第1章 激光精微制造应用技术概述
　　1.1 点接触共轭曲面齿轮制造应用技术概况
　　1.1.1 点接触共轭曲面齿轮的分类、特点与加工工艺流程
　　点接触共轭曲面是指两运动曲面在任意时间都按啮合方程在接触线上的某一点相切接触。点接触共轭曲面齿轮主要有螺旋锥齿轮和面齿轮两类，它们的分类、特点与加工工艺流程介绍如下。
　　1. 螺旋锥齿轮的分类与特点
　　螺旋锥齿轮用来传递相交轴或偏置轴之间的回转运动，可按多种方式分类。根据齿面节线不同，螺旋锥齿轮可分为弧齿锥齿轮、延伸外摆线锥齿轮；根据主动轮与从动轮的轴线相互位置不同，螺旋锥齿轮可分为正交锥齿轮、偏置锥齿轮（准双曲面齿轮）；按齿制不同，螺旋锥齿轮可分为Gleason制锥齿轮、Oerlikon制锥齿轮、Klingelnberg制锥齿轮。由于目前瑞士Oerlikon公司已归属于美国Gleason公司，所以Gleason制锥齿轮在各国广泛应用[1]。
　　螺旋锥齿轮与直齿锥齿轮相比，具有如下特点[1]：
　　（1）增大了接触传动比，即重叠系数。由于螺旋锥齿轮的齿线是曲线形的，齿轮在传动过程中至少有两个齿同时参与接触，即在啮合过程中存在重叠交替接触，所以这种结构减轻了冲击与振动，提高了传动平稳性，降低了噪声。
　　（2）因存在螺旋角而增大了重叠系数，降低了负荷比压，使磨损更加均匀，提高了齿轮的承载能力和使用寿命。
　　（3）其齿面研磨使齿面更加光顺，可通过调整加工齿轮的刀盘半径，利用齿线曲率修正接触区的位置，以改善接触区和齿面粗糙度。
　　（4）可实现较大的传动比，小轮的齿数可以少至五个齿。
　　由于螺旋锥齿轮具有上述优势，所以广泛应用于汽车、工程机械、航空、航海等领域的大功率机械传动。
　　2. 面齿轮的分类与特点
　　面齿轮是与圆柱齿轮啮合、实现空间相交或交错传动的齿轮。面齿轮根据轮齿方向的不同，可分为直齿面齿轮、斜齿面齿轮和弧齿（弧线齿、渐开弧）面齿轮三种类型；根据两个传动轴之间的相互位置关系，可分为相交轴面齿轮和偏置轴面齿轮[1]。
　　与锥齿轮相比，面齿轮具有如下特点[2]：
　　（1）面齿轮传动的小轮为渐开线圆柱齿轮，其传动互换性好；啮合副啮合的公法线相同，作用力方向不变，啮合时无轴向载荷，可简化支撑结构，减轻重量。而锥齿轮传动中有轴向载荷，支撑结构复杂、体积较大。
　　（2）锥齿轮的传动比在一定范围内变化，而面齿轮的传动比恒定，使得其传动振动较小，噪声较低。
　　（3）安装误差对面齿轮传动的影响较小，无须对面齿轮进行防错位设计，安装方便；而锥齿轮传动中轴向位置误差将引起严重偏载，必须进行防错位设计。
　　（4）面齿轮传动比锥齿轮传动具有较大的重合度，面齿轮传动空载时重合度可达1.6～1.8，承载时重合度会进一步增大，提高了承载能力，增强了传动平稳性。
　　（5）面齿轮副加工过程中，不同面齿轮的加工刀具参数不同，因此会增加刀具数量，提高加工成本；面齿轮在内径处易产生根切，在外径处齿顶会变尖，面齿轮的齿宽不能设计得过大，从而影响面齿轮的承载能力。对于锥齿轮副，必须配对加工和使用，其检测与维修复杂。
　　由于面齿轮具有上述优势，所以也广泛应用于航空航天、交通运输、能源装备、工程机械等领域。
　　3. 点接触共轭曲面齿轮的加工工艺流程
　　1）螺旋锥齿轮材料及其加工工艺流程
　　螺旋锥齿轮副常用的材料有20CrMnTi、20CrMoTi、20CrMnMo、17CrNiMo6等合金钢，其中20CrMnTi是一种中淬透性合金渗碳钢，在齿轮制造中应用较普遍[3]。本节选用的螺旋锥齿轮材料为20CrMnTi，其化学成分如表1.1所示。弧齿锥齿轮大轮设计参数如表1.2所示。
　　以某弧齿锥齿轮为例，其一般加工工艺流程方案有如下三种。
　　方案（1）：下料→毛坯锻造→正火→车→粗铣、半精铣（也可高速铣齿，留磨量）→渗碳、淬火＋回火→磨齿→全检→入仓。
