中、小模數齒輪滾刀的現狀分析
發布時間：
2014-07-03 11:21
中、小模數齒輪滾刀的現狀分析
編寫：CGMA 小模數齒輪工作委員會 俞仁楠
中國有句俗語：“好馬需配好鞍”。隨著滾齒機數控化、智能化、環保節能技術的提升，具備了高速度、高效率、高精度及環保節能的基礎條件，那么齒輪刀具材料技術、加工技術、涂層技術的進步，就起到了有效的保證作用。
用滾刀在工作母機(滾齒機)上，按展成法加工輪緣上帶齒的零件。滾刀是滾齒機上必備的工具，它是刀齒沿圓柱或圓錐作螺旋線排列的齒輪加工刀具，用于按展成法加工圓柱齒輪﹑蝸輪和其他圓柱形帶齒的工件。根據用途的不同﹐滾刀分為齒輪滾刀﹑蝸輪滾刀﹑非漸開線展成滾刀和定裝滾刀等。
中、小模數齒輪滾刀具有一定的特殊性及工藝特點。如：硬質合金滾刀、全切式滾刀、多頭滾刀、蝸桿滾刀、硬齒面切削（刮削），在中小模數齒輪加工中得到了廣泛應用。
一、滾刀的分類
1、按加工性質分類
- ┣ 漸開線齒輪（精切）滾刀（通常稱齒輪滾刀：應用最廣）—— 非全切式滾刀、全切式滾刀（頂切）。
- ┣ 漸開線齒輪（粗切）滾刀—— 剃前滾刀、磨前滾刀、刮前滾刀、擠前滾刀。
- ┣ 蝸輪滾刀
- ┣ 蝸桿滾刀
- ┣ 花鍵滾刀—— 矩形花鍵滾刀、漸開線花鍵滾刀。
- ┣ 鏈輪滾刀—— 滾子鏈鏈輪滾刀、套筒鏈鏈輪滾刀、齒形鏈鏈輪滾刀。
- ┣ 同步帶輪滾刀——梯形齒帶輪滾刀、圓弧齒帶輪滾刀。
- ┣ 特殊齒形滾刀—— 非漸開線展成滾刀
2、按結構分類
- ┣ 整體滾刀—— 帶孔（套裝）類、帶柄（桿式）類。
- ┣ 焊接式滾刀
- ┣ 可轉位式滾刀
- ┣ 定裝滾刀
3、按材料分類
- ┣ 普通高速鋼滾刀—— W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。
- ┣ 高性能高速鋼滾刀—— W6Mo5Cr4V2Co5（美國牌號：M35）、W2Mo9Cr4VCo8(美國牌號：M42)。
- ┣ 粉末高速鋼(PM 高速鋼)滾刀——ASP 2030(ASP30)、 ASP 2052(ASP52)、ASP 2060(ASP60)
- ┣ 硬質合金—— K40、YG6X
4、按滾刀線數（頭數）分類
- ┣ 單頭齒輪滾刀—— 一般不標出（普遍采用）。
- ┣ 多頭齒輪滾刀—— 雙頭、三頭。—— 雙頭、三頭齒輪滾刀在中小模數齒輪滾刀中已得到廣泛應用。
5、按精度等級分類
- ┣ GB/T 6084-2001 齒輪滾刀通用技術條件—— 分成AA級、A級、B級、C級。
- ┣ JB/T 2494-2006 小模數齒輪滾刀—— 分成AAA級、AA級、A級、B級。
- ┣ JB/T 7654-2006 整體硬質合金小模數齒輪滾刀—— 分成AAA級、AA級、A級、B級。
- ┣ GB/T 9205-2005 鑲片齒輪滾刀—— 分成AA級、A級、B級、C級。
- ┣ GB/T 5103-2004 漸開線花鍵滾刀 通用技術條件—— 分成A級、B級、C級。
- ┣ GB/T 10952-2005 矩形花鍵滾刀—— 分成A級、B級。
- ┣ JB/T 4103-2006 剃前齒輪滾刀—— 分成A級、B級。
- ┣ JB/T 7427-2006 滾子鏈和套筒鏈鏈輪滾刀 —— 分成C級、D級。
- ┣ JB/T 10004-1999 硬質合金刮削滾刀 技術條件—— 分成AA級、A級、B級。
二、中、小模數齒輪滾刀的現狀與滾齒工藝特點
- ┣ GB/T 6084-2001 齒輪滾刀通用技術條件—— 分成AA級、A級、B級、C級。
- ┣ JB/T 2494-2006 小模數齒輪滾刀—— 分成AAA級、AA級、A級、B級。
- ┣ JB/T 7654-2006 整體硬質合金小模數齒輪滾刀—— 分成AAA級、AA級、A級、B級。
- ┣ GB/T 9205-2005 鑲片齒輪滾刀—— 分成AA級、A級、B級、C級。
