鄭教授北京演講稿

螺旋錐齒輪和準雙面齒輪技術的發(fā)展與展望

——鄭昌啟中國人發(fā)明了齒輪，

近代西方使齒輪技術得到日益精湛的進步a)

中國人發(fā)明了齒輪

山西發(fā)掘出來的公元前400-200年的青銅齒輪；指南車，溪間水磨的齒輪傳動結構，證明了中國人是世界上最早發(fā)明和使用齒輪傳動的民族；b)

漸開線齒輪

漸開線齒輪的發(fā)明和它對軸間距誤差的良好的自適應性，特別是它的優(yōu)越的制造工藝性，使它成為平行軸齒輪傳動中的長期霸主；c)蝸輪副

蝸輪副的高減速比和平穩(wěn)傳遞軸間距較大的垂直方向的運動，有不可替代的地位；d)

錐齒輪，螺旋錐齒輪，準雙曲面齒輪錐齒輪螺旋錐齒輪，準雙曲面齒輪是相交軸傳動，特別是大功率的主傳動和軸間距較小的兩垂直方向的大功率驅動，它都是最佳的選擇；e)齒輪傳動的優(yōu)勢低能耗低成本，構結簡單，高可靠性的瞬時同步響應，和大范圍的等功率傳動效果，是齒輪傳動相對于其它任何機械，電器，液壓和氣動傳動所不能取代的優(yōu)勢；f)螺旋錐齒輪和準雙曲面齒輪技術發(fā)展目標：

高精度，高使用壽命，低噪音，高效率的加工生產(chǎn)；g)齒輪技術產(chǎn)業(yè)的組織發(fā)展特點：技術發(fā)展集團化，齒輪裝備配套生產(chǎn)供應。在西方高度工業(yè)化的國家，今天齒輪裝備的配套生產(chǎn)供應，已全部集團化到只有Gleason格里生和Klingelnberg克林根貝爾格兩家公司；2、螺旋錐齒輪技術在中國a)抗日戰(zhàn)爭時期造飛機發(fā)動機

飛機發(fā)動機需要制造螺旋錐齒輪的技術，使中國早期的機械工程技術界的精英，如西南聯(lián)大畢業(yè)的前機械工業(yè)部陶亨咸部長和前機械工業(yè)部總顧問雷天覺等老一輩專家，開始接觸和了解這門比較難于理解和掌握的技術。正是因為他們對這門技術的深知熟見及其后來在高層領導崗位上的決策和推動，才使這門技術在中國，有比相當一部份西方工業(yè)國家更為快速有效的發(fā)展和進步。b)解放后造汽車，拖拉機和坦克

為生產(chǎn)汽車等民生和國防大量需要的產(chǎn)品，五十年代初期中國開始大批量地經(jīng)由原蘇聯(lián)薩拉托夫機床廠和美國格里生公司引進或轉口輸入了弧齒錐齒輪加工的成套裝備和技術。原蘇聯(lián)還派遣了像克拉什尼科夫那樣的專家到第一汽車制造廠長時間幫助傳授這批裝備的調(diào)整使用技能。一汽車橋分廠負責弧齒錐齒輪加工應用技術開發(fā)的總工藝師李龍?zhí)煜壬?，因為首次在中國指導和組織大批量生產(chǎn)螺旋錐齒輪的成績顯著，在五十年代中期成為在第一汽車制造廠的中央大道兩旁張貼大肖像表彰的八位勞動模范之一。

此外，當時任中國四大齒輪廠之列的南昌齒輪廠總工程師曹存昌和北京齒輪廠的張學孟，石鳳山等老螺旋錐齒輪專家們對中國螺旋錐齒輪技術的進步也有很好的貢獻。哈工大的袁哲俊老教授和西安交大的樂兌謙老教授都在他們編寫的“齒輪刀具設計”一書中詳盡地講解了弧齒錐齒輪刀盤的設計制造原理。c)美國的禁運

