适合于中国国情的等高齿锥齿轮制造技术
河南科技大学机电工程学院 邓效忠
目前汽车驱动桥螺旋锥齿轮主要采用两种齿制：圆弧渐缩齿和延伸外摆线等高齿。随着铣齿加工技术的不断提高，螺旋锥齿轮的切齿技术也经历了从五刀法到两刀法，从湿切到干切，从铣齿、研齿、磨齿的发展过程，本文简要介绍渐缩齿锥齿轮和等高齿锥齿轮的特点、国内外两种齿制的应用现状，分析等高齿制造技术在中国的应用前景。
一、 延伸外摆线等高齿锥齿轮的特点
1. 延伸外摆线等高齿锥齿轮（以下简称等高齿）相对于渐缩齿弧齿锥齿轮（以下简称渐缩齿）在以下方面有不同之处：
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齿形特征
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加工
方法
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设备数量
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加工效率
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强度
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噪声
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能否磨齿
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渐缩齿
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从齿的大端到小端齿高是逐渐收缩的，面锥角、根锥角、节角锥不等，齿线为圆弧
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五刀法，五台机床
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5
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使用机床多，工序多，调机时间长，效率相对低
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较低
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较高
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可以磨齿
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等高齿
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从齿的大端到小端齿高相等，面锥角、节锥角、根锥角相等。齿线为延伸外摆线
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两刀法，
大小轮各在一台机床上粗精加工 |
2
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连续滚切加工，效率高
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较高
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较低
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不能磨齿
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綦江齿轮有限公司运用美国格里森公司CAGE4 Win软件对三组具有代表性的斯太尔系列桥齿轮分别采用等高齿和渐缩齿设计所得出的噪声、接触强度结论是：
a、 等高齿齿轮的噪声比渐缩齿齿轮低，降噪效果明显。
b、 等高齿设计的齿轮接触强度比渐缩齿设计提高10%左右。
2．渐缩齿与等高齿加工特点比较：
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优点
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缺点
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渐缩齿
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1、粗精切分开，精切刀具耐用度提高
2、齿面粗糙度好 3、接触区在小轮的两面分别修正，互不影响 |
1、机床、刀具品种多，不利于管理
2、一套齿轮需装卸五次，劳动强度大 3、国外某公司做过干切试验，每对齿轮累积生产时间为10～15分钟，加工效率提高幅度不大 |
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等高齿
