齒輪作為傳動(dòng)系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件，不僅傳動(dòng)動(dòng)力和能量，更是世界文明和科學(xué)技術(shù)的傳承和一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的體現(xiàn)，從某種意義上講也是一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的局部展示。我國(guó)現(xiàn)在已是齒輪生產(chǎn)大國(guó)，但生產(chǎn)的齒輪產(chǎn)品性能還是與國(guó)外存在一定的差距，如使用壽命短、承載能力差和質(zhì)量不穩(wěn)定等，那么是什么制約了我們對(duì)高端齒輪產(chǎn)品的研制呢?一方面是我們現(xiàn)有的以利益為導(dǎo)向的科研評(píng)價(jià)體系問(wèn)題，我們的研究部門(mén)很多單位已缺失可以長(zhǎng)期潛心專(zhuān)門(mén)從事研究的科研團(tuán)隊(duì)，現(xiàn)在不管是高校還是研究所，為了能夠申請(qǐng)到課題，很多項(xiàng)目都是跟蹤國(guó)外的熱門(mén)話(huà)題和炒作新概念，很少是專(zhuān)門(mén)針對(duì)某一個(gè)問(wèn)題來(lái)持續(xù)研究幾十年的，而且項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)也很少有持續(xù)支持幾十年去干一件事情的，這就很難保持科研人員隊(duì)伍長(zhǎng)期進(jìn)行專(zhuān)心研究;另一方面是我們的認(rèn)識(shí)還不到位，我們的產(chǎn)品現(xiàn)在多數(shù)還停留在滿(mǎn)足圖紙尺寸形狀要求的成形加工制造水平，甚至對(duì)于復(fù)雜的構(gòu)件，連按照?qǐng)D紙加工生產(chǎn)出來(lái)都有可能成為問(wèn)題，這就難以要求我們加工生產(chǎn)的產(chǎn)品還要保證具有較好的服役性能。齒輪產(chǎn)品的升級(jí)換代需要通過(guò)技術(shù)的革新和體制的完善來(lái)轉(zhuǎn)換產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提升齒輪質(zhì)量，尤其是要從成形制造轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻嫱暾灾圃觳⒅鸩教嵘娇蛊谥圃?。本文從技術(shù)角度來(lái)闡述國(guó)內(nèi)外齒輪的表面完整性制造技術(shù)現(xiàn)狀，并展望了未來(lái)的抗疲勞制造發(fā)展趨勢(shì)，以期對(duì)我國(guó)齒輪產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)品升級(jí)能夠提供一些參考和建議。

1、表面完整性制造的概念和技術(shù)體系常見(jiàn)的齒輪失效形式有齒根的彎曲疲勞、齒面的接觸疲勞、磨蝕和磨損等，而且這些失效多數(shù)源自齒面或齒根的表面，因此齒輪表面顯得非常重要，表面完整性決定了其服役性能。表面完整性是指無(wú)損傷或得以強(qiáng)化的表面狀態(tài)及由其決定的性能。這些性能包括了零部件使用所涉及到的疲勞、腐蝕與摩擦磨損等3個(gè)方面。

關(guān)于表面完整性的概念與內(nèi)涵表示在圖1中的實(shí)線(xiàn)框內(nèi)，主要有表面狀態(tài)和表面性能兩個(gè)組成部分。表面狀態(tài)決定或影響了表面性能，表面性能體現(xiàn)或反映了表面狀態(tài)，它們之間具有映射關(guān)系。為獲得某種特定的齒輪性能，需要賦予強(qiáng)化的表面狀態(tài)。以工程中應(yīng)用最為普遍的一種表面強(qiáng)化技術(shù)噴丸為例，噴丸強(qiáng)化對(duì)齒輪零件表面完整性狀態(tài)改善情況示意于圖2，它包括了表面粗糙度、表面硬度和表面殘余應(yīng)力等。

