本人曾經(jīng)長期從事錐齒輪的制造工藝技術(shù)研究，本公眾號中有大量的相關(guān)文章可以了解，因此便不再詳細(xì)描述相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)。錐齒輪種類較多，一般可按軸交角、齒長曲線形式、加工形式以及齒高在齒長方向收縮形式等各個維度進(jìn)行區(qū)分。廣泛應(yīng)用于車輛、工程機(jī)械、減速機(jī)、手動工具以及特殊用途的軍事裝備中。本文不對一些特殊結(jié)構(gòu)或者特殊用途的如高減速比、軸交角非90度的錐齒輪及工藝進(jìn)行討論。
直齒錐齒輪一般應(yīng)用在車輛差速器中，以及一些機(jī)電設(shè)備中，用于改變傳動方向，或者起到差速作用。目前有兩種制造工藝，一種是機(jī)加工方法，另外一種是鍛造、粉末冶金、鑄造等成型法。機(jī)加工錐齒輪熱前工藝流程一般是毛坯鍛造、毛坯車削、刨齒或者拉齒。刨齒工藝優(yōu)點在于靈活性較高，且成本較低，適用于單件小批量修配，或者是樣件試制;格里森和克林貝格開發(fā)的拉齒工藝，采用圓盤刀具，可實現(xiàn)單面或者雙面加工，并且可以對齒面進(jìn)行修型，是高精度小批量直齒錐齒輪加工的重要方法。格里森公司推出了Coniflex Pro設(shè)計和制造系統(tǒng)，克林貝格推出了Hypoflex直齒錐齒輪設(shè)計和制造系統(tǒng)，將直齒錐齒輪制造工藝更加推進(jìn)一步。
汽車差速器直齒錐齒輪用于用量較大，且產(chǎn)品規(guī)格較為固定，齒形一般采用精鍛方法。精鍛工藝主要采用電火花加工的精確模具，模具的壽命管理和一致性管控非常關(guān)鍵。直齒錐齒輪精鍛工藝一般包括精密溫鍛和精密冷整形，其成形精度達(dá)DIN6-8級。鍛造毛坯一般為齒輪鋼20CrMnTi棒料。模具材料為H13電渣重熔熱鍛模具鋼，精加工后表面硬度為48-51HRC。
在模具材料選擇方面，根據(jù)工作溫度的不同，可以選擇高耐熱熱作模具鋼、 高溫合金鋼等高溫合金材料，這些材料能夠在高溫下保持較高的硬度和強(qiáng)度。其次，在模具鋼熱處理過程中，可以采用多次熱鐓拔鍛打預(yù)處理、多重回火和充分淬火來提高模具鋼鋼的硬度和韌性，從而提升模具的耐熱、耐久性。熱鍛模具的表面涂層也是提高模具壽命和性能的重要手段之一。通過在模具表面涂覆一層或多層特定材料，形成具有一定硬度梯度的基體結(jié)構(gòu)，可以有效改善模具的耐磨性、抗熱疲勞性、抗腐蝕性以及降低摩擦系數(shù)，從而顯著提高模具的使用壽命和工作效率。在設(shè)備工裝方面，可以改進(jìn)模具的冷卻系統(tǒng)，確保模具在使用過程中能夠均勻散熱，降低邊緣部分的熱負(fù)荷。總的來說，提升熱鍛模具壽命需要綜合考慮多個因素，包括材料、工藝、設(shè)備、設(shè)計以及維護(hù)等方面。通過合理的選擇和優(yōu)化，可以顯著提高模具的耐用性，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。
關(guān)于螺旋錐齒輪的加工工藝，目前常用的有兩種齒制。漸縮齒和等高齒，也分別齒高沿齒長方向從大端向小端收縮。在加工過程中刀片切削刃的軌跡相當(dāng)于假想產(chǎn)形輪的一個齒，形成的齒長曲線為圓弧。每加工一個齒，工件進(jìn)行分齒運(yùn)動，直到所有輪齒加工完成。常用的方法有“五刀法”：從動輪粗、精切采用兩道銑齒工序;主動輪兩側(cè)齒面需要分別粗切、精切凹面、精切凸面三道工序;“全工序法”：采用條形尖齒刀具，主、從動輪一次裝夾完成齒面加工。長幅外擺線錐齒輪一般為等高齒錐齒輪，在加工過程中工件連續(xù)分度，即刀盤轉(zhuǎn)動一組刀齒、工件轉(zhuǎn)動一齒。