美國的禁運使中國繼續(xù)進口格里生公司的高質量弧齒錐齒輪加工成套裝備和技術面臨諸多困難。五十年代末期，為了開辟第二個引進高質量的螺旋錐齒輪技術裝備的渠道，推動了Oerlikon（奧利康）制-延伸擺線錐齒輪加工技術在六十年代初期進入中國，使中國比像日本這樣高度發(fā)展的工業(yè)化國家早將近四十年就體驗到了原格里生制-弧齒螺旋錐齒輪和延伸擺線齒錐齒輪各自的優(yōu)缺點。d)考慮磨齒的未來遠景

考慮到磨齒的未來遠景,Gleason公司的前研究主任威爾德哈伯先生，放棄過延伸擺線錐齒輪而專注于發(fā)展弧齒錐齒輪，原蘇聯(lián)和中國也都接受了Gleason公司的威爾德哈伯先生的觀點.

另一方面，Gleason公司出產(chǎn)的機床的精度和質量水平明顯比當時的Oerlikon公司的產(chǎn)品高。Gleason公司創(chuàng)造研發(fā)新技術新加方法的速度更遠比Oerlikon公司的速度高而完善。所有這些，都促成中國主管這門技術的機械工業(yè)部，曾經(jīng)確定只發(fā)展弧齒錐齒輪加工裝備技術。e)機械部組織弧齒錐齒輪加工技術理論的全國專家攻關

美國長時間的禁運，技術原理和裝備技術復雜，加工質量難于獲得可靠的保證等因素，使中國一機部在文革末期，改革開放初期就組織了弧齒錐齒輪加工技術理論的全國專家攻關。f)弧齒錐齒輪的基本解析理論的首次破譯

原蘇聯(lián)出版的弧齒錐齒輪技術書籍都是將螺旋錐齒輪和準雙曲面齒輪設計制造的復雜函數(shù)關系簡單化為多元的線性關系來處理的，其計算的預期結果與實際獲得的效果相差較大，不能保證設計和制造質量。也不能解釋格里生的計算程序中復雜而精準的計算公式，更不能理解掌握其真實的理論依據(jù)。

在南開大學嚴志達教授介紹的運動矢量的相對微分和絕對微分方法的幫助下，和巴克斯特爾先生的“二次曲面原理”的啟示下，重慶大學以弧齒錐齒輪的M類機床調(diào)整計算程序為例，首先破譯了原瑞士機械工程師威爾德哈伯先生在Gleason公司創(chuàng)建的弧齒錐齒輪的機床調(diào)整計算系統(tǒng)和耶魯大學機械系畢業(yè)的Gleason公司前任研究主任巴克斯特爾先生創(chuàng)造的齒面接觸分析計算的的基本原理和方法，及其完善的準雙曲面齒輪的傳動和加工嚙合理輪。

西安交大的樂兌謙老教授是中國第一位在雜志上發(fā)表文章介紹Oerlikon（奧利康）制-延伸擺線錐齒輪加工技術的老教授。重慶大學在1958年大躍進期間就在當時綦江齒輪廠的總工藝師余煜華先生的支持下，參照前蘇聯(lián)的5A27C1弧齒錐齒輪銑齒機和Oerlikon（奧利康）的SKM2型延伸擺線錐齒輪銑齒機的結構完成了延伸擺線錐齒輪銑齒機的設計和部份鑄件的翻砂工作。后來因為總所周知的原因而下馬。所作的理論工作在六十年代才成稿，七十年代才在雜志上刊出。

由此而第一次出版了以嚴密的數(shù)學解析法系統(tǒng)地闡述弧齒錐齒輪和準雙曲面齒輪設計制造理論的書。也由于這些原因諸位手上的這本書，獲得了國家優(yōu)秀科技圖書一等獎。這些成績已通過中國留美學生的論文，相當部份已被抄寫在他的外國導師為NASA完成的科研報告之中。有的甚至整段地寫在他正式出版的書中卻不在該書的參考文獻中列出被抄寫的參考文獻。g)中國是世界上唯一的一個完全公開出版發(fā)行錐齒輪技術理論專著的國家

中國錐齒輪技術理論專家曾韜教授，吳緒堂教授和董學朱教授的不斷努力，使中國成為世界上唯一的一個完全詳盡地公開出版發(fā)行錐齒輪技術理論專著的國家。相對于其它工業(yè)高度發(fā)達的國家，中國也是高等院校中研究螺旋錐齒輪技術理論的教授和研究生最多的國家。h)國家特別投資的國營專業(yè)生產(chǎn)廠家和理論專家的分立和各行其事