- ┣ GB/T 5103-2004 漸開線花鍵滾刀 通用技術條件—— 分成A級、B級、C級。
- ┣ GB/T 10952-2005 矩形花鍵滾刀—— 分成A級、B級。
- ┣ JB/T 4103-2006 剃前齒輪滾刀—— 分成A級、B級。
- ┣ JB/T 7427-2006 滾子鏈和套筒鏈鏈輪滾刀 —— 分成C級、D級。
- ┣ JB/T 10004-1999 硬質合金刮削滾刀 技術條件—— 分成AA級、A級、B級。
漸開線齒輪滾刀（通常稱齒輪滾刀）是復雜刀具、是滾刀中最典型、應用面最廣的一種。齒輪滾刀是按齒輪嚙合原理加工工件齒形的一種展成刀具。齒輪滾刀是按螺旋齒輪嚙合原理加工直齒和斜齒圓柱齒輪的一種刀具。它相當于一個齒數很少，螺旋角很大的斜齒輪其外貌呈蝸桿狀。
1、齒輪滾刀的材料與涂層的發展現狀
齒輪滾刀材料與涂層技術的進步，是齒輪滾削實現高速、高效的“雙刃劍”，是實現硬齒面切削的保證。
齒輪滾刀材料由普通高速鋼→高性能高速鋼→粉末冶金高速鋼(PM 高速鋼)→硬質合金。多種滾刀材料的研究成果，適應了各個領域的使用要求。
齒輪滾刀的涂層技術也由七十年代起步應用的“黃刀子”逐步發展到現在的各種“黑刀子”。詳見涂層種類表。
齒輪滾刀涂層種類表
| No | 涂層材料 | 微硬度 （HV） |
針對鋼材的摩擦系數（干性） | 內應力 （Gpa） |
最大適用溫度 （攝氏） |
涂層 顏色 | 涂層結構 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | TIN 氮化鈦 | 2300 | 0.40 | -2.5 | 600 | 金黃色 | 單層 |
| 2 | AlCrN氮鉻化鋁 | 3200 | 0.35 | -3.0 | 1100 | 藍灰色 | 單層 |
| 3 | TiCN碳氮化鈦 | 3000 | 0.40 | -4.0 | 400 | 藍灰色 | 多層的 |
| 4 | WC/C碳化鎢/碳 | 1000/2000 | 0.10-0.20 | -1.0 | 300 | 黑灰色 | 薄板狀的 |
| 5 | CrN氮化鉻 | 1750 | 0.50 | -1.5/-2.0 | 700 | 銀灰色 | 單層 |
| 6 | 多晶體金剛石 | 8000-10000 | 0.15-0.20 | 600 | 淺灰色 | 單層 | |
| 7 | iAlN氮鋁化鈦 | 3300 | 0.30-0.35 | -1.3/-1.5 | 900 | 紫灰色 | 納米-結構 |
| 8 | TiCN+TiN碳氮化鈦+氮化鈦 | 3000 | 0.40 | -4.0 | 400 | 金黃色 | 多層，傾斜的 |
| 9 | TiAlN+ WC/C氮鋁化鈦+碳化鎢/碳 | 3000 | 0.15-0.20 | -1.7/-2.0 | 800 | 深灰色 | 多層的，薄板狀的 |
| 10 | DLC(a-C:H) | 2500 | 0.10-0.20 | 350 | 黑灰色 | 單層 | |
| 11 | TiAlN氮鋁化鈦 | 3300 | 0.25 | -1.3/1.5 | 900 | 紫灰色 | 納米-結構 |
| 12 | TiAlN氮鋁化鈦 | 3300 | 0.40 | -3.0/-3.5 | 900 | 藍灰色 | 納米-結構 |
| 13 | TiAlN氮鋁化鈦 | 3500 | 0.40 | -4.0 | 800 | 紫灰色 | 單層 |
齒輪滾刀材料的進步越來越實現了良好的磨削性能、良好的熱處理尺寸穩定性、良好的韌性、良好的紅硬性、良好的耐磨性。材料涂層技術的進步提高了涂層刀具抗摩擦、抗粘結的能力，使用壽命延長了2～3倍，切削速度提高25%～50%。
