決方案

在發(fā)展的道路上，唯有創(chuàng)新才是出路。在齒輪的設(shè)計(jì)、加工、制造等方面都要?jiǎng)?chuàng)新。在設(shè)計(jì)方面加大與高校合作，利用高校的科學(xué)研究能力和高額的科研經(jīng)費(fèi)，整合優(yōu)勢(shì)資源，發(fā)展齒輪設(shè)計(jì)方面優(yōu)勢(shì)。在材料方面，與科研院所加大合作，開發(fā)尼龍、陶瓷等材料，開發(fā)綜合利用效率高的材料。在核心技術(shù)方面考慮，結(jié)合當(dāng)下先進(jìn)技術(shù)比如利用3D打印制造技術(shù)，結(jié)合CAD/CAM、CAE等技術(shù)進(jìn)行加工。在產(chǎn)品初步設(shè)計(jì)時(shí)，利用ADAMS優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、材料、性能等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行方針優(yōu)化，大幅度的縮減了設(shè)計(jì)成本，值得推廣使用。

4　齒輪加工制造未來(lái)努力方法及發(fā)展趨勢(shì)

目前形勢(shì)復(fù)雜多變，形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，我國(guó)被西方國(guó)家圍困堵截。我們的工業(yè)發(fā)展不能指望外國(guó)提供幫助，我國(guó)必須沖破帝國(guó)主義國(guó)家的禁錮，打破外國(guó)設(shè)置的技術(shù)壁壘，擼起袖子加油干，打破國(guó)外的技術(shù)壟斷。我們必須抓住未來(lái)齒輪制造的發(fā)展趨勢(shì)，順勢(shì)而為，發(fā)展我國(guó)在齒輪方面的技術(shù)和設(shè)備。我們要按照未來(lái)對(duì)齒輪的發(fā)展要求，把握發(fā)展趨勢(shì)方向。

結(jié)合數(shù)控機(jī)床逐步向功能集成化、工藝復(fù)合化演變發(fā)展方向，把數(shù)控機(jī)床與現(xiàn)代制技術(shù)緊密結(jié)合起來(lái)，齒輪加工向著以下幾個(gè)方面發(fā)展：

4.1高速度、高精度、高效率、高可靠性

效率是制造業(yè)對(duì)時(shí)間成本、技術(shù)成本控制的關(guān)鍵原因之一。隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床床體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，機(jī)床剛度提高，載荷負(fù)擔(dān)得到有效的均衡，車床的自熱、切削熱、摩擦熱等熱變形引起的加工誤差能得到有效的控制。機(jī)床的速度、精度、效率、可靠性得到穩(wěn)固的提高。

4.2依托國(guó)家政策著力發(fā)展齒輪制造技術(shù)

我國(guó)的社會(huì)主義的制度優(yōu)越性之一表現(xiàn)在可以集中力量辦大事，有了政策的引導(dǎo)，人財(cái)物力等陸續(xù)投入，可以在短期時(shí)期內(nèi)看到明顯的成效。根據(jù)我國(guó)可持續(xù)的發(fā)展理念，綠色制造、智能制造伴隨齒輪設(shè)計(jì)、制造的全過(guò)程，努力制造出高精度、高強(qiáng)度、低噪音的新型齒輪。

4.3結(jié)合新的技術(shù)開發(fā)新制造途徑

3D打印技術(shù)是新興的制造技術(shù)，有著獨(dú)特的制造優(yōu)勢(shì)。3D打印技術(shù)可以制造出零件形狀復(fù)雜的工件，這樣在設(shè)計(jì)加工方面，易成形，實(shí)現(xiàn)了齒輪的制造不再受機(jī)器、刀具、材料的限制。

在設(shè)計(jì)方面利用先進(jìn)的虛擬方針軟件ADAMS，可以通過(guò)模擬方針，分析齒輪的受力、振動(dòng)、噪音，進(jìn)行了無(wú)紙化運(yùn)作，提高了效率，為設(shè)計(jì)的可行性提供了依據(jù)。

4.4提高熱處理的能力

合理正確的熱處理工藝可以大幅度提高齒輪的剛性、韌性。在材料受限的情況下，熱處理無(wú)疑是增加齒輪性能的良好途徑之一。加大熱處理試驗(yàn)科技的投入，對(duì)滲氮、滲碳技術(shù)再研究，對(duì)金屬的相進(jìn)行顯微觀察，找出新的金屬或非金屬滲劑。

5　結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)的基礎(chǔ)工業(yè)起步晚，但是經(jīng)過(guò)幾代人的努力部分已經(jīng)迎頭趕上一些發(fā)達(dá)國(guó)家，但是齒輪這個(gè)普遍的基礎(chǔ)零件在高端領(lǐng)域還是處在弱項(xiàng)，需要我們?cè)俳?jīng)過(guò)幾年或者數(shù)十年的努力才可以。盡管以美國(guó)為首的西方國(guó)家對(duì)我們進(jìn)行經(jīng)濟(jì)打壓，技術(shù)壟斷，但是勤勞智慧的中國(guó)人民靠自己一定可以解決這個(gè)技術(shù)弱項(xiàng)。

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來(lái)源：《內(nèi)燃機(jī)與配件》2021(10)

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