我國工程機械關鍵零部件制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和分析精選課件

1、我國工程機械關鍵零部件制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與分析方世杰機械工程學院2019年3月27日內容目錄一、我國機械制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀二、關鍵零部件制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與分析三、齒輪制造技術發(fā)展現(xiàn)狀與分析四、未來齒輪技術發(fā)展路線一、我國機械制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 機械制造業(yè)指：從事各種動力機械、起重運輸機械、農業(yè)機械、冶金礦山機械、化工機械、紡織機械、機床、工具、儀器、儀表及其他機械設備等生產的行業(yè)。 機械制造業(yè)為整個國民經濟提供技術裝備，其發(fā)展水平是國家工業(yè)化程度的主要標志之一。機械制造業(yè)金字塔分布圖 目前我國機械制造業(yè)的規(guī)模和總量都已經進入世界前列，成為全球制造大國，但是發(fā)展模式仍比較粗放，技術創(chuàng)新能力薄弱， “中國制造”

2、主要是勞動密集型的加工和組裝、貼牌生產，產品附加值低、利潤低。 總體上大而不強 在消化、呼吸國際上先進制造技術的基礎上, 作為制造業(yè)大國，進一步的發(fā)展面臨能源、資源和制造成本等諸多壓力。 我國制造業(yè)發(fā)展更主要面臨“八大技術問題”1、復雜系統(tǒng)的創(chuàng)意、建模、優(yōu)化設計技術；2、關鍵零部件制造技術；（講述內容）3、大型結構件成形技術；4、高速精密加工技術；5、微納器件與系統(tǒng)；6、智能制造裝備；7、智能化集成化傳動技術；8、數(shù)字化工廠。 專家指出，這些技術問題的突破將提升我國制造業(yè)的國際競爭力。二、關鍵零部件制造技術發(fā)展現(xiàn)狀與分析 （八大技術問題之一） 我國工程機械產品中，零部件大致占到了整機成本的30

3、%，絕大部分關鍵零部件都需要從國外進口，零部件依賴進口大部分利潤拱手讓于外商。 這導致國內工程機械整機生產企業(yè)生產成本高，缺乏國際競爭力，特別是一些精密機械產品，零部件進口價格昂貴，70%的利潤都被外資企業(yè)“吃”掉了。 2009年，累計進口總額(51.48億美元)中零部件耗資排在首位，共計18.35億美元，占比高達36%。 2019年上半年，我國工程機械零部件進出口總額44.88億美元，其中進口額21.28億美元。 與國外先進產品相比，國產工程機械關鍵零部件，無論在技術性能，還是在質量可靠性指標上，總體上要相差15年左右。壽命一般為進口件的1213，產品品種僅為國外的15。 中國工程機械行業(yè)零

4、部件制造產業(yè)陷入了低端競爭、高端缺失的怪圈。 如果能夠實現(xiàn)關鍵零部件的國產化，那么整機成本將會大幅下降。 中國工程機械行業(yè)關鍵零部件制造技術落后問題，已經引起國家高度重視。 關鍵零部件：發(fā)動機零部件，精密機械傳動、液壓傳動零部件，控制元件、密封件，各種主機的附件及執(zhí)行機構零部件等。 2009年5月12日，國務院頒布裝備制造業(yè)調整和振興規(guī)劃，將基礎配套零部件產品的發(fā)展放在了十分重要的位置，將基礎配套水平提高作為規(guī)劃目標之一； 2019年10月11日，工業(yè)和信息化部印發(fā)了機械基礎零部件產業(yè)振興實施方案，明確提出，要加快突破關鍵零部件發(fā)展瓶頸步伐； 2019年7月31日，中國工程機械行業(yè)十二五發(fā)展規(guī)

5、劃發(fā)布。將提高關鍵零部件的技術水平和制造水平放到了首位。 即“十二五”期間,中國工程機械行業(yè)將重點解決關鍵零部件制造技術落后的問題。三、齒輪制造技術發(fā)展現(xiàn)狀與分析（例） 齒輪嚙合圖變速箱雙離合變速箱冶金齒輪箱 “十一五”期間，我國齒輪產業(yè)在汽車、風電、高鐵、工程機械等產業(yè)快速發(fā)展的拉動下得到了迅速發(fā)展，齒輪產品的產銷規(guī)模已經達到1600億元。 齒輪行業(yè)已成為中國機械基礎件中規(guī)模最大的行業(yè)之一，我國已經成為名副其實的世界齒輪制造大國，但離制造強國還有很大差距。 目前，我國齒輪產品正經歷從中低端向高端的轉變，少數(shù)高端產品已達到同際先進水平。 但我國齒輪產品還不能滿足重點工程裝備的配套要求，高端產品