隨著硬質合金材料的進步、高硬度材料加工技術的進步、硬質合金刀具涂層技術的進步，提高了齒輪刀具耐用度，為中小模數齒輪制造中的推行高速切削、干式切削、硬齒面切削的工藝，提供了有效的保證。
從以下齒輪滾刀在使用前后及涂層前后的滾削速度關系表（以滾削40Cr、35CrMo、20CrMo合金結構鋼為例），可以明確地看出齒輪滾刀材料技術的進步與涂層的重要性。
| 齒 輪 滾 刀 | 滾削速度 m/min | 刮削速度 m/min |
|---|---|---|
| 硬質合金 +涂層 | 120-160 | 100-140 |
| 硬質合金 磨后不涂 | 100-130 | 80-110 |
| 粉末高速鋼 +涂層 | 90-120 | |
| 粉末高速鋼 磨后不涂 | 70-100 | |
| 高性能高速鋼 +涂層 | 70-80 | |
| 高性能高速鋼 磨后不涂 | 60-70 | |
| 高性能高速鋼 不涂 | 50-60 | |
| 普通高速鋼 | 30-40 |
2、關于全切式齒輪滾刀（頂切滾刀）的應用
全切式滾刀在中小模數齒輪加工中已得到普遍的應用。
通常用的滾刀非全切式（也稱標準滾刀）。非全切式滾刀只有頂刃和側刃參加切削。全切式滾刀除了頂刃和側刃參加切削外，其滾刀槽底也同時進行切削。由于這種滾削方式，可以使齒頂與齒形同時展成，確保了齒頂圓與分度圓的同心，因此突現了三大優點。一是可以降低齒輪坯的外圓精度要求，二是齒輪滾削后，齒頂沒有毛剌；并進行了齒頂修圓，對降低齒輪傳動噪音起到了重要作用，三是對齒輪熱處理后的孔加工可以外徑定位，提高了加工效率。
關于全切式滾刀，在1972年由國防工業出版社出版的《小模數齒輪加工》一書中就有論述。但是由于滾刀制造裝備及砂輪制造技術的落后，多年來推廣應用難度大。近幾年來，隨著滾刀制造裝備水平的提升及砂輪制造技術的進步，全切式齒輪滾刀的制造已經不是難題。全切式齒輪滾刀的推廣應用，對中小模數齒輪制造中成本的下降、精度的保證起到了重要的作用。
3、關于多頭齒輪滾刀的應用
關于多頭齒輪滾刀，在1972年由國防工業出版社出版的《小模數齒輪加工》一書中也已有論述：“多頭滾刀的加工生產率很高，故若能提高多頭滾刀的制造精度，采用多頭滾刀加工齒輪將會得到廣泛應用。”近幾年來，隨著滾刀制造裝備水平的提升，多頭滾刀的制造精度大幅度提升，導致多頭滾刀的應用面在廣大，特別是在小模數齒輪制造中，對齒數較多的片齒輪加工已普遍應用多頭滾刀。
4、關于蝸桿滾刀的應用
可以說：在六年前，國內說到“蝸桿滾刀”還是新名詞。只有“蝸桿銑刀”，沒有“蝸桿滾刀”。是民營企業、是中小企業：江陰塞特精密工具有限公司（江陰工具廠）、寧波朗曼達工具有限公司，與齒輪制造廠共同合作，制造出了蝸桿滾刀，填補了國內空白，替代了進口。但是，應該承認，國內目前還不能制造進行蝸桿滾削的機床。
5、關于硬齒面切削及刮削技術的應用
中、小模數齒輪硬質合金滾刀，已經在齒輪制造企業中得到了普遍地應用。特別是硬齒面切削技術的應用（齒面硬度在48～52HRC的齒輪，已得到普遍應用，齒面硬度高達62HRC的齒輪，也在起步應用。），新工藝的應用，彌補了齒輪熱處理變形的難題，對確保齒輪的制造精度、對降低齒輪傳動噪音（可結合鼓形齒——齒向修形技術）起到了決定性的作用。硬切齒工藝主要應用于模數m≤1.25的齒輪。硬齒面刮削工藝的應用，一方面體現了滾刀制造技術的進步，另方面還得益于由浙江佳雪數控機床有限公司（民營企業、中小企業）于2006年申報批準的國家專利“滾齒機的精密自動對刀裝置”，改變了齒輪刮削加工只能在國外滾齒機上進行的局面。據國內用戶反映，佳雪的自動對刀裝置的對刀時間還優于國外同類裝置。目前硬齒面刮削加工在模數m≤3的齒輪中應用較多。