　　方案（2）：下料→毛坯锻造→正火→车→粗铣、半精铣→渗碳、淬火＋回火→高速精铣齿→全检→入仓。
　　方案（3）：下料→毛坯锻造→正火→车→粗铣、半精铣→渗碳、淬火＋回火→高速精铣齿→齿面测量→激光精修→全检→入仓。
　　各项热处理工艺过程与技术要求如下。
　　（1）正火：温度900℃，均温3.5h，空冷。
　　（2）渗碳、淬火：渗碳炉内温度930℃，介质为煤油，降至880℃后，出炉缓冷，渗碳层深度为1.1～1.5mm；淬火温度880℃，均温2.5h，油冷；低温回火，回火炉温度160℃，均温2h，空冷。
　　（3）回火：温度160℃，均温3h。
　　（4）全检时螺旋锥齿轮精度和粗糙度达到规定要求，有效硬化层深0.8～1.2mm，齿面硬度58～62HRC，心部硬度30～42HRC。
　　方案（3）在全检工序前安排了齿面测量工序，以确定激光精修时的厚度，再通过激光精修工序来提高螺旋锥齿轮精度。按照表1.2和方案（3）加工的弧齿锥齿轮大轮加工试件如图1.1所示。
　　图1.1 弧齿锥齿轮大轮加工试件
　　2）面齿轮材料及其精微加工工艺流程
　　面齿轮常用的材料有18Cr2Ni4WA、9310、12Cr2Ni4A、12CrNi3A、17CrNiMo6等钢，其中18Cr2Ni4WA是一种优质渗碳钢，具有强度高、淬透性好、韧性高等优点，它既可以在渗碳淬火状态下使用，也可以在调质状态下使用，多用于制造军工中齿轮、齿圈、轴类等承受重载的零件[4]。本节选用的面齿轮材料为18Cr2Ni4WA，其化学成分如表1.3所示，正交面齿轮传动设计参数如表1.4所示。
　　以某正交面齿轮为例，其一般加工工艺流程方案有如下三种。
　　方案（1）：来料→下料→数控（computer numerical control， CNC）车→CNC铣1 →去应力→CNC铣2→渗碳、淬火＋回火→喷砂→磨面→线切割→CNC车外径→精磨齿→全检→入仓。
　　方案（2）：来料→下料→CNC车→CNC铣1→去应力→CNC铣2→渗碳、淬火＋ 回火→喷砂→磨面→线切割→CNC车外径→高速精铣3→精磨齿→全检→入仓。
　　方案（3）：来料→下料→CNC车→CNC铣1→去应力→CNC铣2→渗碳、淬火＋回火→喷砂→磨面→线切割→CNC车外径→高速精铣3→齿面测量→激光精修→全检→入仓。
　　各项热处理工艺过程与技术要求如下。
　　（1）正火：温度900℃，均温3.5h，空冷。
　　（2）渗碳、淬火：碳势0.7，渗碳炉内温度930℃，保温7h；淬火温度840℃，均温2h，油冷；回火温度180℃，均温3h；渗碳层深度为1.1～1.5mm。
　　（3）全检时面齿轮精度和粗糙度达到规定要求，有效硬化层深0.8～1.2mm，齿面硬度56～63HRC，心部硬度30～42HRC。
　　方案（3）在全检工序前安排了齿面测量工序，以确定激光精修时的厚度，再通过激光精修工序来提高面齿轮精度。按照表1.4和方案（3）加工的正交面齿轮加工试件如图1.2所示。
　　图1.2 正交面齿轮加工试件
　　1.1.2 点接触共轭曲面齿轮加工技术发展状况
　　1. 点接触共轭曲面齿轮的制造理论与技术研究综述
　　国外于20世纪40年代开始研究点接触共轭曲面齿轮。螺旋锥齿轮切齿理论主要有局部共轭原理和局部综合法。20世纪60年代开始，美国Gleason公司的螺旋锥齿轮生产技术逐步发展完善，采用局部共轭原理进行Gleason制锥齿轮的切齿计算法，包括SGM、SGT、SFM、SFT、HGM、HGT、HFM、HFT等（三个字母中第一个字母表示被加工齿轮的类型，“S”“H”分别表示被加工齿轮为弧齿锥齿轮（spiral bevel gear）、准双曲面齿轮（hypoid gear）；第二个字母表示大轮的加工方法，“G”“F”分别表示大轮用展成（generate）法、成形（formate）法加工；第三个字母表示小轮的加工方法，“T”“M”分别表示小轮用刀倾（tilt）法、变性（modified roll）法加工。