齒輪的表面完整性制造就是齒輪表面得到無(wú)損傷或強(qiáng)化狀態(tài)的加工制造技術(shù)。表面完整性制造技術(shù)和成形制造技術(shù)并不矛盾，成形制造是形狀制造，是表面完整性的前一工序，表面完整性制造則是性能制造，是在成形制造的基礎(chǔ)上對(duì)表面進(jìn)行的表面性能的提升與保證。表面完整性制造技術(shù)體系包括了加工技術(shù)體系和檢測(cè)控制體系兩個(gè)方面，前者主要側(cè)重所加工材料的特性與工藝參數(shù)的優(yōu)化，后者則是對(duì)表面完整性狀態(tài)的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)與反饋控制。往往人們只注重前者，而對(duì)后者關(guān)注較少，這也是我們?yōu)槭裁串a(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的主要原因，需要重視和加強(qiáng)相關(guān)的研究。齒輪的服役性能主要包括長(zhǎng)壽命和低噪音等指標(biāo)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合這兩個(gè)方面的需求來(lái)選擇適宜的表面完整性制造加工工藝。從提高齒輪的彎曲疲勞壽命和接觸疲勞壽命來(lái)講，采用無(wú)損傷的機(jī)械加工工藝，表面滲碳、滲氮、碳氮共滲等化學(xué)熱處理來(lái)提高表面層的硬度和強(qiáng)度，噴丸或激光沖擊強(qiáng)化等表面強(qiáng)化工藝來(lái)引入殘余壓應(yīng)力，最后為了減小表面粗糙度形成的應(yīng)力集中影響，對(duì)齒輪齒根和齒面進(jìn)行精細(xì)的拋光或磨削。從降低齒輪嚙合時(shí)的噪音而言，對(duì)于表面的粗糙度和紋理度要求都很高。必須嚴(yán)格控制嚙合面的齒形尺寸和加工精度，并保證完好的裝配和潤(rùn)滑。這樣，齒輪的表面完整性加工設(shè)計(jì)要求見(jiàn)圖3。2、齒輪表面完整性制造技術(shù)的現(xiàn)狀2．1齒輪的機(jī)械加工及表面完整性控制齒輪的機(jī)械加工及表面完整性控制為了提高齒輪加工的生產(chǎn)效率和確保齒輪的表面完整性，通常將齒輪的機(jī)械加工分為粗加工和精加工，常見(jiàn)的齒輪加工方式見(jiàn)圖4。粗加工時(shí)的進(jìn)給量較大，生產(chǎn)效率較高，主要是完成制出成形加工前所需的大致輪廓，其對(duì)表面完整性的要求不高，主要是要控制在成形加工最終尺寸要求內(nèi)的表面層不引入組織缺陷和過(guò)大的殘余拉應(yīng)力，所采用的措施是磨輪高速快磨和高速的冷卻與潤(rùn)滑;但在精加工時(shí)進(jìn)給量和磨削速度都很小，就是典型的“磨洋工”才能出細(xì)活，而且要確保表層的殘余應(yīng)力處于很小數(shù)值或殘余壓應(yīng)力狀態(tài)。無(wú)論是粗加工還是精加工當(dāng)接觸面較大和冷卻潤(rùn)滑條件不好時(shí)，表面都極易產(chǎn)生燒傷，這對(duì)齒輪的承載和使用壽命將產(chǎn)生不利影響，尤其是關(guān)鍵的重載齒輪表面不允許存在燒傷缺陷，因此對(duì)于機(jī)械加工過(guò)程中表面完整性的在線(xiàn)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)顯得非常重要和必要。

