现阶段精密传动小模数齿轮、蜗轮、蜗杆、锥齿轮
设计与工艺技术及质量控制方法介绍
李炜斌
（中船重工重庆清平机械厂）
摘要：介绍了现阶段精密传动小模数齿轮设计工艺技术和质量控制的重要性，结合本企业实际情况对小模数齿轮最新设计制造技术基本情况和实际应用效果进行介绍，论述了小模数齿轮在齿轮行业中的重要意义。
关键词：小模数齿轮；小模数齿轮标准；设计；工艺流程；特种工艺；标准化；工艺创新
Introductionofdesignorprocesstechnologyandqualitycontrolabouttheprecisiontransmissionsmallmodulegear、wormgear、worm、bevelgearatthepresentstage
LiWeiBin
（ChinaShipbuildingChongqingQingpingmachineryfactory）
Abstract：introductionoftheimportanceaboutprecisiontransmissionsmallmodulegeardesignorprocesstechnologyandthequalitycontrolatthepresentstage，combinedwiththeactualsituationofthefactory，introducedtosmallmodulegearlatestdesignandmanufacturingtechnologybasicsituationandtheapplicationeffects,discussestheimportantsignificanceaboutthesmallmodulegearingearindustry.
Keywords：smallmodulegear；standardofsmallmodulegear；methodofdesign；manufacturingprocess；specialprocess；standardization；technologyinnovation
近三年来随着国内装备制造业水平的快速发展和提高，各行业尤其是国防科研及装备制造行业对小型精密传动装置产品有了很大程度需求，特别是精密传动技术中小模数齿轮这一传统领域产品的运用仍旧保持了较大比例增长幅度。2008年后针对国外制造水平而言，国内业界同行不论是产品设计理念、机床设备保障能力、制造工艺先进性方面、质量控制水平都在赶超和缩短与国外的差距，特别是通过传统技术或者特殊工艺技术制造的小模数齿轮产品已经在技术难度上有所突破和提高，个别高端小模数齿轮精度指标也达到了国际标准同等要求。2008年前齿轮行业内小模数齿轮制造方法和保障措施在现阶段也有了一定程度的变化、改进和提高，尤其是本企业在2008年后针对各种小模数齿轮产品设计和工艺技术的探索和研究工作有了一定程度的收获，根据小模数齿轮产品设计和使用特点，结合本企业现阶段实际应用技术和工艺保障手段下，针对小模数齿轮材料、小模数齿轮计量检测、小模数齿轮设计工艺特点、热处理控制技术的发展，在此进行简要描述和介绍。
1、现有小模数齿轮标准介绍
小模数齿轮是齿轮分类中的一个定向性专业化的分支学科，到2011年为止是否对该专业分支作为一个特殊而单独存在的齿轮专业类别进行设定区分，在我国齿轮工业标准化领域内目前还没有明确界定和定论。小模数齿轮通常意义下是指法向模数m小于1以内的渐开线齿轮，目前现行国家标准《小模数渐开线圆柱齿轮基本齿廓和精度GB/T2362/63-1990》、《小模数锥齿轮、圆柱蜗杆蜗轮GB/T10224-10227-1988》等几个专业性标准都对小模数渐开线圆柱齿轮、锥齿轮、蜗杆、蜗轮结构形式和精度都进行了详细定义，截止2011年尚未有发布更新和作废标准要求。最新齿轮标准《渐开线圆柱齿轮精度GB/T10095-2008》也针对性介绍了模数m》0.5齿轮范围的定义，但是没有描述m〈0.5齿轮范围，这就造成了两种标准的并行和交叉使用，针对这种情况结合本企业多年对齿轮标准的理解和应用效果，参考相关国外DIN和JIS齿轮标准，采用GB/T2362/63-1990标准为现阶段可行和有效的方法。目前该类标准涵盖了各行业精密传动领域所需求的小模数齿轮：如直齿、斜齿、等高齿、端面齿、齿环、锥齿轮、蜗轮、蜗杆、齿条、齿弧、凸轮齿、异型结构齿轮等，该标准具体应用中也体现了小模数齿轮专业化的特点。
