現階段精密傳動小模數齒輪、蝸輪、蝸桿、錐齒輪
設計與工藝技術及質量控制方法介紹
李煒斌
（中船重工重慶清平機械廠）
摘要：介紹了現階段精密傳動小模數齒輪設計工藝技術和質量控制的重要性，結合本企業實際情況對小模數齒輪最新設計制造技術基本情況和實際應用效果進行介紹，論述了小模數齒輪在齒輪行業中的重要意義。
關鍵詞：小模數齒輪；小模數齒輪標準；設計；工藝流程；特種工藝；標準化；工藝創新
Introductionofdesignorprocesstechnologyandqualitycontrolabouttheprecisiontransmissionsmallmodulegear、wormgear、worm、bevelgearatthepresentstage
LiWeiBin
（ChinaShipbuildingChongqingQingpingmachineryfactory）
Abstract：introductionoftheimportanceaboutprecisiontransmissionsmallmodulegeardesignorprocesstechnologyandthequalitycontrolatthepresentstage，combinedwiththeactualsituationofthefactory，introducedtosmallmodulegearlatestdesignandmanufacturingtechnologybasicsituationandtheapplicationeffects,discussestheimportantsignificanceaboutthesmallmodulegearingearindustry.
Keywords：smallmodulegear；standardofsmallmodulegear；methodofdesign；manufacturingprocess；specialprocess；standardization；technologyinnovation
近三年來隨著國內裝備制造業水平的快速發展和提高，各行業尤其是國防科研及裝備制造行業對小型精密傳動裝置產品有了很大程度需求，特別是精密傳動技術中小模數齒輪這一傳統領域產品的運用仍舊保持了較大比例增長幅度。2008年后針對國外制造水平而言，國內業界同行不論是產品設計理念、機床設備保障能力、制造工藝先進性方面、質量控制水平都在趕超和縮短與國外的差距，特別是通過傳統技術或者特殊工藝技術制造的小模數齒輪產品已經在技術難度上有所突破和提高，個別高端小模數齒輪精度指標也達到了國際標準同等要求。2008年前齒輪行業內小模數齒輪制造方法和保障措施在現階段也有了一定程度的變化、改進和提高，尤其是本企業在2008年后針對各種小模數齒輪產品設計和工藝技術的探索和研究工作有了一定程度的收獲，根據小模數齒輪產品設計和使用特點，結合本企業現階段實際應用技術和工藝保障手段下，針對小模數齒輪材料、小模數齒輪計量檢測、小模數齒輪設計工藝特點、熱處理控制技術的發展，在此進行簡要描述和介紹。
1、現有小模數齒輪標準介紹
小模數齒輪是齒輪分類中的一個定向性專業化的分支學科，到2011年為止是否對該專業分支作為一個特殊而單獨存在的齒輪專業類別進行設定區分，在我國齒輪工業標準化領域內目前還沒有明確界定和定論。小模數齒輪通常意義下是指法向模數m小于1以內的漸開線齒輪，目前現行國家標準《小模數漸開線圓柱齒輪基本齒廓和精度GB/T2362/63-1990》、《小模數錐齒輪、圓柱蝸桿蝸輪GB/T10224-10227-1988》等幾個專業性標準都對小模數漸開線圓柱齒輪、錐齒輪、蝸桿、蝸輪結構形式和精度都進行了詳細定義，截止2011年尚未有發布更新和作廢標準要求。最新齒輪標準《漸開線圓柱齒輪精度GB/T10095-2008》也針對性介紹了模數m》0.5齒輪范圍的定義，但是沒有描述m〈0.5齒輪范圍，這就造成了兩種標準的并行和交叉使用，針對這種情況結合本企業多年對齒輪標準的理解和應用效果，參考相關國外DIN和JIS齒輪標準，采用GB/T2362/63-1990標準為現階段可行和有效的方法。目前該類標準涵蓋了各行業精密傳動領域所需求的小模數齒輪：如直齒、斜齒、等高齒、端面齒、齒環、錐齒輪、蝸輪、蝸桿、齒條、齒弧、凸輪齒、異型結構齒輪等，該標準具體應用中也體現了小模數齒輪專業化的特點。
