干切技术在螺旋锥齿轮加工上的应用
谢耀东 张俊杰 王志勇 陈书涵 刘赣华 张明德
1 株洲齿轮有限责任公司 湖南株洲 412000
2 中南大学 湖南长沙 411000
3 重庆工学院 重庆 400050
摘要：本文结合企业的实践经验，主要介绍干切技术（Power Cutting）在螺旋锥齿轮方面的应用，包括将干切技术应用在螺旋锥齿轮的干切切齿、小轮螺纹加工两个方面 关键词：螺旋锥齿轮 干切
1
1
2
2
2
3
长期以来，螺旋锥齿轮的切齿一直使用“湿切”方法。随着机床、刀具、材料的发展，寻求一种高效、高精度、节能、环保、低成本制造高性能螺旋锥齿轮的切齿方法是行业的一个梦想。上世纪80年代未期，
TM
美国格里森公司推出螺旋锥齿轮PowerCUTTING技术（干切技术）、
TMTM
UMCULTIMA 、Free Form技术 ，使得这一梦想成真，其中PowerCUTTING、
TM
UMCULTIMA 技术获得2000年美国汽车工业最高的荣誉——PACE大奖。自此以后，国外螺旋锥齿轮围绕这一切齿技术进行了大规模的技改，使得该技术在国外得到了广泛地应用。从上世纪90以来，国内也有企业进行过螺旋锥齿轮的干切切齿尝试，但效果都不太理想。
2007年12月12日，株洲齿轮有限责任公司在美国格里森工厂预验收新订购的两台凤凰600HC时，使用国产齿坯、美国刀具，干切齿数比为21/29、大端模数为10.173的螺旋锥齿轮，取得了刀具修磨后一次切齿超过80套以上的理想结果。随后，株齿公司在国内又进行多次的干切切齿试验，产品大端模数从10.108~13.25，齿数从17~41，使用的齿形加工方法包括滚切法、成形法。到目前为止，株齿公司使用干切技术生产的产品已达数千套以上。
2008年8月，株洲齿轮有限责任公司成功将干切技术应用在螺旋锥齿轮切齿后，又研发了螺旋锥齿轮小轮螺纹热后干切技术（热后硬车螺纹）。
一、 螺旋锥齿轮干切齿的优势 1、 干切的高效率优势
国外的相关资料显示：干、湿切的切齿时间为1.5min/6min，即干切的切齿效率为湿切的4倍；当采用手动上下料时的综合加工时间为3.0min/7.5min，即手动上下料时干切的切齿工序效率为湿切的2.5倍；当干切应用在自动线上而湿切使用手工上下料时，综合切齿时间为4.75min/6.75min，即干切的效率为湿切的1.4倍。
下表为实际使用时，干湿切的生产效率对比数据
齿数 大端模数 大轮湿切（端面铣削法） 粗切 精切 合计 大轮干切（端面滚切法） 大轮粗精切齿 效率比较 湿切/干切 Z=29 Z=28 Z=37 Z=40 Z=40 Z=39 Z=37 Z=41 10.173 10.357 13.25 10.875 11.40 11.131 11.757 10.61 21’ 20’ 24’ 22’ 22’ 22’ 22’ 22’ 19’ 18’ 9’ 8’ 8’ 8’ 8’ 8’ 40’ 38’ 33’ 30’ 30’ 30’ 30’ 30’ 7’52”~9’12” 7’45~8’54” 13’52” 11’01” 14’00” 15’25” 11’54” 14’53” 5.1~4.3倍 4.9~4.3倍 2.4倍 2.7倍 2.1倍 1.9倍 2.5倍 2.0倍 从上表可以看，干切的加工效率为湿切的2~5倍（表中仅一个数据未达到2倍），变化的范围比较大。若湿切时采用滚切法，干切生产效率的优势是非常明显的；若湿切采用成形法，由于湿切时成形法本身的效率就比较高，干切的效率优势则体现得不那么明显；若能使用成形法的螺旋锥齿轮湿切时使用滚切法，则干切的生产效率将是湿切5倍以上。
2、 干切的节能环保优势
螺旋锥齿轮湿切的电力消耗计算如下：