不久以前在中國，對螺旋錐齒輪技術理論有真知熟見的專家們無緣使用研發(fā)和付諸產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)必需的鉅額的資本和技術設施。使得在私有資本進入這一領域之前，在舊的國有體制下，中國的螺旋錐齒輪技術理論研究成果只能成為寫書發(fā)表論文的工具。3.錐齒輪技術的現(xiàn)狀與展望a)一次安裝與五刀法理想的螺旋錐齒輪的銑齒工藝過程是配對的大輪和小輪都能在一次安裝中同時完成兩個齒面的粗、精加工。這在干切高速銑齒技術日漸推廣的今天將尤其重要。

從理論上看只有用連續(xù)分齒法銑削的延伸擺線齒錐齒輪和準雙曲面齒輪的大輪和小輪才可能都在一次安裝中完成兩個齒面的粗精加工。（插圖1，插圖2）因為刀盤的各組刀齒和工件齒輪之間的連續(xù)分齒運動才能將平面冠輪的輪齒兩側齒面的齒線按角位移的方式分布在節(jié)平面上，大，小輪才會有等角收縮的齒厚。用一次安裝同時完成兩個齒面的粗，精加工的工藝方法產(chǎn)生的齒線，才有可能實現(xiàn)配對齒輪的相互嚙合。插圖1：延伸擺線齒平面冠輪齒線的成形過程插圖2：延伸擺線齒的平面冠輪齒線圖

間歇分齒法加工的弧齒錐齒輪也要用雙面刀盤才能完成一次安裝同時銑出輪齒的兩側齒面。（插圖3）間歇分齒法的雙面刀盤在平面冠輪的節(jié)平面上劃出的兩側齒線是兩個半徑不同的同心圓，同心圓在平面冠輪的不同半徑上對應的圓心角不同，這就違背了一對齒輪傳動的各齒線必須按等圓周角分布的原則。插圖3：單面銑削和雙面銑削的弧齒錐齒輪齒線

否則就只有用三次切削來完成一個齒輪的粗，精加工，即粗銑用雙面刀盤一次安裝，精銑用單面刀盤各自用不同的機床和刀具調(diào)整參數(shù)分兩次兩次安裝加工兩側齒面。如果真要這樣，則應稱為六刀法。

折衷的辦法是用五刀法：大輪用雙面刀盤分粗，精兩道工序銑齒。小輪用雙面刀盤粗銑后再用單面刀盤各用不同的機床和刀具調(diào)整參數(shù)精銑兩側齒面。雖然弧齒收縮齒也有一次安裝同時粗，精加工完成一個齒輪的的全工序法，其實質是利用改變一對齒輪的根錐角的所謂復合雙面切削法來實現(xiàn)一次安裝完成一個齒輪的粗，精加工，但對于中等模數(shù)以上尺寸規(guī)格的齒輪難于獲良好的加工質量。b)等高齒制與收縮齒制，兩軸不平行不相交的傳動中的相對螺旋運動

螺旋錐齒輪理論上的線共軛嚙合和等速傳動只有用等高齒制才有可能實現(xiàn)；（插圖4）小端容易齒頂變尖，齒根容易發(fā)生根切使弧齒錐齒輪一般不宜用等高齒制；收縮齒制弧齒錐齒輪的一對共軛齒面的產(chǎn)形面（刀刃或砂輪構成的園錐面或園弧面）不可能有一條公共母線，因而只能用近似逼近的方法來實現(xiàn)大輪和小輪齒面的點接觸局部共軛嚙合。插圖4：等高齒與收縮齒的產(chǎn)形面

兩軸不平行不相交的齒輪副（插圖5）要實現(xiàn)理論上的線接觸傳動，其一對齒面之間的相對運動必須是螺旋運動。因此，這種傳動副的節(jié)曲面應該是雙曲面（插圖6）。一對傳動副中必須有一個齒輪的齒面是螺旋面。如蝸輪蝸桿傳動（插圖７），錐蝸桿傳（插圖８）。插圖5：兩軸線不平行不相交的旋轉體之間的相對運動合成插圖6：雙曲面形的節(jié)曲面插圖7：蝸輪蝸桿傳動插圖8：錐蝸桿傳動

