齿轮制造技术详解：粉末冶金与精锻齿轮的制造方法及传统加工方式

齿轮在机械工业中应用广泛，是机械工业中重要的传动部件之一。由于齿轮的重要性，各国都制定了完整的设计、制造和检验标准。虽然不同地区的标准存在一些差异，但齿轮标准化已成为共识，如最新版本的AGMA、JIS、ISO、DIN和GB，很大程度上拉近了彼此的距离。如今，随着科学技术的飞速发展，齿轮的制造变得更加多元化。齿轮根据制造工艺可分为不同类型，包括粉末冶金、精密锻造以及传统的机械加工和热处理方法。

本文将简要介绍粉末冶金齿轮和精锻齿轮的制造方法，并介绍传统的齿轮加工方法，即机械加工和热处理，主要是渐开线齿轮。

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·粉末冶金齿轮·

粉末冶金齿轮制造技术近十年来发展迅速。其主要应用领域是一些小排量发动机齿轮、泵齿等机械性能要求相对较低的齿轮产品。由于它依靠中间模具一次成型齿轮形状，因此具有一致性高、初始设备成本相对较低、设备产能投资快、自身成本低等优点。以下是粉末冶金齿轮的粗略流程图，供参考。

粉末冶金材料的选择有很多相应的标准，如DIN30910、MPIF35和ISO5755等。有些硬度和强度较高的齿轮可以通过回火来增强其表面硬度和强度。

·精密锻造齿轮·

差速器直齿锥齿轮多采用精密锻造工艺。国内有很多成熟的企业为世界各大汽车公司生产相关的直齿锥齿轮。

·优点：适合大批量生产。

·缺点：热处理工艺要求高（渗碳淬火会造成热处理变形大），锻模精度要求高，对于高精度齿轮有一定的局限性。

·常规渐开线直齿轮/斜齿轮加工制造

（由于弧齿锥齿轮特殊的加工特性，不在此列）·

下面介绍常规齿轮加工，包括原材料选择、锻造、热预加工、热处理、热后加工和特殊表面处理工艺。

·原料选择·

原材料的选择直接影响齿轮加工的后续热处理工艺，也决定了齿轮的基本机械性能。可根据整机的性能，根据材料的淬透性等性能指标来选择。国内常规材料基本都是按照GB、DIN、SAE、ASTM、EN、BS等标准。

渗碳齿轮常用材质：（低碳钢中常伴有一定含量的合金元素，如锰、铬、镍等，以提高低碳钢的淬透性）

ASTM A304：8720H、8620H等

EN10084：20MoCr4、20MnCr5、18CrMo4、16MnCr5等

GB/T 5216：20CrMnTiH、20CrMnHH等

JIS G4052：SCM418、SCM420等

氮化齿轮常用材料：

ASTM A304：4140H、4142H等

JIS GG4052：SCM440等

DIN EN 10083：42CrMo4 等

注：不同淬透性的钢会影响热处理后淬硬层的深度，也会影响零件的热处理变形。

·锻造·

对于结构复杂的齿轮，可以锻造，可以节省原材料和粗车时间。还可以通过锻造和随后的正火获得更好的机械性能和金相组织。常规盘齿为模锻件，齿圈多为扭环。

·粗车、精车·

目前，由于成本压力，国内齿轮制造商基本上将粗车、半精车和精车委托给供应商。齿轮的后续加工标准基本在此过程中完成。

·滚齿/插齿/车齿/搓齿/铣齿·

在齿形的初始成形过程中，如果存在底切槽，一般外齿采用滚齿加工。如果没有退刀槽，可以采用插齿；插齿常用于内齿。最近，齿轮车削由于其高效率和更好的精度。在行业中也占有一定的比例。由于加工工艺的限制，搓齿仅适用于模数较小的齿，多用于花键。铣齿轮多用于加工大齿段和一些特殊齿轮。

·剃牙·

与齿的最终加工工艺相比，剃齿的去除余量较小，刀具成本、设备成本和维护成本相对较低，常用于精度要求相对较低的齿轮。氮化齿轮常采用剃齿加工，因为氮化过程中齿轮的热处理变形较渗碳过程小。

·热处理·

主要从概念上介绍渗碳和渗氮工艺。限于篇幅，感应淬火、回火工艺以及碳氮共渗（软氮化或氰化）不予介绍。

·渗碳：常规齿轮渗碳热处理伴有淬火和低温回火。低碳钢常采用渗碳工艺，使低碳钢表面的碳含量提高到与高碳钢相似，但心部保留。低碳钢的特点。常规设备是气体渗碳和真空渗碳。加热温度为900-950℃，强渗透和扩散是重要阶段。表面硬度可达56-62HRC。淬火系统的质量对渗碳的结果也有重要影响。

（注：并非所有尺寸都适合渗碳后加工，此类尺寸的表面可涂防渗涂层，以防止表面硬度达高而无法加工。）

·氮化：（硬质氮化）氮化工艺可以使齿轮表面达到良好的耐磨性。对于氮化零件加热前的预清洗尤为重要。会影响渗氮后的表面质量。对于氮化件来说，不同行业的公司对表面白化层和脆性的要求也不同。气体氮化时间较长，因此成本较高。氮化层比较薄，不建议用于冲击大、负载高的齿轮。常规加热至500-600°C。

（备注：钢中含有一定的铝元素，可以适当加快氮化时间，氮化前回火和回火温度一般高于氮化温度，氮化表面一般不进行后续热处理。）

·强力喷丸强化·

强力喷丸工艺可以增加齿轮表面的压应力，可以有效提高齿轮表面的抗疲劳强度。目前，行业内的强力喷丸设备在过程控制方面已经比较成熟，可以有效地监控阿尔门试件并控制相应的强力喷丸。喷丸时间保证喷丸质量。不同的强力喷丸颗粒材料和直径选择会影响最终的结构。这个过程可以在磨牙之前或之后完成。

·磨齿·

齿轮磨削作为高精度齿轮的最后一道工序，近年来得到了国内主流厂家的大力推广。其中蜗杆磨削因其效率高而受到广大汽车相关齿轮生产厂家的大力推广。主要进口机床制造商有KAPP、REISHAUER，国内齿轮磨削设备制造商Gleason、LIERHERR等也开始占领部分市场，在生产效率、精度和设备可靠性方面都取得了质的飞跃。

关于磨削纹理的设置，每个机床制造商都有自己的特点。齿轮磨削加工不仅依赖于机床的精度，金刚石滚轮、砂轮和装夹工装的精度也会直接影响最终产品的齿面精度。

注意：磨削齿轮时需要特别注意磨削烧伤。特别是磨削烧伤形成的二次淬火马氏体对齿轮的寿命有着致命的影响。

·超净抛光·

目前，部分高端超高精度齿轮采用该工艺，国内也有成熟的相关工艺改进公司。齿轮可以依靠这种工艺来改善表面粗糙度，以提高其抗疲劳能力。

由于传动效率高，齿轮在新能源汽车、风电等领域仍具有良好的市场前景。国内齿轮制造企业在装备和工艺水平方面已日趋完善，但国内齿轮加工设备的研发和制造仍有一定的提升空间。