究竟在什么場合選擇等高齒，什么場合選擇漸縮齒，個人以為，沒必要去過于糾結(jié)。需要結(jié)合實際公司的設(shè)備、產(chǎn)能、人員的熟練程度以及行業(yè)發(fā)展趨勢等進(jìn)行綜合考慮。大概十五年前，等高齒應(yīng)用尚未在國內(nèi)全面鋪開，還是以漸縮齒的五刀法和全工序法為主，等高齒的應(yīng)用主要集中于部分德系合資汽車公司中。后來隨著開放的不斷深入，尤其是德系奔馳、曼、斯堪尼亞重型卡車合資項目的不斷推進(jìn)，等高齒錐齒輪應(yīng)用范圍開始逐漸擴(kuò)大，又掀起了一股“等高齒替代”風(fēng)潮。不管怎么講，這兩種工藝都可以使產(chǎn)品達(dá)到所需要的使用強(qiáng)度、壽命以及整機(jī)噪音要求，因此，我們不能隨意否認(rèn)某種技術(shù)是落后還是更加先進(jìn)，只是兩種不同的實現(xiàn)路徑。
螺旋錐齒輪的設(shè)計、制造、檢測技術(shù)，刀具和加工參數(shù)的設(shè)定，是一個完整的技術(shù)閉環(huán)過程。在計算機(jī)出來之前，一般采用多次迭代計算的方法，才能得到相關(guān)的參數(shù)。且采用機(jī)械式機(jī)床加工時，刀具調(diào)整完全靠手工，需要手動調(diào)整各類參數(shù)，且搭配分齒掛輪、進(jìn)給掛輪、搖臺掛輪等，計算量大、調(diào)整復(fù)雜且誤差較大。當(dāng)時的一個錐齒輪銑齒機(jī)調(diào)整和產(chǎn)品換型，絕對是需要較高技術(shù)水平的老員工才能完成。
國際上比較知名的兩大錐齒輪銑齒設(shè)備制造商格里森和克林貝格，幾乎壟斷了錐齒輪的所有技術(shù)。其中，格里森公司開發(fā)了NO.26、NO.116、NO.609等多種型號的機(jī)械式銑齒機(jī)，克林貝格公司同時也開發(fā)了SKM2、SM3等設(shè)備，以及從前蘇聯(lián)引進(jìn)的5C280等，精度保持性高，其二手設(shè)備在90年代被各個國內(nèi)齒輪公司瘋搶。國內(nèi)以天津一機(jī)為代表，也先后仿制了YK2250、YK2280等，哈一工、漢江刀具等也具備了刀盤、刀條設(shè)計制造能力。以一汽、哈齒、北齒、綦齒為代表的國營齒輪廠，培養(yǎng)了大批技術(shù)人才，成為了國內(nèi)錐齒輪制造工藝開發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新的骨干力量。
后來隨著數(shù)控技術(shù)和軟件的進(jìn)步，相關(guān)齒面參數(shù)計算、設(shè)備調(diào)整參數(shù)計算以及齒面精確修型成為主要工作手段。2005年以來，格里森公司、克林貝格公司先后推出了GAGE軟件和KIMOS軟件，并搭載著各自的HC600銑齒機(jī)、C50銑齒機(jī)以及刀具磨削和安裝設(shè)備，并與M&M以及P系列齒輪檢測中心，形成了一個完整的錐齒輪工藝解決方案，且普遍實現(xiàn)了銑齒工序的干切工藝，減少了大量切削油的消耗，同時提升了作業(yè)環(huán)境。但其一次性設(shè)備采購成本較高，單組設(shè)備包括兩臺銑齒、一臺測量、一臺磨刀、一臺裝刀設(shè)備及相關(guān)配套的KIMOS或GAGE軟件，成本最少需要3000萬人民幣。