2、小模數齒輪設計指標
小模數齒輪設計要求中，齒輪精度為首要條件，以往對小模數齒輪產品認為只滿足齒部尺寸，強度和剛度可以不作為重要設計指標考慮，而目前產品在使用要求中對齒輪的扭轉剛度和材料熱處理指標都比以往有了很大程度的變化，不單純只看齒輪設計尺寸也要考慮齒輪裝配工藝性、使用強度、可靠性、維修性、安全性、環境適應性、噪音、溫升、壽命、傳動精度、回差精度等綜合要求，這些綜合指標就體現在零件材料設計選擇、結構的考慮、熱處理穩定性、設計工藝成本、制造合理性等多方面措施上。例如本企業制造的某微型小模數行星齒輪、平行軸齒輪和諧波柔輪剛輪產品在設計時對回差就提出了高標準要求，通過設計參數選擇、工藝保障和裝配保障條件下，柔輪（m0.25、Z200）設計回差要求〈4弧分，最好狀態達到了1弧分，滿足了該產品高精度使用要求。
3、小模數齒輪工藝流程設定
在小模數傳動齒輪常規工藝技術中，小模數齒輪由于其結構微小、設計參數精細、材料選用復雜、質量控制指標精密，設備制造難度大使許多中模數齒輪工藝不適應此種零件的制造技術。制造方法通常分為切削（干切、濕切）、少切削和無切削加工，結合企業多年的制造經驗，按照小模數產品制造特點，目前通用的切削制造技術有小模數滾齒、插齒、剃齒、磨齒、刨齒、研齒等保障手段。總結出通用的適合的工藝性流程為：材料準備→坯件工序（有色金屬需要多次成形）→預熱處理（根據材料及金屬切削特點進行）→精密坯制造工序→內外圓磨成形磨削工序（針對軸齒輪）→小模數滾齒加工/小模數插齒加工→除齒部毛刺（采取專用方法）→鉗銑工序鉆微形銷孔或M2-M5小螺紋孔攻絲→后熱處理氣體滲碳或氮化→表面處理（氧化、鍍鋅、銅、鉻等）→精密外圓磨削（針對軸齒輪）→質量控制檢測程序→交付。每個工序所需要的設備保障、材料選擇、前后熱處理方式、切削刀具夾具和質量檢測的控制方法應滿足零件的設計性要求。
4、小模數齒輪設備保障
小模數齒輪制造設備體現了精密微小型零件基本參數的設備保障能力要求,本企業制作m0.15-m0.8規格齒輪在小模數齒輪生產線上進行，體現了由于該類產品結構微小和制造精密產生的高質量要求，齒坯加工選用數控儀表車床或德國DMG或美國哈挺數控儀表車床，選用標準的切削參數，用專用機夾車削刀具加工精密坯件成型，保證齒坯外圓和端面基準精度，內孔按照工藝精度要求加工工藝基準孔成型，由于內孔大多在Φ1.5-Φ6mm左右，屬于微小型孔制造技術采用專用刀具加工。外圓磨床選用精度較高的高精度外圓磨床保證齒坯（特別是軸齒輪）外圓同軸度≤0.005和徑向跳動誤差≤0.005以內，有利于齒部加工的精度基準值保證。滾齒和插齒采用本企業高精度瑞士MICRON小模數滾齒、插齒機床生產線加工，保證滾齒和插齒后齒部精度。熱處理設備目前采用多用滲碳淬火爐、真空淬火爐、井式氮化爐等熱處理加工設備，可以進行調質、回火、時效、滲碳淬火、碳氮共滲、真空淬火、高中頻淬火、表面氣體氮化處理等多種工序，可以滿足小模數齒輪的熱處理品質要求。
5、小模數齒輪刀具設計和選用
鑒于小模數齒輪刀具在齒輪刀具制造行業中屬特種技術，“工欲善其事、必先利其器”，小模數齒輪刀具制造難度高的現狀也需要進一步研究和技術設備保障，目前小模數齒輪刀具進口依賴比重較大，國產品牌在刀具材料、熱處理技術、制造精度、耐用度上還有一定的差距，特別是刀具材料、熱處理、涂層技術需要根據近年來小模數零件設計材料和精度要求相匹配。目前本企業小模數零件從m0.2至m1均有定型的滾齒、插齒刀具，m0.2-m1加工精度可以達到GB/T2363中5-7級（DIN4-6級），通過實踐驗證通過對刀具前角的有效選用采取一刀或兩刀法加工可以保證滾插精度的解決，在m0.5至m1范圍可以代替采用磨齒技術同等效果。例如小模數齒輪使用的切頂滾刀和蝸輪滾刀在使用中就產生了一定的效果。