6、仍受制于人，汽車自動變速器、高鐵驅動單元、大型能源裝備齒輪傳動裝置等高端產品大量依賴進口，進出口逆差仍在逐年加大。 出不來了 同世界發(fā)達國家相比，我國齒輪產品設計制造主要存在以下問題：1、基礎研究和基礎數(shù)據缺乏 缺乏對齒輪相關的基礎試驗研究，缺乏新齒形研究、加工工藝研究等基礎研究，使得產品設計和制造缺少數(shù)據支撐。 另外，專業(yè)軟件開發(fā)和應用滯后，多學科綜合設計技術和手段落后。2、齒輪材料品質較低 齒輪材料與發(fā)達國家差距較大，主要表現(xiàn)在鋼材均勻性低，非金屬夾雜物較高；鋼材淬透性波動大，高溫高性能鋼、低溫抗沖擊鋼、快速滲氮鋼、高性能工程塑料等缺乏。3、齒輪熱處理工藝水平不高 滲碳淬火變形大；感應淬火

7、易出現(xiàn)齒根開裂；滲氮存在效率低、層深淺的問題，缺乏有效的工藝過程控制方法。4、高級工藝裝備差距明顯 硬質合金刀具與發(fā)達國家差距大，高效滾齒刀具、高級刀具及磨齒用高檔砂輪幾乎全部進口；高效制齒機床、高檔數(shù)控成形磨齒機等仍基本依賴進口，大型和小型齒輪測量儀以及在位快速測量機仍是空白；大模數(shù)錐齒輪加工設備等核心裝備國外完全技術封鎖，仍受制于人。5、齒輪產品生產效率低 質量穩(wěn)定性差 盡管我國進口了不少高檔齒輪制造裝備，但由于刀具和裝備使用、制造工藝參數(shù)選擇、生產管理等方面的差距，造成產品的質量穩(wěn)定性差，生產效率低，能耗高。6、檢測和評價服務能力亟待提高 國家齒輪產品質量監(jiān)督檢驗中心的檢測服務能力不足，

8、行業(yè)不能積累設計數(shù)據，直接影響齒輪行業(yè)整體設計水平和創(chuàng)新能力的提高。7、標準化工作亟待加強 我國大多數(shù)齒輪標準從國外標準轉化而來，基礎數(shù)據缺乏驗證，一些關鍵數(shù)據與國內技術水平不相適應，不能滿足產業(yè)發(fā)展的需要。 由于以上差距明顯，造成我國齒輪產品效率、可靠性低，振動噪聲大，汽車自動變速器等高端齒輪產品依賴進口，一些軍用裝備的傳動裝置遭到國外技術封鎖。 齒輪基礎理論、基礎技術研究是齒輪產品研發(fā)和創(chuàng)新的基礎。齒輪齒廓曲線（齒形）的研究面臨挑戰(zhàn) 隨著齒輪傳動向高效率、低噪聲等方向的不斷發(fā)展，齒輪的齒廓在很大程度上決定了傳動的性能。 因此，迫切需要研究開發(fā)齒輪新齒形和新傳動方式，具有重要的理論意義和工程

9、實用價值。選擇齒輪的齒廓曲線應滿足以下基本要求:1、齒廓曲線方程式簡單；2、可以實現(xiàn)要求的傳動比；3、安裝方便；4、承載穩(wěn)定性好；5、具有良好的互換性；6、加工制造容易；7、沖擊振動較?。?、潤滑條件較好 。為什么漸開線齒形一直處于主導地位？漸開線的形成 當直線沿一圓周作相切純滾動時，直線上任一點在與該圓固聯(lián)的平面上的軌跡AK，稱為該圓的漸開線。AK漸開線B發(fā)生線漸開線AK的展角O基圓rb漸開線的極坐標方程：漸開線齒廓曲線方程式簡單漸開線齒輪齒廓嚙合簡圖齒廓嚙合基本定律：可以實現(xiàn)定傳動比o1o2N1P21N2a2o2aN1N2p 基圓半徑不變，其傳動比不變。有利于加工、安裝和使用（中心距具有可