但是，無論是那種蝸輪蝸桿傳動，加工蝸輪的刀具或砂輪必須具備或致少是要演繹螺旋面的結構，這樣的工具無論如何達不到端銑盤銑刀或桶形砂輪那樣的高生產(chǎn)效率。其次是蝸輪蝸桿傳動的功率消耗大，并且不適宜傳動比小的設計。

另外螺旋錐齒輪和準雙曲面齒輪一般都是懸臂結構，完全的線共軛傳動對懸臂結構支承的彎曲變形很敏感。因此，按照點接觸局部共軛的原理來指導加工螺旋錐齒輪和準雙曲面齒輪才是最佳的選擇。

但是，必須強調(diào)，銑削和磨削加工螺旋錐齒輪和準雙曲面齒輪的過程是百分之百的線共軛過程。c)局部共軛的微分鄰域特性（插頁1，2,3插圖9)插圖9：齒面的微分鄰域特性插頁1插頁2插頁3d)滾切法與成形法

滾切法是用刀具或砂輪的運動來模擬的與被加工齒輪作線共軛嚙合的冠輪來加工齒輪。這種冠輪又稱為產(chǎn)形齒輪。它一般是平面冠輪，也可以是節(jié)錐角比較大的錐形冠輪。成形法是在沒有滾切運動的條件下由刀盤或砂輪直接在固定不動的齒胚上銑出或磨出齒槽。

成形法生產(chǎn)效率高，因為錐齒輪的輪齒應繞在節(jié)錐面上，成形法只能用在節(jié)錐角大的齒輪上。加工成形法的小輪最好是用使刀盤主軸相對于產(chǎn)形齒輪軸線傾斜的所謂刀傾法來實現(xiàn)。插圖10：傾斜與不傾斜的刀盤軸線e)刀傾與滾切運動

（插圖10）調(diào)整刀盤主軸軸線相對于產(chǎn)形齒輪的軸線間的夾角可有以下效果：

1.無需改變刀盤的齒形角或滾切運動就可獲得要求的齒輪壓力角（插圖11）;2.通過改變刀盤的齒形角和調(diào)整刀盤半徑就可以直接解決齒高方向的三階接觸問題而不帶來其它高階接觸問題（插圖12）；插圖11：刀盤軸線傾斜時的根錐節(jié)平面插圖12：刀傾可改變曲率的變化率3.用刀傾法加工半滾切法的小輪時，如果是等高齒制產(chǎn)形齒輪的輪齒齒面完全就是用成形法加工的大輪齒面；如果是收縮齒也可不用改變滾比值的方法來獲得需要的齒輪壓力角；4.在需要用直徑小的刀盤加工節(jié)錐角大的齒輪時直有用傾斜刀盤主軸的方法才能避免可能發(fā)生的二次切削或磨削。沒有刀傾機制的滾切法一切齒面接觸問題都只有靠改變滾切運動的方法來解決。單靠滾切運動來改善齒面接觸質量常常會顧此失彼。有時就根本得不到良好的結果。f)延伸擺線齒錐齒輪加工技術和自由型數(shù)控六軸五聯(lián)動銑齒機

延伸擺線齒在中小規(guī)格螺旋錐齒輪加工中的高生產(chǎn)效率，低傳動噪音，加上數(shù)控技術的日益完善，再使Gleason公司首先創(chuàng)造了自由型，數(shù)控，弧齒和延伸擺線齒雙齒制，刀傾法和滾切修正法兼?zhèn)涞娜δ艿腜hoenixI型螺旋錐齒輪加工機床。

（插圖13）丟掉了由多達九層重疊的旋轉套構成的搖臺式舊式機床不僅提高了機床的動態(tài)特性和機床結構設計的大簡化和多樣性，并使嚴格，高效的質量控制和機床調(diào)整過程的完全自動化循環(huán)得以實現(xiàn)。使一臺銑齒機不僅可以實現(xiàn)雙齒制，還可以和任何銑齒機任何加工方法配套使用。插圖13：自由型銑齒機的刀盤主軸和工件主軸