6、小模數齒輪質量控制手段
小模數齒輪質量檢測條件按照進口及國產儀器有齒輪檢測儀、萬能工具顯微鏡、齒形輪廓投影儀、測長儀、導程儀、齒輪綜合檢查儀、雙面及單面嚙合綜合檢查儀等，可以檢查各種幾何及齒部精度。基于小模數齒輪m≤0.8以內檢測手段有別于正常m》1齒輪檢測條件的齒輪精度檢測項目，采用常規投影測量技術無法對誤差進行綜合系統性分析，依賴齒輪測量儀檢測精度滿足0.2≤m≤0.8范圍對檢測設備而言又增加了計量設備成本投入和檢測技術難度。按照企業經驗對小模數齒輪檢測指標以重點控制雙面嚙和徑向綜合誤差Fi”和單面嚙和一齒徑向綜合誤差fi”指標可以客觀的反映齒輪綜合誤差指標，該指標對小模數零件滿足使用平穩性和調節嚙合間隙有一定的指導意義，同時結合萬能工具顯微鏡、測長儀、導程儀和齒部跨棒等檢測手段，可以有效檢測和控制小模數齒輪的齒部精度，對參數控制、誤差分析、質量改善提供有力的檢測依據。
7、小模數齒輪特種工藝介紹
小模數齒輪制造技術中按分類來說較為廣泛，目前由于裝備制造行業的多元化發展對零件設計提出了更高的要求，特別是近年來國防科學技術水平的提高在武器裝備領域中產生了大量的非常規特殊結構的小模數齒輪零件。按設計材料分有色或黑色金屬類，按結構分薄壁、薄片、臺階、環狀、弧狀、不對稱、細長軸、雙聯等形狀，按熱處理方式分為中硬齒調質、齒面淬火、局部淬火、局部防滲、局部滲碳、局部滲氮、高硬度滲氮等方式的改變，給制造技術增加了難度。例如通過冷加工和熱加工技術有機結合對小模數蝸輪蝸桿車磨技術探索、小模數錐齒輪工藝技術、諧波薄壁柔輪變形工藝試驗、熱處理滲氮變形試驗、環齒和弧齒工藝技術研究就取得了很好的效果。近年來本企業根據現階段小模數齒輪各種設計指標和結構特點進行了針對性的特種工藝制造技術研究和驗證，通過在材料、熱處理、刀具、夾具設計等綜合技術保障條件下取得了較好的效果，通過采用特種工藝模式滿足了了目前國內制造裝備業對各種小模數齒輪多元化的需求，促進了國內小模數齒輪工藝技術的提高。
8、小模數齒輪工藝技術標準化
小模數齒輪工藝技術標準化屬企業技術管理類工藝技術標準化范疇，但有別于通用齒輪工藝技術標準，制定小模數齒輪工藝技術標準文件可以規范企業現有產品制造水平和工藝保障能力，體現在制作小模數齒輪工藝技術文件的標準模板上。在實施中考慮了材料定額、工藝流程、工藝操作方法、通用工裝夾具使用、通用檢測量具使用等，這體現了企業開發產品過程中技術、周期和成本的優勢，通過加強小模數齒輪標準化管理工作對現有小模數制造技術進行規范和固化也滿足了質量和技術體系管理的“三化”要求，只有做好本企業制定、修訂、引進各類小模數齒輪工藝標準，提高通用化、系列化、模塊化的管理工作才能更好的發揮小模數齒輪設計和工藝水平。
9、持續不斷進行工藝創新
隨著小模數齒輪的種類多元化、設計理念的更新和改變、材料應用的變化性，結構設計的不確定性，在企業需要持續快速發展前提下，必須進行該類產品工藝創新和制造方法的探索，為了滿足現有技術保障條件實現產品質量和經濟效應，控制零件精度等級、減少廢品率、提高工序效率、進行技術革新、增加利潤值、申請工藝專利保護等，必須大膽進行工藝思路和工藝方法的創新，尋找和發揚適合本企業小模數產品的技術管理和工藝開發模式，只有在實踐中進行驗證才能提高小模數齒輪的制造保障能力，將企業經濟效益最大化。
10、結束語
隨著近三年乃至以后國內空間技術和航空、航天、航海等領域國防技術快速發展，裝備制造行業對各種精密傳動機械部件和儀表（例如航空或航空領域中所使用的各種儀表儀器等）需求越來越多，對小模數齒輪的精度和可靠性需求都提出了相應的品質要求，適應這種形勢來解決小模數齒輪產品的設計、提高工藝技術需要我們花大力氣去在實踐中探索。
參考文獻【1】“小模數齒輪加工”小模數齒輪加工1972年8月
【2】“齒輪手冊”機械工業出版社2001年第2版
作者簡介李煒斌（1971-），男，中船重工重慶清平機械廠技術中心從事技術管理和齒輪設計工藝技術研究