大轮粗切：7.5Kw*(20~24)min/60=2.5~3Kw.h 大轮精切：7.5Kw*(8~19)min/60=1~2.375Kw.h 小轮粗切：7.5Kw*(12~24)min/60=1.5~3Kw.h
小轮两面精切：7.5Kw*(12~21)min/60*2=3~5.25Kw.h
每套产品切齿工序，使用滚切法湿切的电力消耗为：(2.5~3)+2.375+3+5.25=13.125~13.625Kw.h /套
每套产品切齿工序，使用成形法湿切的电力消耗为：(2.5~3)+1+1.5+3=8~8.5Kw.h /套
螺旋锥齿轮干切的电力消耗计算如下：
使用滚切法干切，大、小轮粗精切的电力消耗为：20Kw*(7.86~9.2)min/60*2=5.24~6.13Kw.h /套
使用成形法干切，大、小轮粗精切的电力消耗为：20Kw*(11.01~15.42)min/60*2=7.34~10.28Kw.h /套
从上述计算可以看出，都使用滚切法时，干切的电力消耗要比湿切低很多；若都使用成形法，从理论计算的角度上看，其电力消耗差别不大。
由于干切不使用任何冷却剂（油、液、气），所以也不会对环境产生任何不良影响。
3、 干切的低成本优势
从目前情况看，虽然实现螺旋锥齿轮干切齿存在有设备投资大、刀具首期投入大、国内在技术存在断层等缺陷，但螺旋锥齿轮干切齿的低成本优势还是能通过以下几方面体现出来： a、 由于不需要使用切削液，这部分制造成本就没有了，根据初步测算
结果，仅切齿工序的油料消耗就可节省6~12元/套。若计入由于使用了切削液，从而必须增加的清洗、排污处理等附加费用，其成本优势就明显些。
b、 单套产品的刀具消耗低。国外的资料和经验证明，干、湿切的单套
产品刀具消耗成本为1.1/2.16，即单套产品干切的刀具消耗成本不到湿切的50%。株洲齿轮有限责任公司的使用经验也证明了这一点。另外，干切刀条的可重磨次数一般是原湿切使用刀片的两倍左右，这也会摊薄干切刀条的成本。 c、 单套产品的电力消耗低。株洲齿轮有限责任公司做过详细测算，虽
然干切齿的电力需求容量比湿切要高，但由于其切齿效率非常高且工序短，其单套产品的电力消耗反而比湿切低。株洲齿轮有限责任公司对17/28、8/39两种产品的电力消耗作过测算，同一产品其单套产品的干、湿切电力消耗为2.6元/3.69元，即干切比湿切节能30%。国际先进水平的干湿切电力消耗达到过0.51KW.h/2KW.h，即干切的电能消耗仅为湿切的25%左右，节能效果更是达到了75%。可以预见的是，随着技术水平的提高，国内使用干切技术的节能效果将会进一步提高。
d、 较低的人工成本、较低的在制品资金占用成本。
4、 干切的高性能优势
成本降低了、效率提高了，产品的质量会怎样呢？
由于干切时使用的机床传动链非常简单，刀具系统的精度非常高，所以其制造的产品精度也非常高。在同等条件下，使用端面滚切法加工的螺旋锥齿轮其加工精度一般都能达到AGMA 12~13级（DIN或GB 5级左右），比国内传统方法加工的产品要高出几个精度等级。实际上，其使用寿命、噪声等指标也要好于按传统工艺方法加工的产品。
二、 国内螺旋锥齿轮干切技术的回顾
自螺旋锥齿轮干切技术问世以来，国内同行就对此技术给予了高度关注，并进行过许多有益的尝试。
最早进行干切演示的是湖北车桥，在上世纪九十年代，湖北车桥向当时在场的许多专家、技术人员演示了在奥利康机床上进行螺旋锥齿轮干切时惊人的效率，让许多人切身感受到了“削铁如泥”的真实效果，遗憾的是除了进行干切演示外，并没有进行批量生产。
在机床展览会上，也可以见到螺旋锥齿轮的干切。2007年4月的北京机床展览会期间，格里森公司使用凤凰275HC机床为江铃底盘试切过螺旋锥齿轮，当时使用的是美国刀具、国产齿坯、大端端面模数约为6，试切的结果为刀具修磨后切削螺旋锥齿轮大轮24件，小轮19件，效果不是十分理想。