Litvin等[5]基于局部综合法研究了用成形法加工准双曲面齿轮的机床调整计算，提出了一种新的成形法，该方法用以大轮的设计与制造、齿面接触分析以及强度分析。我国于20世纪70年代初开始研究螺旋锥齿轮。吴训成等[6]提出了面向五轴联动CNC锥齿轮机床的切齿加工基本理论，给出了根据齿面设计参数确定机床切齿加工参数的具体方法。王志永等[7]在1999年自主开发了面向螺旋锥齿轮制造的六轴五联动数控铣齿机，在2002年后试制了七轴五联动数控磨齿机，在2008年制造出了当时世界上最大规格的螺旋锥齿轮磨齿机。邓效忠等[8]提出了在四轴四联动机床上加工螺旋锥齿轮的切齿调整计算方法。对于螺旋锥齿轮的加工精度，美国Gleason公司磨齿机加工可达2级精度，而目前国内螺旋锥齿轮磨削仅能达到4级精度左右，这说明我国螺旋锥齿轮的加工设备和制造技术水平与国外相比还有较大差距。
　　国外对面齿轮的研究始于20世纪40年代。1992年，Litvin等[5]建立了面齿轮磨削加工理论，研究了应用于高速、重载传动领域中的点接触面齿轮，发明了磨削面齿轮的专用蜗杆砂轮，并获得美国专利。美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration， NASA）与一些直升机公司多采用先插齿后磨齿的制造工艺。荷兰Crown Gear公司提出了用数控滚齿和数控磨齿来加工面齿轮的方法，经数控磨齿后的面齿轮加工精度可达AGMA11～12级。美国Boeing公司与加拿大North Star公司合作研制的面齿轮五轴磨齿机，能磨削不同锥角、较大尺寸范围、满足航空使用要求的面齿轮，面齿轮加工精度达AGMA12级。我国开展面齿轮研究始于20世纪90年代，研究单位主要有南京航空航天大学、北京航空航天大学、西北工业大学、重庆大学、中南大学、重庆大学、北京工业大学和河南科技大学等，在面齿轮啮合原理与理论、几何设计与齿面生成、加工原理与仿真、加工试验、测量等方面进行了大量研究，试制了面齿轮插齿机、面齿轮滚齿机和面齿轮磨齿机，这些研究为探究面齿轮制造原理奠定了基础。但相对于国外水平，我国面齿轮精密磨齿机没有研制成型，面齿轮加工精度比国外低2级左右，面齿轮使用性能较差，这说明我国在面齿轮精密制造理论、加工方法及工艺等方面需要探索新途径。
　　2. 高速准干切削面齿轮技术研究进展
　　1）齿轮高速干切削理论与绿色制造技术的研究现状
　　实施绿色加工是齿轮制造的发展趋势。在加工过程中不用任何切削液（完全干切削）或用少量切削液（准干切削）的干切削是控制环境污染源头的一项绿色制造工艺，它省去了切削液及其处理等费用，可较大幅度降低生产成本。由于切齿长期使用“湿切”方法，为了实现高效、高精、节能、环保和低成本制造，美国Gleason公司于20世纪80年代末提出了高速干切削（high speed dry cutting）技术原型，之后美国Gleason公司和德国Klingelnberg公司于20世纪90年代中期相继推出了用于干切削的数控切齿机和刀具，并获得了2000年美国汽车工业最高的荣誉PACE大奖。1997年，瑞士Oerlikon公司发明了能用于干切削的数控铣齿机C28，至此，螺旋锥齿轮干切削才真正走向应用。2002年，美国Gleason公司推出了具有干切削功能的PhoenixⅡ（凤凰二代）数控铣齿机，此后该技术在国外得到了更加广泛的应用。Klocke等[9]在德国Aachen工业大学机床与工程实验室，通过全因子实验法对高速干切削螺旋锥齿轮大轮时不同刀具基材、涂层措施、刀具几何形状与刀具寿命之间的关系进行了研究，采用几何仿真方法分析了锥齿轮高速干切削加工