錢永輝 毛芳芳 張朝國
（阜陽職業(yè)技術學院）
摘 要：齒輪是機械傳動中應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)、機器人傳動軸齒輪以及機床齒輪業(yè)，齒輪制造業(yè)從業(yè)人員約200萬，齒輪總成產品年產值超過2800億元。本文簡要陳述了國內外齒輪行業(yè)的發(fā)展現狀，分析了國內齒輪發(fā)展的優(yōu)勢以及短板，結合當前的工業(yè)技術預測了未來齒輪制造業(yè)的發(fā)展趨勢。
關鍵詞：齒輪；精度；趨勢
0 引言
《中國制造2025》中提出中國要成為世界制造強國，裝備制造業(yè)作為基礎性、戰(zhàn)略性產業(yè)，對于各行業(yè)產業(yè)升級、技術進步具有重要的保障作用，集中體現了國家綜合實力。中國要躋身世界裝備制造業(yè)強國必須高度重視齒輪等基礎零部件制造。齒輪是一種重要的傳動零件，是機器或部件不可或缺的部分且不可取代，在機械傳動中的運用非常廣泛。盡管我國的齒輪制造業(yè)取得了不菲的成績，齒輪制造總量躍居世界前列，普通齒輪的質量相當可靠，但當前，我國齒輪行業(yè)的發(fā)展遇到了瓶頸。主要表現在，生產設備配套不完善，企業(yè)的高精尖機床設備嚴重依賴進口，在面對形勢的變化時，往往比較被動，造成我國工業(yè)核心競爭力不足，高精尖產業(yè)掣肘于國外。筆者認為我們應該分析我們齒輪制造的薄弱環(huán)節(jié)，找出癥結所在，并且提出有效的解決方案。
1 現階段齒輪發(fā)展的情況以及趨勢
我國齒輪行業(yè)從2007-2014年一直處在高速發(fā)展時期，產量實現逐年增長，2015年雖稍微有小幅度下降，2015年至2020年間又再次進入高速發(fā)展階段，呈現逐年穩(wěn)定增長的趨勢，雖然期間全世界受疫情影響，但我國的齒輪制造仍然實現了7.7％的增長，2020年的產值高達3000億元，穩(wěn)居世界齒輪產量，通用零部件的Z大市場，產值分布圖如圖1。
圖1 2007-2020年我國齒輪行業(yè)產值
目前，我國齒輪制造企業(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％，隨著我國總體的制造創(chuàng)新能力在逐年上升，低檔向中高檔轉變在逐年攀升。
2 掣肘我國齒輪發(fā)展問題的幾個方面
2.1齒輪行業(yè)的研究和試驗能力不足
材料方面我國遠遠落后發(fā)達國家，材料的標準落后。我國齒輪材料有許多殘缺，含有大量的氧化物以及非金屬雜質，且雜質的分布不均勻，造成局部的應力，后期對齒輪的性能會有很大影響，造成產品質量殘缺，局部縮松、開裂。我國的熱處理技術目前比較落后，一般齒輪材料要經過調質處理、滲碳、滲氮處理，對齒輪的硬度、韌性的提高相對有限。在鍛造、軋制、熱處理中雜質容易造成開裂、變性、疏松等現象。我國齒輪行業(yè)的試驗能力薄弱，多數產品沒有經過三方檢測、驗證和評價，設計、制造及性能試驗等基礎數據難以形成共享數據，對齒輪行業(yè)整體設計水平和創(chuàng)新能力的提高是一個掣肘因素。增加行業(yè)標準化投入，增加應用標準，提高貫標率，以滿足產業(yè)發(fā)展的需要。
2.2國產齒輪機床以及專用夾具的精度相對不高
齒輪加工的步驟為齒坯加工→熱前制齒→熱后精加工3個階段。齒坯加工已經實現全數字化控制機床，經過多年的發(fā)展已經具備了高效率、高精度的要求。熱處理前的加工的機械設備主要運用插齒機、滾齒機等，熱處理后的精加工設備主要是高精度研磨機，用以提高齒輪的表面粗糙度。目前，我國數控機床、插齒機、滾齒機和高精度研磨機等機械設備的精度方面較歐美日等發(fā)達國家還有一定差距，這個差距需要我們相關機械加工技術、基礎加工設備的提高以求逐步提高機械加工能力。中高端齒輪制造時對夾具的精度要求很高，夾具精度造成誤差會對齒輪的加工制造的誤差產生放大的效應。粗加工一般要求達到粗糙度值Ra為0.01mm，半精加工Ra0.005mm，精度Ra0.002mm以內。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類夾具。加工齒輪的夾具精度不夠，會造成加工誤差和夾具誤差的重復堆積。夾具精度不高會對齒輪加工切削穩(wěn)定性造成一定影響，進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