10、分性）齒廓之間的正壓力方向不變N1N2線是兩齒廓在嚙合點的公法線，同時也是兩齒廓間力的作用線。承載穩(wěn)定性好漸開線齒輪嚙合點軌跡圖接觸點的軌跡是直線嚙合線。作用力的方向始終沿嚙合線方向不變。具有良好的互換性B1N2N1B2o1o2(b)欲使兩齒輪正確嚙合，兩輪的法向齒距必須相等。 一對漸開線齒輪，只要它們分度圓上的模數(shù)和壓力角分別相等，就能正確嚙合。 漸開線齒形一直處于主導地位,因為有以下主要優(yōu)點： 1、可以實現(xiàn)定傳動比； 2、漸開線方程式簡單； 3、安裝方便（中心距具有可分性）； 4、具有良好的互換性； 5、具有很好的傳動性能（力作用線方向 不變）； 6、而且便于制造（仿形法、展成法）。主要缺

11、點： 1、齒面之間的滑動摩擦較大 , 兩個凸面相接觸 ,接觸的單位壓力大 ,因此齒面較易磨損； 2、標準漸開線齒輪的設計齒數(shù)不能太少 ,因為受到根切的限制。 理論上，滿足齒廓嚙合定律的曲線有無窮多，但工程上只有極少數(shù)幾種曲線可作為齒廓曲線。 主要有擺線(多要用于鐘表)和變態(tài)擺線 (擺線針輪減速器等)，圓弧和拋物線等。漸開線齒廓的提出已有近三百多年的歷史1694年 法國學者PhilippeDeLaHire首先提出 漸開線可作為齒形曲線；1733年 法國數(shù)學家M.Camus（卡米）發(fā)表了齒 廓嚙合基本定律； 1765年 瑞士數(shù)學家LEuler（歐拉）提出漸開 線齒形解析研究的數(shù)學基礎；1899年

12、開始實施了變位齒輪的方案；19世紀末出現(xiàn)的滾齒機和插齒機，解決了大量生 產高精度齒輪的問題。圓弧齒輪的發(fā)展引起廣泛關注1907年 英國科學家最早發(fā)表了圓弧齒形；1923年 美國科學家最先提出圓弧齒廓的齒輪；1955年 蘇聯(lián)的MLNovikov（諾維科夫） 完成了圓弧齒形齒輪實用研究并獲得 列寧勛章；1970年 英國兩位科學家取得了雙圓弧齒輪的 美國專利。 單圓弧齒形齒輪 圓弧齒輪一經提出，就引起了世界各國的重視。前蘇聯(lián)、英、美、德、日等國家都先后進行了圓弧齒輪的研究和試驗工作。 我國于 1958年對圓弧齒輪開始研究，幾十年來許多高校、研究機構及工廠對圓弧齒輪進行了大量的理論和試驗研究工作。 單

13、圓弧齒輪傳動的主要特點： 1、 綜合曲率半徑比漸開線齒輪傳動大很 多，接觸強度比漸開線提高1.52 倍； 2 、兩輪齒沿嚙合線方向的滾動速度很大 ，齒面間易于形成油膜，傳動效率較 高，一般可達0.990.995; 3、 圓弧齒輪沿齒高方向磨損均勻,且容 易跑合; 4、 圓弧齒輪無根切現(xiàn)象，故最小齒數(shù)可 以少。 只要缺點： 1、尚不及漸開線齒輪那樣易于制造、互 換性差； 2、輪齒彎曲強度較弱；切削同一模數(shù)的 大、小齒輪，需用兩把不同的滾刀； 3、對中心距、切齒深度和螺旋角的誤差 敏感性很大，故圓弧齒輪對制造和安 裝精度要求較高。 近年來由于雙圓弧齒輪的諸多優(yōu)點(如潤滑條件優(yōu)越、承載能力高、跑合性

14、能好、壽命長、制造工藝簡單等)，很受到冶金、礦山、石油化工等領域的重視與應用。雙圓弧齒輪基本齒廓雙圓弧齒輪 雙圓弧齒輪傳動在工作時，先是主動輪齒的凹部推動從動輪齒的凸部，再以它的凸部推動對方的凹部，故雙圓弧齒輪傳動在理論上同時有兩個接觸點K1、K2。 雙圓弧齒輪傳動主要特點： 1、經跑合后，實際上有兩條接觸線，可以實現(xiàn) 多對齒和多點嚙合，而且其齒根厚度較大， 承載能力比單圓弧齒輪傳動約高30%以上； 2、因為是多點接觸，傳動較平穩(wěn)，振動和噪聲 較??； 3、可用同一把滾刀加工相配對的兩個齒輪。 但：同樣存在對中心距、切齒深度和螺旋角的誤 差敏感性很大，制造和安裝精度要求較高。 單圓弧齒輪傳動圖雙