硬切齒、硬刮齒的制造精度：能夠穩定地達到6～7級GB/T 10095—2008。應該看到，在中、小模數齒輪制造工藝上，由于齒輪滾刀制造技術與數控滾齒機制造水平的高速提升，達到了滾齒加工的高速、高效、高精度。由此，正在以精滾齒工藝挑戰傳統的滾剃工藝（已經體現在中、小批量的齒輪制造上）、精滾齒工藝的發展也正在與磨齒工藝比拼加工精度、比拼加工成本、比拼實用性。
目前中、小模數齒輪滾刀的國產化率已經達到了80%以上。
6、小模數齒輪滾刀標準中的《基本型式和尺寸》，已不能適應使用要求
在齒輪滾削中，為了滿足延長一次裝刀的使用時間，減少滾齒換刀次數，以達到縮短輔助時間，提高滾齒機使用效率的目的。國內外在齒輪滾刀的設計制造中，已經普遍采用增大直徑和加長滾刀長度的方法。隨著齒輪滾刀制造技術的進步，制造水平已經完全能滿足用戶要求。
《JB/T 2494-2006 小模數齒輪滾刀》、《JB/T 7654-2006 整體硬質合金小模數齒輪滾刀》中的“基本型式和尺寸”已不能適應使用要求，但是又沒有標準規范。提議按以下列表中“中、小模數整體硬質合金齒輪滾刀基本型式與尺寸” 選用。
三、二點體會
1、從中、小模數齒輪滾刀的發展，看機械行業的發展
我在以上文章中，有幾處提到民營企業、中小企業。這是為什么呢？
請允許我們回顧一下，在計劃經濟時代，根據機械工業的發展規劃，小模數齒輪滾刀生產定點在：上海工具廠與渭河工具廠。齒輪滾刀裝備生產定點在：大連機床廠。改革開放以后，打破了計劃經濟，也打破了發展規劃的約束。以市場為導向，也導致了追求以GDP的增長論英雄。對于一些較小領域——如：小模數齒輪刀具制造，對于一些高投入，但見效慢的基礎裝備制造——如：成套滾刀制造裝備；有實力的國有大企業，認為不能帶動企業快速增長、就放棄了！
以小模數齒輪滾刀制造為例：上海工具廠不干了，在改革開放、市場經濟的引導下，上海地區、江蘇地區出現了多家“上海師傅”辦的小模數齒輪滾刀制造廠，因為有市場，小企業辦得還挺好的。但是，由于企業小、產量低、經濟實力弱，裝備升級改造困難，小模數齒輪滾刀只能停留在偏低檔次上；直至2000年左右，國有大企業在進行市場調研中，還認為小模數齒輪刀具市場不大，沒有列入企業發展規劃。由此，在一段較長時間內，小模數齒輪制造企業的升級產品，只能依賴于進口刀具。
是民營企業家看到了小模數齒輪市場的前景：隨著科技的進步，齒輪傳動正在向小型化、高精度方面發展，每年有70億元以上的市場份額、是一個成長性強的行業。
2005年，寧波吉安奔達工具有限公司是帶著多年的軍工技術積累、是帶著發明專利、是帶著對小模數齒輪滾刀充滿市場信心的前題下成立了。從成套數控滾刀制造裝備與加工工藝都是自主創新的成果。可謂是：自力更生、發明創造。小模數齒輪滾刀的面世，立即引起了國外相關企業的關注。至2009年4月，在國家創新基金的支持下，更名為寧波朗曼達工具有限公司。從此，硬質合金小模數齒輪滾刀制造達到了國內先進水平。
2009年，中國齒輪協會年會在蘇州召開。會場外，一個不引人注目的展臺——江陰工具廠，展出硬質合金小模數齒輪滾刀。從企業介紹中得知：企業購置了多臺國際最先進的滾刀制造設備與檢測設備。經過實地考察，確實如此。一個民營的中小企業敢于作如此大的投入，真令人敬慕，并能把國際一流的裝備使用好、維護好，真令人欽佩。我們應該看到，精密齒輪滾刀的制造過程，工藝復雜、有許多創新點與再創新點。從此，硬質合金小模數齒輪滾刀制造達到了國際同步水平。
民營企業界有句俗語：“做那些大企業不愿做，但小企業又做不了的產品和客戶”。說明了民營企業、中小企業腳踏實地，不會去迎合GDP增長，但已經對國家GDP的增長起到了保證作用。民營企業的發展是在主動補位中成長，已經對機械工業的勻衡發展起到了重要的作用。
2014年5月27日上午，國務院新聞辦舉行新聞發布會，工業和信息化部中小企業司司長鄭昕指出：“中小企業提供了50%以上的稅收，創造了60%以上的國內生產總值，完成了70%以上的發明專利，提供了80%以上的城鎮就業崗位，占企業總數的99%以上。”，黨中央、國務院高度重視中小企業發展，形成了一部法律和四個國務院文件為主的法律政策體系，確保中小企業快速發展。