2．2齒輪的熱處理硬化及表面完整性控制承力齒輪常常需要采用感應(yīng)淬火、滲碳、滲氮或碳氮共滲以及滲硼或其他元素來(lái)增加表面層的硬度，提高表面層的強(qiáng)度，從而來(lái)增加表面層的疲勞抗力和減小表面磨損。適宜的硬化層深度和硬度梯度是齒輪熱處理硬化的關(guān)鍵。過(guò)硬的表面和較大的硬化梯度或較淺的硬化層深度極易形成具有雞蛋殼似的硬層，這將導(dǎo)致齒輪受載后表面層發(fā)生早期剝落，應(yīng)引起足夠的重視，并采用適當(dāng)?shù)挠不に噥?lái)避免出現(xiàn)此類(lèi)情況。低于規(guī)定的硬度和較小的硬化層硬度梯度或較深的硬化層則易在表面形成磨損或難以達(dá)到預(yù)期的硬化效果。齒輪熱處理硬化的表面完整性控制就是控制表面硬化層的組織結(jié)構(gòu)、硬度梯度和硬化層深度以及殘余應(yīng)力等。齒輪熱處理硬化控制不當(dāng)易導(dǎo)致表層出現(xiàn)黑色組織、脫碳、白亮層較深、微觀裂紋等缺陷，也易導(dǎo)致本應(yīng)形成的殘余壓應(yīng)力變成殘余拉應(yīng)力。2．3齒輪的表面強(qiáng)化及表面完整性控制齒輪除了表面硬化來(lái)提高表面層的硬度和強(qiáng)度外，為了提高齒輪根部的彎曲疲勞性能和延長(zhǎng)齒面的接觸疲勞壽命，往往在表面硬化處理后再采用噴丸強(qiáng)化、滾壓強(qiáng)化和激光沖擊強(qiáng)化來(lái)引入殘余壓應(yīng)力以改善表面層內(nèi)的殘余應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)一步提高齒輪的服役壽命。激光沖擊強(qiáng)化由于脈沖能量高和傳輸效率好而近年來(lái)在工業(yè)上得以應(yīng)用，最初是應(yīng)用在航空工業(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片上，近年來(lái)推廣應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)的齒輪上。與噴丸強(qiáng)化相比，其表面殘余壓應(yīng)力數(shù)值更大，可更好地改善齒輪的疲勞性能和延長(zhǎng)服役壽命。國(guó)外最近的發(fā)展趨勢(shì)是研發(fā)多脈沖激光發(fā)射裝置，從而制備出類(lèi)似手術(shù)臺(tái)探照燈似的激光器來(lái)輻照零件，一方面可以提高激光沖擊強(qiáng)化的生產(chǎn)效率，另一方面可以增加激光沖擊強(qiáng)化的表面覆蓋率。國(guó)內(nèi)對(duì)激光沖擊強(qiáng)化的研究目前還處在初級(jí)階段，這體現(xiàn)在一方面是基礎(chǔ)研究還不系統(tǒng)和充分，另一方面是還不具備高性能穩(wěn)定的激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備相應(yīng)的研發(fā)能力。2．4齒輪的最終加工及表面完整性控制齒輪在表面熱處理硬化或強(qiáng)化后常常出現(xiàn)黑色氧化皮或其他一些缺陷，如表面粗糙度過(guò)大或表面脫碳等。齒輪的最終加工常常是為了保證表面質(zhì)量而進(jìn)行的精細(xì)加工，如研磨、珩磨和拋光等。日本、德國(guó)最近發(fā)展了很多較新的拋光工藝并申請(qǐng)了很多專(zhuān)利技術(shù)，國(guó)內(nèi)最近也研發(fā)出了脈沖電化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)用于齒輪的拋光以提高表面光潔度。齒輪的最終加工對(duì)于齒輪的表面完整性影響很大，應(yīng)該加以重視和研究，國(guó)內(nèi)對(duì)此還不是很關(guān)注，因此常常在齒輪表面硬化或強(qiáng)化后交付客戶(hù)使用，而沒(méi)有進(jìn)一步通過(guò)最終的精細(xì)加工來(lái)改善表面完整性從而更好地延長(zhǎng)齒輪的服役壽命。

3齒輪抗疲勞制造技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)齒輪制造技術(shù)發(fā)展的第三個(gè)階段可稱(chēng)為齒輪的“抗疲勞”制造。某院士提出并大力倡導(dǎo)關(guān)鍵構(gòu)件的“抗疲勞”制造。所謂“抗疲勞”制造是控制表面完整性和表面變質(zhì)層，以疲勞性能為主要判據(jù)和提高疲勞強(qiáng)度的制造技術(shù);表面完整性是控制加工工藝形成的無(wú)損傷或強(qiáng)化的表面狀態(tài);表面變質(zhì)層是控制加工工藝形成的無(wú)損傷或強(qiáng)化的亞表層狀態(tài)。與“表面完整性”制造不同，抗疲勞制造不僅要滿(mǎn)足形位、表面粗糙度等設(shè)計(jì)圖紙規(guī)定要求和達(dá)到關(guān)鍵構(gòu)件的設(shè)計(jì)性能外，還要保證關(guān)鍵構(gòu)件長(zhǎng)壽命使用。其標(biāo)志性指標(biāo)中，除了表面粗糙度Ｒa等“標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)組”外，還有“表面變質(zhì)層數(shù)據(jù)組”，抗疲勞制造的目標(biāo)和使命轉(zhuǎn)變?yōu)榫?、長(zhǎng)壽命和經(jīng)濟(jì)可承受性，主體變?yōu)榭蛊谇邢骷庸ず透吣芑蚋吣軓?fù)合表層改性。其成效主要表現(xiàn)為關(guān)鍵構(gòu)件疲勞壽命較“成形”制造提高幾十倍到幾百倍，可靠性提高一個(gè)到幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

4結(jié)束語(yǔ)齒輪的表面完整性制造與抗疲勞制造將賦予齒輪表面具有新性能與功能，使齒輪零件具有長(zhǎng)壽命、抗疲勞、高可靠的服役特性，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)齒輪產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)、產(chǎn)品換代的關(guān)鍵核心技術(shù)，也是我國(guó)齒輪生產(chǎn)行業(yè)從中低端產(chǎn)品生產(chǎn)邁向高端產(chǎn)品制造的重要途徑。實(shí)現(xiàn)齒輪從成形制造到表面完整性制造的轉(zhuǎn)變并發(fā)展新的齒輪抗疲勞制