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1、由于采用连续分度法（即端面滚切法），只需2台机床，大轮和小轮分别采用一把刀具完成切齿加工，生产效率高，干式切削每对齿轮的时间不超过10分钟
2、一套齿轮只需装卸一次，加工效率高，劳动强度低 3、由于啮合轨迹与切齿刀纹呈一定的角度，噪声和平稳性好 |
1、粗精切一次完成，齿面粗糙度不如渐缩齿好
2、由于凹面、凸面同时加工，两面接触区的调整和修正互相影响的，因而接触区的调整和修正不如渐缩齿方便 3、刀具平均刃磨周期短，刀具成本高
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3．关于磨齿与研齿问题：
a．等高齿虽然不能磨齿，但自1995年开始，奥利康公司已成功发明了研齿技术，这种技术没有破坏淬火硬化表层，齿面共轭性好，噪声低，且价格低廉，进而大大地解决了汽车后桥齿轮噪声问题。
b．磨齿技术面临的问题：在日本这样发达的国家，整个汽车齿轮行业拥有的弧齿锥齿轮磨齿机总共才几台，汽车用弧齿锥齿轮根本不磨齿，原因是：从产品性能上讲，磨齿加工磨掉了齿轮热处理后齿面硬化质量最好的一层，正是这一层硬壳决定了齿轮的使用寿命。从降噪方面看，研齿的噪声比磨齿的噪声还要低3dB左右。
c．研齿效率高。研磨一对齿轮只需3~5分钟，磨齿至少需30分钟以上，因此有人说磨齿工艺是一种既贵又浪费的工艺。从目前的情况看，磨齿适用于高转速、高精度的航空齿轮和高精度的工业齿轮，而汽车行业则不必采用此工艺。研齿效率高，又适合大批量生产，生产成本低，因而等高齿不能磨齿的问题对汽车齿轮来说不是缺陷。
二、 等高齿在国外的应用现状
等高齿与渐缩齿相比有强度高、噪声低、加工效率高、工人劳动强度低等诸多优点，因此在发达国家已普遍得到应用。国外已基本淘汰五刀法加工渐缩齿的工艺，纷纷改用两刀法加工等高齿锥齿轮，如：德国大众公司原来使用的几十条五刀法生产线现已全部改为两刀法加工等高齿；美国车桥公司在2007年就全部淘汰渐缩齿采用等高齿，美国克莱斯勒公司目前已全部采用等高齿。美国最大的车桥生产企业洛克威尔公司在新建的工厂也全部采用等高齿；许多世界知名的大公司如通用、福特以及丰田、本田都开始转向等高齿加工。美国是渐缩齿弧齿轮的发源地，但目前在美国汽车齿轮行业已经见不到其踪影。
三、国内等高齿的生产现状
我国从七十年代开始就采用等高齿加工技术，主要用于加工乘用车的驱动桥主被动齿轮，也有少量应用于工业齿轮。但当时限于经济发展水平，只有少数工厂拥有为数不多的几台奥利康设备，产品也较单一，当时奥利康机床的精度不高，但技术复杂程度很高，所以等高齿锥齿轮的生产在中国没有形成规模。中美建交以后，美国解除格里森设备对中国的出口禁令，格里森设备（包括二手设备）大量进入中国，形成了国内汽车驱动桥螺旋锥齿轮普遍采用渐缩齿的局面。近年来随着我国汽车工业大量引进欧洲先进技术和制造装备，奥利康设备进口逐渐增多，同时由于格里森凤凰Ⅱ代也能够加工等高齿，我国一些骨干企业开始对等高齿的优良性能进行尝试和研究，等高齿的优越性在中国逐渐被人们所认识。目前，一汽、株齿等已拥有等高齿生产线，成批供应等高齿产品，同时一些知名民营企业如青特、广东富华等纷纷上马凤凰Ⅱ代和奥利康C系列等高齿生产线，而一些规模较小的企业也纷纷引进奥利康老式SKM机械系列等高齿机床和S30、S35等二手设备，准备上马等高齿项目。等高齿产品替代渐缩齿已成为多数企业家的共识和企业技术改造最求的目标。
四、等高齿制造技术在国内的发展前景和需要注意的问题
目前国内加工等高齿的机床主要是奥利康公司的六轴联动数控铣齿机，例如C20、C28、C50等系列产品，同时格里森公司也推出了凤凰Ⅱ代全数控六轴联动铣齿机，能胜任于等高齿加工。但存在的问题前面已经提到：由于等高齿加工采用一把刀具完成切齿加工，不像五刀法那样采用粗、精分开工艺，所以对刀具寿命提出了苛刻的要求。受国内齿坯材质不均匀和等温正火硬度不稳定的影响，刀具刃磨周期很短。刀具磨损后虽然能切齿但齿面的粗糙度已达不到设计要求，需重新磨刀、装刀、调刀。由于磨刀、换刀效率很低，所以一台铣齿机需要一台昂贵的磨刀机和装刀机与其配套，导致齿轮的制造成本随之提高，出现目前等高齿“好供货、不赚钱”的尴尬局面。对于生产厂家来说，要进口大量的六轴铣齿机和磨刀机、调刀机是不现实的，由于设备数量少，刀具磨损快，目前在中国等高齿锥齿轮还没有形成大批量生产的规模。
如何基于现有的进口设备多产出，这是摆在国内齿轮同行面前的一道难题。全部采用进口齿轮材料延长刀具的刃磨周期目前在中国是不可能的，因为在国内生产的齿轮大幅度上调价格不能被车桥制造企业所接受。为此，河南科技大学、洛阳科大越格数控机床有限公司与株洲齿轮有限公司达成共识，提出了等高齿加工粗、精分开的制造方案，其基本框架是在现有的两刀法生产线上增加粗切机改为四刀法加工：
或
由于粗、精加工分开，精加工的刀具磨损大大减小，磨刀、调刀的时间和劳动强度倍减，粗切对齿面质量无特别要求、刃磨一次切齿件数大大增加，困扰企业磨刀、调刀的瓶颈问题迎刃而解。国产等高齿粗加工设备价格低廉，可以完全满足粗加工的要求，也不需要增加磨刀机和调刀机就能满足生产需要。
综上所述，等高齿锥齿轮具有啮合性能优良、制齿效率高的优点，进口国外的等高齿加工设备是必要的，但不可照搬国外的工艺采用两刀法加工。投入少量的资金购买国产等高齿粗加工设备与国外进口的精加工设备配套使用，可达到基本不增加投资、产量翻番的目标，是一条非常适合中国国情的等高齿生产线升级改造方案。