隨著2008年以后國內(nèi)重卡、輕卡、輕型車、客車及工程機(jī)械行業(yè)的大規(guī)模擴(kuò)張，相關(guān)進(jìn)口設(shè)備源源不斷被引入到國內(nèi)，形成了一波投資熱潮。截止到現(xiàn)在，隨著新能源電驅(qū)化在相關(guān)領(lǐng)域的不斷滲透，以及市場需求的萎縮，傳統(tǒng)的中低端錐齒輪市場供需矛盾已經(jīng)日益加劇，開工率嚴(yán)重不足，唯一寄希望的是非汽車行業(yè)以及出口國際市場。
國內(nèi)錐齒輪工藝技術(shù)方面，隨著對引進(jìn)技術(shù)的消化吸收，以及多學(xué)科融合的創(chuàng)新思路引導(dǎo)，我們陸續(xù)解決了相關(guān)理論設(shè)計、加工機(jī)床、刀具修磨及安裝、齒面精確修型等多項技術(shù)難題，結(jié)合國情開展了相關(guān)攻關(guān)，已經(jīng)完全解決了卡脖子的憂慮。以中大創(chuàng)遠(yuǎn)為代表的國產(chǎn)錐齒輪工藝裝備制造商，已經(jīng)將進(jìn)口設(shè)備的市場進(jìn)行了部分國產(chǎn)替代。
小模數(shù)錐齒輪工藝方面，隨著電動工具、園林設(shè)備的產(chǎn)能擴(kuò)張，需求持續(xù)存在并且向高端化發(fā)展。格里森及克林貝格均具有較為成熟的解決方案，如克林貝格C15、格里森100C等，搭配自動上下料機(jī)構(gòu)及倒角程序，可實現(xiàn)高速高效率生產(chǎn)，單件節(jié)拍可以控制在1分鐘以內(nèi)。國產(chǎn)設(shè)備以天津精誠、中山邁雷特為代表，也都能拿出相關(guān)的替代方案，但其可靠性和成熟性仍待驗證。
用左旋刀盤加工左旋齒輪時，切削厚度由小到大，稱為逆銑，采用逆銑，刀片磨損較快;用左旋刀盤加工右旋齒輪或用右旋刀盤加工左旋齒輪時，稱為順銑。實踐證明，當(dāng)夾緊力可靠時，采用順銑可提高加工工件的表面質(zhì)量，提高刀片的耐用度、使用壽命。
加工同一對齒輪可選用不同直徑的刀盤，刀盤直徑不同，加工出齒輪的特性不同，可用作圖判定應(yīng)選用合適直徑，并將其分為大直徑刀盤和小直徑刀盤。選用小直徑刀盤加工時表現(xiàn)的特征：接觸區(qū)敏感性低，在較大的錯位量或載荷下接觸區(qū)較穩(wěn)定;齒長曲率半徑小，輪齒強(qiáng)度好;只有用對角方向進(jìn)行研齒，對研齒有一定的局限性。
等高齒錐齒輪齒面接觸區(qū)空載時驅(qū)動側(cè)齒面應(yīng)在齒寬中點附近，加載后接觸區(qū)同時向均勻地兩端擴(kuò)展;倒車面接觸區(qū)應(yīng)控制在齒寬中點稍偏大端，加載后向小端移動的趨勢比向大端移動的趨勢快 。
選用大刀盤加工時表現(xiàn)的特征：隨刀盤直徑的增加 ，接觸區(qū)對V/H的敏感性增加;刀盤中心在被加工齒輪的大端之外，V/H移動對接觸區(qū)影響相互疊加;研齒性能好，可使研齒區(qū)域達(dá)到大小端的齒頂或齒根位置，以便適當(dāng)修正齒接接觸區(qū);空載時，接觸區(qū)應(yīng)控制在小端，加載后接觸區(qū)移向大端。
