摘 要：齒輪的設計、加工制造以及應用水平代表著一個國家的工業水平。本文介紹了齒輪漸開線齒形的形成歷史，對比了圓柱、圓錐齒輪的各種加工技術特點，總結了齒輪加工的四個發展趨勢。
關鍵詞：齒輪；現代工業；技術對比
1、 前言
齒輪是中華人民共和國國徽的組成部分，代表工業的基礎，齒輪的設計、加工制造以及應用水平代表著一個國家的工業水平。
齒輪的設計制造應用技術可以追溯到公元前 400 年的磨粉機、水車上使用的圓周有規律排列的木棒，以此傳遞動力。后來，代表古代科學技術成就的指南車就是以齒輪機構為核心的機械裝置，其齒輪采用青銅鑄造。歐洲最早的機械鐘里面也有齒輪、擺輪和擒縱機構，這些機構也是歐洲最早的一種依靠擒縱裝置進行守時的計時器。然而古代的齒
輪是用木料制造或用金屬鑄成的，只能傳遞軸間的回轉運動，不能保證傳動的平穩性和準確性。
到 17 世紀末，人們才開始研究能正確傳遞運動的齒輪齒廓形狀，眾多的學者在這一領域展開了潛心研究，付出了大量的的心血，逐步形成了 3 種齒形，即擺線、漸開線、圓弧。如圖 1 所示。
圖 1 齒輪的三種齒形
1674 年丹麥天文學家羅默首次提出用外擺線作齒廓曲線，以得到運轉平穩的齒輪。外擺線齒形優點是滑動率極低，接近純滾動，接觸應力小，無根切現象；缺點是中心距要求精確，平穩性和互換性較差。
1765 年，瑞士的 L．Euler( 歐拉 ) 提出漸開線齒形解析研究的數學基礎，闡明了相嚙合的一對齒輪，其齒形曲線的曲率半徑和曲率中心位置的關系并建議采用漸開線作齒廓曲線。
19 世紀末，展成切齒法的原理及利用此原理切齒的專用機床與刀具的相繼出現，齒輪加工有了較完備的手段后，漸開線齒形才顯示出優越性，漸開線齒輪漸漸在應用中占了優勢。漸開線齒形優點是漸開線齒廓具有中心距敏感性小，可進行各種變位和修形設計，易于進行精密加工、互換性好。其缺點是接觸應力高，承載能力不夠大，線接觸，
磨損嚴重且不均勻，根切。
為了提高齒輪傳動的承載能力、使用壽命并減小其尺寸，人們開始研究圓弧齒形的齒輪。1907 年，英國 Frank Humphris（弗蘭克 福瑞斯）最早提出了圓弧齒形；1970 年，英國工程師 R．M.Studer（斯蒂德）取得了雙圓弧齒輪的美國專利。雙圓弧齒輪現已日益為人們所重視，在生產中發揮了顯著效益。
圓弧齒輪的承載能力和效率都較高，但不及漸開線齒輪那樣易于制造，現代使用的齒輪中，漸開線齒輪仍占絕對多數，而擺線齒輪和圓弧齒輪應用相對較少。
2 、齒輪傳動在現代工業中的地位
齒輪傳動的應用十分廣泛，如汽車、工程機械、礦山機械、港口機械、風力發電、艦船和國防軍工等機械裝備制造領域。幾乎涵蓋了現代工業經濟的主要行業，齒輪傳動已成為工業機器或裝備上不可或缺的基礎裝置或關鍵部件。如圖 2 所示。
圖 2 齒輪傳動的應用
前不久結束的“兩會”確定了未來五年中國計劃（十三五規劃）實施的 100 個重大工程及項目，其中涉及裝備制造，如航空發動機及燃氣輪機，大型飛機研制，研發新一代高速、重載軌道交通裝備系統，研制高檔數控機床，大力發展工業機器人、服務機器人、手術機器人和軍用機器人，開發適應各種耕作條件的先進農機產品，研制核醫學影像設
備、超導磁共振成像系統、無創呼吸機等高性能醫療，研制先進化工成套裝備等達 10 余項之多。這與中國制造 2025 確定的 10 大重點發展領域高度一致，足見國家大政方針對裝備制造的高度重視。裝備制造業離不開齒輪傳動，高精度、高效齒輪傳動是提高我國裝備制造業水平的基礎保障。
3 、齒輪加工技術對比分析
根據齒輪的不同，齒輪加工主要分為圓柱和錐齒輪加工兩大類。圓柱齒輪加工主要加工各種圓柱齒輪、齒條、蝸輪。常用的方法有滾齒、插齒、銑齒、剃齒、擠齒、拉齒等；錐齒輪加工又分為直線齒錐齒輪加工和曲線齒錐齒輪加工，主要用于加工直齒、斜齒、弧齒和延長外擺線齒等錐齒輪。常用的有錐齒輪刨齒、錐齒輪拉齒、錐齒輪銑齒等。