2、小模数齿轮设计指标
小模数齿轮设计要求中，齿轮精度为首要条件，以往对小模数齿轮产品认为只满足齿部尺寸，强度和刚度可以不作为重要设计指标考虑，而目前产品在使用要求中对齿轮的扭转刚度和材料热处理指标都比以往有了很大程度的变化，不单纯只看齿轮设计尺寸也要考虑齿轮装配工艺性、使用强度、可靠性、维修性、安全性、环境适应性、噪音、温升、寿命、传动精度、回差精度等综合要求，这些综合指标就体现在零件材料设计选择、结构的考虑、热处理稳定性、设计工艺成本、制造合理性等多方面措施上。例如本企业制造的某微型小模数行星齿轮、平行轴齿轮和谐波柔轮刚轮产品在设计时对回差就提出了高标准要求，通过设计参数选择、工艺保障和装配保障条件下，柔轮（m0.25、Z200）设计回差要求〈4弧分，最好状态达到了1弧分，满足了该产品高精度使用要求。
3、小模数齿轮工艺流程设定
在小模数传动齿轮常规工艺技术中，小模数齿轮由于其结构微小、设计参数精细、材料选用复杂、质量控制指标精密，设备制造难度大使许多中模数齿轮工艺不适应此种零件的制造技术。制造方法通常分为切削（干切、湿切）、少切削和无切削加工，结合企业多年的制造经验，按照小模数产品制造特点，目前通用的切削制造技术有小模数滚齿、插齿、剃齿、磨齿、刨齿、研齿等保障手段。总结出通用的适合的工艺性流程为：材料准备→坯件工序（有色金属需要多次成形）→预热处理（根据材料及金属切削特点进行）→精密坯制造工序→内外圆磨成形磨削工序（针对轴齿轮）→小模数滚齿加工/小模数插齿加工→除齿部毛刺（采取专用方法）→钳铣工序钻微形销孔或M2-M5小螺纹孔攻丝→后热处理气体渗碳或氮化→表面处理（氧化、镀锌、铜、铬等）→精密外圆磨削（针对轴齿轮）→质量控制检测程序→交付。每个工序所需要的设备保障、材料选择、前后热处理方式、切削刀具夹具和质量检测的控制方法应满足零件的设计性要求。
4、小模数齿轮设备保障
小模数齿轮制造设备体现了精密微小型零件基本参数的设备保障能力要求,本企业制作m0.15-m0.8规格齿轮在小模数齿轮生产线上进行，体现了由于该类产品结构微小和制造精密产生的高质量要求，齿坯加工选用数控仪表车床或德国DMG或美国哈挺数控仪表车床，选用标准的切削参数，用专用机夹车削刀具加工精密坯件成型，保证齿坯外圆和端面基准精度，内孔按照工艺精度要求加工工艺基准孔成型，由于内孔大多在Φ1.5-Φ6mm左右，属于微小型孔制造技术采用专用刀具加工。外圆磨床选用精度较高的高精度外圆磨床保证齿坯（特别是轴齿轮）外圆同轴度≤0.005和径向跳动误差≤0.005以内，有利于齿部加工的精度基准值保证。滚齿和插齿采用本企业高精度瑞士MICRON小模数滚齿、插齿机床生产线加工，保证滚齿和插齿后齿部精度。热处理设备目前采用多用渗碳淬火炉、真空淬火炉、井式氮化炉等热处理加工设备，可以进行调质、回火、时效、渗碳淬火、碳氮共渗、真空淬火、高中频淬火、表面气体氮化处理等多种工序，可以满足小模数齿轮的热处理品质要求。
5、小模数齿轮刀具设计和选用
鉴于小模数齿轮刀具在齿轮刀具制造行业中属特种技术，“工欲善其事、必先利其器”，小模数齿轮刀具制造难度高的现状也需要进一步研究和技术设备保障，目前小模数齿轮刀具进口依赖比重较大，国产品牌在刀具材料、热处理技术、制造精度、耐用度上还有一定的差距，特别是刀具材料、热处理、涂层技术需要根据近年来小模数零件设计材料和精度要求相匹配。目前本企业小模数零件从m0.2至m1均有定型的滚齿、插齿刀具，m0.2-m1加工精度可以达到GB/T2363中5-7级（DIN4-6级），通过实践验证通过对刀具前角的有效选用采取一刀或两刀法加工可以保证滚插精度的解决，在m0.5至m1范围可以代替采用磨齿技术同等效果。例如小模数齿轮使用的切顶滚刀和蜗轮滚刀在使用中就产生了一定的效果。