要加工一個錐齒輪，首先要確定三個方面就好了。刀具在空間有一個確定位置，第二，工件在空間有一個確定位置，第三，刀具與工件之間存在一個相對運(yùn)動的關(guān)系。就刀具來說，刀具的安裝角度，刀具的旋轉(zhuǎn)方向，刀頭本身的幾何參數(shù)，都是為了確定刀具在空間的位置。
就工件來說，工件的齒部參數(shù)，工件頂錐背錐以及安裝面尺寸，都是為工件在空間位置服務(wù)的。再一個，刀具安裝到機(jī)床上，有一個刀傾角或者刀轉(zhuǎn)角，還有刀具在展成時，初始搖臺角，終止搖臺角，也是為了確定刀具在空間的位置。工件在機(jī)床上的安裝位置，包括水平輪位，垂直輪位，床身位置，以及工裝尺寸，安裝距，這些都是確定工件在空間位置的。
刀具與工件之間的相互運(yùn)動關(guān)系，確定了所加工齒輪的齒形以及齒長曲線：如果刀具是平行于頂錐，所加工的為等高齒，如果刀具平面與頂錐面存在角度，所加工的為漸縮齒。切入法加工時，在整個切削過程中，刀具的位置除了齒深方向的進(jìn)給，沒有別的運(yùn)動。展成加工時，在切削過程中，除了刀具的齒深進(jìn)給，還有一個刀具中心繞著機(jī)床搖臺中心的搖臺進(jìn)給。
為了修正齒面接觸區(qū)，一般需要把小輪的局部進(jìn)行多切削一部分，具體切掉哪一部分，是用初始設(shè)計接觸區(qū)確定的。為了達(dá)到使小輪切削掉局部一部分材料的目的，需要增加一些附加運(yùn)動，一般包括螺旋運(yùn)動，使工件的轉(zhuǎn)動適當(dāng)快一些或者慢一些。
改變刀具齒形，可以改變齒面接觸區(qū)在齒高的具體位置，改變刀具鼓形量以及鼓形位置，可以改變接觸區(qū)的寬度和大小。螺旋運(yùn)動可以附加在刀具上，也可以附加在工件上。鼓形與修緣不是一回事，鼓形是針對齒面，修緣一般針對齒頂。改變展成時搖臺的起始與終止位置，以及展成角度，可以改變齒面接觸區(qū)在齒長方向的大小與寬度。
看調(diào)整卡刀具部分，可以分為三大塊，第一，與齒形有關(guān)的部分，第二，與齒長有關(guān)的部分，第三，與刀盤安裝及調(diào)整有關(guān)的部分。
與齒形有關(guān)的參數(shù)主要有切削刃壓力角，切削刃鼓形，齒根圓弧，齒頂修緣、齒頂寬度，齒頂圓弧，刀錯距。與齒長有關(guān)的，包括刀盤半徑，內(nèi)外刀半徑。與刀盤安裝和調(diào)整有關(guān)的，包括刀條伸出高度，刀條切削刃高度，刀條齒全高，齒頂高等。還有一部分，是與切削性能有關(guān)的，包括非切削刃相關(guān)參數(shù)，前角，后角，刃傾角，刀頂角等
關(guān)于刀具設(shè)計，需要避免幾個問題：保證已加工齒面不被另外一側(cè)刀刃所破壞;保證刀尖圓弧完整，不會被非切削刃所干涉;保證齒根圓弧完整，不出現(xiàn)齒底棱臺或者大的齒根挖根。關(guān)于磨刀，最主要的是兩個方面，保證刀條本身幾何尺寸及角度符合初始設(shè)計參數(shù);保證同組刀條之間的一致性。
行業(yè)內(nèi)有一個說法，即等高齒錐齒輪沒法進(jìn)行磨齒。這個說法也對也不對，一般概念上說的等高齒，指的就是齒長曲線為擺線的等高齒，由于其加工原理和漸縮齒并不一樣，所以，蝶形砂輪無法進(jìn)行連續(xù)分度，因而就沒法磨削。但是，對于齒長曲線為圓弧的等高齒，其原理即相當(dāng)于錐度的圓柱齒輪加工出來，采用砂輪是可以磨削的，只不過其采用的極少。