15、圓弧齒輪傳動圖挑戰(zhàn) 近年來，不少學者在吸收漸開線齒廓和圓弧齒廓優(yōu)點的基礎上，為提高齒輪的傳動性能做了大量有益的工作。 例1，研究了一種小齒輪為圓弧齒廓、大齒輪為漸開線齒廓的點接觸螺旋齒輪傳動，這種齒輪的耐用性和強度都高于漸開線齒輪。 例2，使用了將圓弧齒廓和漸開線齒廓相結合的刀具來展成一種新型的齒輪，這種特殊齒廓的齒輪對解決圓弧齒廓中心距的敏感性有利。 例3，提出了一種新型的雙漸開線齒輪,其齒廓由兩段相錯的漸開線中間以一段圓弧的包絡線連接而成，理論上，彎曲強度和接觸強度都有所提高，且工藝性更好。 隨著設計手段的完善，數(shù)控加工技術的提高，使得空間曲面的加工變得比較容易，奠定了研究開發(fā)更優(yōu)齒形的基

16、礎。齒輪加工面臨挑戰(zhàn) 加工方法（仿形法、展成法） 常用有銑齒、插齒、滾齒。 精加工有剃齒、珩齒、磨齒。 還有粉末冶金燒結、塑料齒輪注塑生產、玩具齒輪沖壓生產等。指狀銑刀仿形法加工原理圖仿形法（成形法）如:指狀銑刀銑齒加工展成法(范成法)1、齒輪型刀具插齒加工輪齒用齒輪插刀加工輪齒原理圖2、滾刀滾齒加工輪齒的原理齒輪滾刀在軸截面內的齒形同齒條 在滾齒機上加工齒輪時,由于有幾何偏心和運動偏心，就會引入被加工齒輪的齒距誤差和齒距累積誤差，影響齒輪傳動的準確性和平穩(wěn)性。 減少誤差、提高齒輪加工精度、提高生產率，需要攻克一系列關鍵工藝裝備及制造技術問題，研究工作一直再繼續(xù)。 。 齒輪加工技術的新發(fā)展1、

17、硬齒面滾齒技術 主要是對淬火后的齒輪滾齒代替粗磨齒加工, 特別對一些大直徑，大模數(shù)的齒輪在加工上提高生產效率和齒輪精度。針對半精、精加工則非常有效。2、齒輪的無屑加工技術主要是利用金屬的塑性變形或粉末燒結使齒輪的齒形部分最終成形。可以使材料利用率從切削加工的4050提高到8095以上，生產率成倍增長。3、干切削技術無潤滑切削加工，一種新興綠色制造技術。從根本上解決了切削液帶來的弊端，不僅有利于保護環(huán)境和工人健康，而且可以降低加工成本。4、齒輪加工潤滑技術的發(fā)展在切削領域還出現(xiàn)了，微量潤滑技術、低溫冷風切削技術等，促進了切削技術的進步，也對機床結構、刀具材料、潤滑介質等提出了新的要求。 從車銑復

18、合到滾齒加工錐齒輪加工五軸聯(lián)動加工中心加工螺旋傘齒輪德國16米數(shù)控滾齒機展成滾削圓柱斜齒輪世界上首套2米直徑高精度螺旋錐齒輪在加工中(專業(yè)加工設備) 圖7 剃齒加工剃齒加工5 軸高效加工中心對800 mm 直徑的直齒錐齒輪進行加工錐齒輪磨齒機，最大磨削工件分度圓直徑2500mm，最大端面模數(shù)50mm。大型減速箱齒輪的無人化加工用于復印機、照相機、定時器、儀器儀表、醫(yī)療器械、碎紙機、DVD、VCD、鼠標、汽車配件傳真機、玩具。 一般來說，齒輪制造工藝過程包括材料制備、齒坯加工、切齒、齒面熱處理和齒面精加工等五個階段。 齒形加工和熱處理后的精加工是齒輪制造的關鍵，也反映了齒輪制造的水平。 目前世界