6、小模数齿轮质量控制手段
小模数齿轮质量检测条件按照进口及国产仪器有齿轮检测仪、万能工具显微镜、齿形轮廓投影仪、测长仪、导程仪、齿轮综合检查仪、双面及单面啮合综合检查仪等，可以检查各种几何及齿部精度。基于小模数齿轮m≤0.8以内检测手段有别于正常m》1齿轮检测条件的齿轮精度检测项目，采用常规投影测量技术无法对误差进行综合系统性分析，依赖齿轮测量仪检测精度满足0.2≤m≤0.8范围对检测设备而言又增加了计量设备成本投入和检测技术难度。按照企业经验对小模数齿轮检测指标以重点控制双面啮和径向综合误差Fi”和单面啮和一齿径向综合误差fi”指标可以客观的反映齿轮综合误差指标，该指标对小模数零件满足使用平稳性和调节啮合间隙有一定的指导意义，同时结合万能工具显微镜、测长仪、导程仪和齿部跨棒等检测手段，可以有效检测和控制小模数齿轮的齿部精度，对参数控制、误差分析、质量改善提供有力的检测依据。
7、小模数齿轮特种工艺介绍
小模数齿轮制造技术中按分类来说较为广泛，目前由于装备制造行业的多元化发展对零件设计提出了更高的要求，特别是近年来国防科学技术水平的提高在武器装备领域中产生了大量的非常规特殊结构的小模数齿轮零件。按设计材料分有色或黑色金属类，按结构分薄壁、薄片、台阶、环状、弧状、不对称、细长轴、双联等形状，按热处理方式分为中硬齿调质、齿面淬火、局部淬火、局部防渗、局部渗碳、局部渗氮、高硬度渗氮等方式的改变，给制造技术增加了难度。例如通过冷加工和热加工技术有机结合对小模数蜗轮蜗杆车磨技术探索、小模数锥齿轮工艺技术、谐波薄壁柔轮变形工艺试验、热处理渗氮变形试验、环齿和弧齿工艺技术研究就取得了很好的效果。近年来本企业根据现阶段小模数齿轮各种设计指标和结构特点进行了针对性的特种工艺制造技术研究和验证，通过在材料、热处理、刀具、夹具设计等综合技术保障条件下取得了较好的效果，通过采用特种工艺模式满足了了目前国内制造装备业对各种小模数齿轮多元化的需求，促进了国内小模数齿轮工艺技术的提高。
8、小模数齿轮工艺技术标准化
小模数齿轮工艺技术标准化属企业技术管理类工艺技术标准化范畴，但有别于通用齿轮工艺技术标准，制定小模数齿轮工艺技术标准文件可以规范企业现有产品制造水平和工艺保障能力，体现在制作小模数齿轮工艺技术文件的标准模板上。在实施中考虑了材料定额、工艺流程、工艺操作方法、通用工装夹具使用、通用检测量具使用等，这体现了企业开发产品过程中技术、周期和成本的优势，通过加强小模数齿轮标准化管理工作对现有小模数制造技术进行规范和固化也满足了质量和技术体系管理的“三化”要求，只有做好本企业制定、修订、引进各类小模数齿轮工艺标准，提高通用化、系列化、模块化的管理工作才能更好的发挥小模数齿轮设计和工艺水平。
9、持续不断进行工艺创新
随着小模数齿轮的种类多元化、设计理念的更新和改变、材料应用的变化性，结构设计的不确定性，在企业需要持续快速发展前提下，必须进行该类产品工艺创新和制造方法的探索，为了满足现有技术保障条件实现产品质量和经济效应，控制零件精度等级、减少废品率、提高工序效率、进行技术革新、增加利润值、申请工艺专利保护等，必须大胆进行工艺思路和工艺方法的创新，寻找和发扬适合本企业小模数产品的技术管理和工艺开发模式，只有在实践中进行验证才能提高小模数齿轮的制造保障能力，将企业经济效益最大化。
10、结束语
随着近三年乃至以后国内空间技术和航空、航天、航海等领域国防技术快速发展，装备制造行业对各种精密传动机械部件和仪表（例如航空或航空领域中所使用的各种仪表仪器等）需求越来越多，对小模数齿轮的精度和可靠性需求都提出了相应的品质要求，适应这种形势来解决小模数齿轮产品的设计、提高工艺技术需要我们花大力气去在实践中探索。
参考文献【1】“小模数齿轮加工”小模数齿轮加工1972年8月
【2】“齿轮手册”机械工业出版社2001年第2版
作者简介李炜斌（1971-），男，中船重工重庆清平机械厂技术中心从事技术管理和齿轮设计工艺技术研究