（插圖13）在自由型數(shù)控銑齒機上要保持刀傾調(diào)整的優(yōu)點就必須是六軸五聯(lián)動。五軸三聯(lián)動不僅會失去刀傾調(diào)整的優(yōu)點同時也不能加工只需一次安裝就能完成輪齒兩側齒面的粗，精加工的延伸擺線齒錐齒輪。延伸擺線齒錐齒輪的不能磨齒的最大缺陷在自由型數(shù)控六軸五聯(lián)動銑齒機上又能用加工弧齒錐齒輪的功能來彌補；g)刀具材料和涂層技術的進步和普及使新的高速干切銑齒機不斷出現(xiàn)

刀具材料和涂層技術長足進步使螺旋錐齒輪的銑齒切削速度從原來的每分鐘30-40米左右發(fā)展到現(xiàn)在最高可能達到接近每分鐘300米。這種進步促使格里生鳳凰II型，克林根貝爾格的C60，C50自由型干切高速銑齒機數(shù)控六軸五聯(lián)動銑齒機紛紛上市。

目前，中國國產(chǎn)的高水平硬質合金材料和刀條制造工藝已完全能達到采用高速干切銑齒的要求。專用的尖齒刀條磨刀機已有價格和性能比較合適的國外供應渠道。國內(nèi)獨立設計生產(chǎn)這種磨刀機的技術條件已經(jīng)具備，提供這種磨刀機的時期不會是多年的等待。國內(nèi)已經(jīng)有成熟的刀條涂層服務廠家；h)干切高速銑齒的經(jīng)濟成本效益肯定超過現(xiàn)有的其它類型的銑齒機

國內(nèi)先進的汽車螺旋錐齒輪生產(chǎn)廠家經(jīng)過一年多的試用，已使干切高速銑齒的生產(chǎn)效率穩(wěn)定地達到五分鐘左右銑完一個大輪（盆齒），重磨一次刀條可以穩(wěn)定地達到銑削140個左右的盆齒（大輪）。經(jīng)濟成本效益肯定超過現(xiàn)有的其它類型的銑齒機；i)干切高速螺旋錐齒輪銑齒機必須具備的基本技術性能銑齒過程是間斷的衝擊切削過程，干切高速銑齒要求機床的機械結構具有高的動剛度；動剛度又是實現(xiàn)精準的六軸五聯(lián)動的數(shù)控過程的必要條件；干切高速銑齒還要求將快速生成的切屑及時排除；銑削效率提高到五分鐘左右銑完一個大輪（盆齒）之后采用一次安裝同時完成輪齒兩側齒面的粗銑和精銑的工藝方法就顯得尤其必要。

對于中等尺寸的螺旋錐齒輪采用連續(xù)分度的延伸擺線齒錐齒輪銑齒法，配以能數(shù)字化控制研齒運動過程中的研齒機是實現(xiàn)干切高速銑齒的最佳選擇。k)研發(fā)齒輪新技術必須的考量1.技術上的科學性：科學理論上是否有誤判或盲點。如是否合符運動學，動力學以及齒輪嚙合原理上的規(guī)律和條件。如有人提出用任意直徑的刀盤去銑準雙曲面齒輪，數(shù)控自由型銑齒機上的五軸三聯(lián)動，與六軸五聯(lián)動的爭論實際上是對銑齒機新技術的科學性的爭論。2.性能和成本上的先進性：生產(chǎn)效率，應用價值和經(jīng)濟成本上的先進性等。也就是常說的性價比的先進性。如有人稱他發(fā)明了用滾輪式的展成法去車削曲線母線的軸類零件，實際上就是失去了加工的先進性。3.工程實施中的可行性：有些東西從運動學，動力學以及齒輪嚙合原理上看來是合理的，但在工程上無法實施。如有人主張采用延伸擺線齒錐齒輪的磨齒技術就是缺乏工程上的可行性。4.技術進步的必要性：例如，和現(xiàn)在已有兩種齒制相比，像有人提出那樣再去建立新的XXX齒制之類的。j)干切高速螺旋錐齒輪銑齒機必須具備的配套工藝裝備

1.可重磨的次數(shù)很高的硬質合金尖齒銑刀條和結構剛性好的刀體;