19、各國主要從齒輪加工工藝和加工設備兩個方面發(fā)展，不斷地提高齒輪的制造水平。 現(xiàn)代齒輪技術已達到： 齒輪模數(shù)0.004100毫米； 齒輪直徑由1毫米150米； 傳遞功率可達上十萬千瓦； 轉速可達幾十萬轉/分； 最高的圓周速度達300米/秒。 根據未來齒輪產品制造對關鍵工藝裝備的需求，我國必須攻克一系列制造技術： 1、在新齒形和新傳動研究方面取得突破 研究出一些傳動效率高、承載能力強、制造和 檢測比較容易的新齒形和新傳動； 2、建立并不斷完善齒輪基礎數(shù)據庫 進行包括齒輪材料極限應力、金相組織圖譜測 定及載荷譜搜集、試驗等齒輪基礎研究； 3、建設現(xiàn)代化的齒輪產品測試服務平臺 制定產品測試標準和規(guī)范，滿

20、足企業(yè)的要求； 4、建立齒輪行業(yè)先進完善的標準化體系 使齒輪標準化進人世界強國行列； 5、攻克超硬加工技術 提高齒輪切削及超硬加工能力； 6、開展大型齒輪等零件修復技術研究 實現(xiàn)大型和貴重零件再制造； 7、研究微齒輪等微零件制造技術 滿足超小體積傳動裝置的需求； 8、提高生產效率 9、研究齒輪制造工藝 提高齒輪的制造精度； 10、開發(fā)高精、高效、大型數(shù)控圓柱齒輪磨齒 機和圓錐齒輪磨齒機 改變我國大型數(shù)控磨齒機依賴進口的局面； 11、開發(fā)硬齒面滾齒機、大型齒輪銑齒機 12、開發(fā)高效滾齒刀具，研發(fā)刀具涂層材料和 技術 13、開發(fā)新型智能、高效、低耗、環(huán)保等熱處 理設備； 14、研究固體潤滑、氣體潤

21、滑、自潤滑技術 滿足特殊服役環(huán)境齒輪傳動的需求； 15、研究密封技術，開發(fā)各種高性能、長壽命 密封件 解決齒輪箱漏油和頻繁更換密封件的問題； 16 開發(fā)高承載能力、高可靠性、長壽命軸承 改變高參數(shù)齒輪箱軸承幾乎全部依賴進口的 局面； 17、開展摩擦學設計 以上17項為國家級科研立項需求與環(huán)境 齒輪是重要的基礎件，直接影響機械設備的質量和性能，在航空航天，車輛與工程機械，能源裝備，軌道交通，船舶及海洋工程裝備，機器人等眾多行業(yè)中廣泛應用，我國的齒輪行業(yè)，中低端競爭激烈，高端的需求強勁，前景廣闊。典型產品 高速機車驅動單元，大型能源裝備的齒輪裝置，大功率艦船傳動系統(tǒng)，飛行器用齒輪傳動裝置，機器人傳

22、動裝置，汽車變速箱等。四、未來齒輪技術發(fā)展路線齒輪基礎技術2030年2020年2019年齒輪技術發(fā)展路線載荷譜及材料性能基礎數(shù)據庫目標：構建基礎研究和公共服務共享平臺目標：形成完整的齒輪標準化體系，2020年齒輪標準化進入世界五強；2030年齒輪標準化進入世界前兩強2030年2020年2019年 新齒形、新傳動形式關鍵設計技術齒輪技術發(fā)展路線齒輪技術發(fā)展路線齒輪技術發(fā)展路線2030年2020年2019年齒輪技術發(fā)展路線齒輪技術發(fā)展路線齒輪技術發(fā)展路線減振降噪技術多學科耦合的設計及分析技術目標：形成齒輪現(xiàn)代設計分析工具2030年2019年目標：功率密度提高一倍，功率損失降低50%驅動，傳動，控制

23、一體化設計技術關鍵加工技術齒輪技術發(fā)展路線目標：汽車齒輪使用壽命提供2-3倍解決磨削燒傷及裂紋問題齒輪技術發(fā)展路線齒輪技術發(fā)展路線2030年2020年2019年齒輪技術發(fā)展路線齒輪技術發(fā)展路線齒輪技術發(fā)展路線超硬加工及干切削技術大型齒輪修復與再制造2030年2020年2019年目標：2030年齒輪制造精度提高2倍目標：齒輪材料利用率提高約25%目標：齒輪材料利用率提高約50%目標：提高生產效率，平均每五年縮短生產周期10%-15%齒輪材料及熱處理技術齒輪技術發(fā)展路線目標：提高齒輪鋼材和鑄鍛件的品質滲碳和滲氮催滲技術齒輪技術發(fā)展路線齒輪技術發(fā)展路線2030年2020年2019年齒輪技術發(fā)展路線齒輪技術發(fā)展路線齒輪技術