近期對《中國機床，春天去哪里了？》討論得比較多。題目是“中國機床…”，其實是在討論中國機械工業的發展。我認為中國機械工業的發展，民營企業在春天里。他們在市場經濟的大潮中，以青春的活力、主動補缺、不折不撓、努力拚搏、自主創新，已在產品的“專”、“新”道路上行進了多年，正向“精”、“強”的方向大步邁進。一批優秀的民營企業沒有感到秋冬的“寒意”，而是正感覺“春意盎然”。
只需舉幾個CGMA小模數齒輪工作委員會成員單位的例子，他們的企業地位已經進入到了“國家級”，已具備國內首創、國內行業前列的能力。
1、國家專利及國家級高新技術企業取得情況：
| 序號 | 單 位 名 稱 | 獲得國家 專利情況 |
國家級高新 技術企業 |
行業地位 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 寧波夏廈齒輪有限公司 | 36項，其中發明專利三項 | 是 | 中、小模數齒輪制造：骨干企業 |
| 2 | 浙江佳雪數控機床有限公司 | 13項，其中發明專利三項 | 是 | 八軸七聯動全自動滾齒機：國內首創 |
| 3 | 寧波中大力德傳動設備有限公司 | 84項，其中發明專利三項 | 是 | 精密小型減速機：骨干企業 |
2、機械工業技術研究中心（部級）建設情況
| 序號 | 單 位 名 稱 | 機械工業技術研究中心 | 行業地位 |
|---|---|---|---|
| 1 | 常州德勱精密傳動有限公司 | 機械工業小模數齒輪傳動工程技術研究中心 | 小型精密蝸桿付及相關產品：骨干企業 |
| 2 | 浙江佳雪數控機床有限公司 | 已通過初審 | 八軸七聯動全自動滾齒機：國內首創 |
| 3 | 江陰塞特精密工具有限公司(江陰工具廠） | 已通過初審 | 中、小模數齒輪刀具：骨干企業（國際同步水平） |
請允許我運用2014年6月5日在上海召開的2014（第二屆）先進制造業大會上，與會專家的一段話：“先進制造業的發展是一項系統工程，要加快發展，需要補足產業短板，促進全產業鏈發展，需要加強頂層設計，統籌規劃合力推進。”
2、行業協會的作用
如何發揮行業協會的作用，也是討論得比較多的問題。請允許我作為一個協會工作的熱心人，說點意見：行業協會一定是政府的助手，應該全力宣傳、執行黨中央、國務院制訂的方針政策。行業協會是由企業家組成的社會組織，就應該全心全意為企業服務。行業協會做的是公益事業，是企業的公務員；是政府的參謀，但決不是簡單的批評家。行業協會的社會地位不是政府授予的，是在為企業服務中，由企業家們進行滿意度評價，滿意度高、自然就有話語權與社會地位。
中國機械零部件工業協會齒輪分會（CGMA）經過2013年的換屆工作。新一屆的領導班子正以“團結達共贏 創新求發展”為宗旨、為企業、為齒輪行業辦實事。
1、行業的技術交流工作已經走向正常化：上半年已有三次技術交流、研討會，下半年還會有幾次技術交流、研討會。 2、中國齒輪行業網已開通并正在為行業服務。3、CGMA已啟動2014年制、修訂的齒輪及相關標準30項、4、《2014中國齒輪年鑒》編寫工作正在進行。5、齒輪行業專家委員會已組建成立，將為齒輪行業發展提供技術支持。
這些工作都是實實在在為企業服務的工作，對提升企業把握齒輪行業的發展前景、提升先進制造技術水平，提供了交流平臺、并以齒輪標準為指引、以齒輪年鑒印證齒輪行業的發展歷史。齒輪行業的發展需要有行業協會組織，但是行業協會必須為企業提供滿意的服務，這就是現實、這就是齒輪行業組織的必備條件。愿CGMA承擔起中國齒輪行業發展由大到強的重任。
編寫于：六安 2014/06/13
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