目前我國的基礎工業(yè)起步相對較晚，在齒輪加工的刀具還落后于發(fā)達國家。“工欲善其事必先?其器”，要加工出質量可靠的齒輪，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，抗震性都要達到相應的標準。待齒輪完成相應的半徑加工后，對齒輪進行熱處理完畢后，要進行精加工即對齒輪進行磨削?工。隨著我國對材料的研究和發(fā)展，在刀具的制造方面，硬質合金鋼已經得到普遍的應用，基本上取代了原先的高速鋼刀具，整體硬質合金鋼刀具和可轉為刀具已經得到了廣泛的應用，但是硬質合金鋼的成分和質量上與國外同行業(yè)還有一定的差距。由于我國基礎工業(yè)的落后，許多高精度磨床還是依賴進口，相應的配套的磨削砂輪的配套無法跟國外的砂輪完成對接。雖然近年來我國的材料制造方面有了長足的進步，但是磨削砂輪的制造方面還是能達到先進水平。這主要表現我國的砂輪使用一段時間后，會脫落，進而不能在一次精加工完成動作，致使產品的磨削質量和效率低下。
2.4行業(yè)協作方面缺乏統(tǒng)一的行業(yè)交流機制
我國在齒輪合作方面沒有達成一致的行業(yè)協同協作，行業(yè)交流合作不夠緊密，好的經驗不能及時分享，錯誤的經驗不能有效避免，相互借鑒。經驗相互借鑒，引入第三方評估開展齒輪制造的先進技術交流，積累先進的設計、制造技術數據。
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。在齒輪的設計、加工、制造等方面都要創(chuàng)新。在設計方面加大與高校合作，利用高校的科學研究能力和高額的科研經費，整合優(yōu)勢資源，發(fā)展齒輪設計方面優(yōu)勢。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。在核心技術方面考慮，結合當下先進技術比如利用3D打印制造技術，結合CAD/CAM、CAE等技術進行加工。在產品初步設計時，利用ADAMS優(yōu)化設計軟件，對產品的結構、材料、性能等技術參數進行方針優(yōu)化，大幅度的縮減了設計成本，值得推廣使用。
4 齒輪加工制造未來努力方法及發(fā)展趨勢
目前形勢復雜多變，形勢日趨嚴峻，我國被西方國家圍困堵截。我們的工業(yè)發(fā)展不能指望外國提供幫助，我國必須沖破帝國主義國家的禁錮，打破外國設置的技術壁壘，擼起袖子加油干，打破國外的技術壟斷。我們必須抓住未來齒輪制造的發(fā)展趨勢，順勢而為，發(fā)展我國在齒輪方面的技術和設備。我們要按照未來對齒輪的發(fā)展要求，把握發(fā)展趨勢方向。
結合數控機床逐步向功能集成化、工藝復合化演變發(fā)展方向，把數控機床與現代制技術緊密結合起來，齒輪加工向著以下幾個方面發(fā)展：
4.1高速度、高精度、高效率、高可靠性
效率是制造業(yè)對時間成本、技術成本控制的關鍵原因之一。隨著計算機輔助技術的發(fā)展，機床床體結構設計的優(yōu)化，機床剛度提高，載荷負擔得到有效的均衡，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。機床的速度、精度、效率、可靠性得到穩(wěn)固的提高。
4.2依托國家政策著力發(fā)展齒輪制造技術
我國的社會主義的制度優(yōu)越性之一表現在可以集中力量辦大事，有了政策的引導，人財物力等陸續(xù)投入，可以在短期時期內看到明顯的成效。根據我國可持續(xù)的發(fā)展理念，綠色制造、智能制造伴隨齒輪設計、制造的全過程，努力制造出高精度、高強度、低噪音的新型齒輪。
4.3結合新的技術開發(fā)新制造途徑
3D打印技術是新興的制造技術，有著獨特的制造優(yōu)勢。3D打印技術可以制造出零件形狀復雜的工件，這樣在設計加工方面，易成形，實現了齒輪的制造不再受機器、刀具、材料的限制。
在設計方面利用先進的虛擬方針軟件ADAMS，可以通過模擬方針，分析齒輪的受力、振動、噪音，進行了無紙化運作，提高了效率，為設計的可行性提供了依據。
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，熱處理無疑是增加齒輪性能的良好途徑之一。加大熱處理試驗科技的投入，對滲氮、滲碳技術再研究，對金屬的相進行顯微觀察，找出新的金屬或非金屬滲劑。
5 結束語
我國的基礎工業(yè)起步晚，但是經過幾代人的努力部分已經迎頭趕上一些發(fā)達國家，但是齒輪這個普遍的基礎零件在高端領域還是處在弱項，需要我們再經過幾年或者數十年的努力才可以。盡管以美國為首的西方國家對我們進行經濟打壓，技術壟斷，但是勤勞智慧的中國人民靠自己一定可以解決這個技術弱項。
參考文獻：
[1]趙萍麗，張先鳴.摩托車滲碳齒輪鋼的新發(fā)展及工藝細節(jié)
[2]影響我國齒輪行業(yè)升級的幾個因素
[3]喬燕芳.齒輪制造技術創(chuàng)新及發(fā)展趨勢思考與建議
[4]周啟沖.齒輪技術的創(chuàng)新和發(fā)展趨勢
[5]李曉菊，王小丹，何澤雨.淺析齒輪行業(yè)的發(fā)展現狀、問題及趨勢
[6]毛美琴.淺析高精度齒輪的加工工藝分析
來源：《內燃機與配件》2021(10)
（版權歸原作者或機構所有）