齒輪加工方法有很多，但各有特點，不可或缺。將各種加工工藝所能達到的質量以及應用范圍進行對比，如表 1 所示。
表 1 金屬切削加工齒輪的工藝方法
4 、齒輪加工技術新動態
（1）高速、高精、高效
高速切削加工不僅可以提高生產效率，而且可以改善加工質量。Gleason-Pfauter集團的 P60 滾—磨齒復合機床的刀具主軸轉速高達 12000 r/min，工作臺轉速達到了3000 r/min；100S 型插齒機每分鐘最大沖數可達 3000；隨著 CNC 水平的快速提高及電子齒輪箱、滾動導軌、高速陶瓷軸承、高速電主軸、力矩電機伺服系統的飛速發展，磨齒機工作精度已可達 DIN3962 標準的 2 級到 3 級。 最具代表性的供應商與設備如圖 3 所示。
圖 3 高速高精高效的典型機床
（2）功能復合化
帶柔性化的自動上下料機構，工件一次裝夾，完成多種工序復合加工，大大提高生產效率和加工精度。“一臺機床就是一個加工廠” “一次裝卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，復合加工機床正呈現多樣化的態勢。
國外最具代表性的有：Reishauer 公司的RZF 磨—珩復合磨齒機、Kapp 公司的 KX300磨齒中心及 Samputensili 公司的 S400GT。Liebherr 公司的 LCS280 蝸桿—成形磨齒機可先用 CBN 蝸桿大砂輪進行粗磨，再用 CBN小成形砂輪精磨齒輪。 Gleason-Pfauter 集團的 P60 滾—磨齒復合機床（見圖 4），先用銑刀加工雙頭蝸桿，再用 CBN 砂輪磨削蝸桿，并具有去除蝸桿端面毛刺的功能。另外機床 還配備由自動對刀機構和工件自動上下料、料倉。
圖 4 Gleason-Pfauter 集團滾—磨復合
國內最具代表性的是宜昌長機科技有限公司生產的滾—銑齒復合機床（見圖 5），配置雙刀架，銑齒刀和滾刀。針對大模數、大直徑內外齒輪加工，先用銑刀進行高效粗加工，再用滾刀進行精加工，提高精度。
圖 5 滾—銑齒復合機床
（3）開放化、網絡化和智能化開放化就是數控系統的開發可以在統一的運行平臺上，面向機床廠家和最終用戶，具有更好的通用性、柔性、適應性和擴展性，可方便地將用戶的特殊應用和技術訣竅集成到控制系統中，快速實現不同品種；網絡化將極大地滿足生產線、制造系統、制造企業對信息集成的需求，也是實現新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業、全球制造的基礎單元。
數字化控制技術、傳感器技術、信息技術和網絡技術的集成，實現大數據制造，智能化程度更高。 如圖 6 所示。
圖 6 大數據智能化制造系統
（4）綠色環保化
隨著人們環境保護意識的加強，對環保的要求越來越高。不僅要求在機床制造過程中不產生對環境的污染，也要求在機床的使用過程中不產生二次污染。在這種形勢下，裝備制造領域對機床提出了：
①無冷卻液、無潤滑液、無氣味機床的排屑、除塵等，圖 7 為日本卡希富基高速干切硬滾齒機床，圖 8 為重慶機床（集團）有限公司生產的數控高速干切滾齒機；②綠色設計（綠色材料設計、可拆卸性設計、節能性設計、可回收性設計）；③模塊化設計，系統考慮產品開發、制造及其活動對環境的影響。
圖 7 卡希富基高速干切硬滾齒機床
圖 8 YS3126CNC7 數控高速干切滾齒機
5 、結論
本文介紹了齒輪漸開線齒形的形成歷史，對比了圓柱、圓錐齒輪的各種加工技術特點，總結了齒輪加工的四個發展趨勢。齒輪加工是金屬切削加工中最復雜的，高速高精高效是永恒的主題，隨著科學技術的發展，相信未來的齒輪加工技術將為用戶提供越來越完備的解決方案。
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