2008年以来，齿轮行业兴起了一股干切热潮，各种干切的消息层出不穷，有在非常简易的国产机床上使用涂层高速钢刀具进行干切的；也有在天津机床上使用涂层高速钢刀具进行干切的；一汽底盘也在奥利康C系列机床上使用硬质合金涂层刀具进行过数次螺旋锥齿轮干切。
株洲齿轮有限责任公司在引进的凤凰600HC机床于2008年4月到位后，进行过许多次的干、湿切试验，部分产品已进行了批量生产。
三、 螺旋锥齿轮干切齿
1、 已使用干切齿技术的螺旋锥齿轮产品参数及干切结果 齿数 Z=17 Z=21 Z=29 Z=28 Z=37 Z=40 Z=40 Z=39 Z=37 Z=41 大端模数 10.357 10.173 10.173 10.357 13.25 10.875 11.40 11.131 11.757 10.61 重磨后平均每次切削产品数 （件/次） 45.2 93.5 104 37.5 42.5 37.2 46.67 15.33 66 17.33 生产效率 （/件） 10’17” 7’52” 7’45” 9’48” 13’52” 11’01” 14’00” 15’25” 11’54” 14’53” 大轮粗精切，刀具为硬质合金涂层刀条，产品使用了多种国产材料 备注 小轮粗精切 生产效率为门对门的时间 从上表可以看出，所加工的产品大端模数从10.108~13.25，每次重磨后所生产的产品数量从15.33件~104件，单件产品的生产时间从7’45”~15’25”，这些数据说明在试验、生产的过程中存在不均衡性、不稳定性。分析其原因为：在试验、生产过程中除使用的机床没有变化外，其它因素都进行了改变。因此，在重载螺旋锥齿轮干切齿时仍有下述因素对结果构成影响。
2、 螺旋锥齿轮干切齿的影响因素
除了选择合适的机床、刀具、材料外，下述因素，都会对螺旋锥齿轮干切的效果产生直接影响，在实际使用过程中需引起注意和重视： a、 原材料中硫的含量、杂质含量；
b、 c、 d、 e、 f、 g、 3、
原材料的低倍组织级别；
齿坯的硬度、显微硬度及其均匀性、一致性； 齿坯的带状组织级别及粒度； 刀具的各切削角度； 刀具涂层；
切削参数及切削过程选择；
螺旋锥齿轮干切齿刀具国产化
使用高性能的刀具是实现螺旋锥齿轮干切齿的重要条件之一，也是国内螺旋锥齿轮干切齿技术迟迟不能得到推广的主要影响因素之一。行业普遍担心若长期依赖进口刀具，会存在定货周期长、价格高、关税高、运费高等问题。为了解决这一问题，株洲齿轮有限责任公司从一开始就设想好如何较好地解决这问题，从刀具的选型、重磨、涂层等方面从项目一开始就考虑好了如何实现国产化。
数控切齿机到位后，株洲齿轮有限责任公司随即就干、湿切刀具国产化项目与株洲天威硬质合金工具有限责任公司开展合作，下表为国产刀具与美国刀具的使用结果对比情况。
齿数 大端模数 重磨后平均每次切削产品数 （件/次） 62.33 70 生产效率 (/件) 11’54” 刀具产地 备注 Z=37 11.757 株洲天威 大轮粗精切，刀具为硬质合金涂层美国 刀条 试验的条件为：在其它情况都不变的情况下，仅更改刀条的产地。 具体的做法就是使用美国刀具装一盘刀、使用国产刀具装一盘刀。 从试验的结果可以看出，在其它条件都完全一致的情况下，国产刀具的使用效果与进口刀具的使用结果没有明显的区别。
四、 螺旋锥齿轮小轮螺纹热后干切加工
如下图所示，由于螺旋锥齿轮的小轮在使用时需防止螺帽松脱，国内大多数产品在设计时都设计有十字（交叉）销孔或多个销孔、一个或两个锁紧槽，在加工螺纹的过程中，由于是断续切削，这就给螺纹加工带来了额外的困难，这也是热后往往采取磨螺纹工艺的主要原因之一。
螺旋锥齿轮中常用的小轮锁紧螺纹有以下几种结构形式：