我国工程机械关键零部件制造业发展现状和分析

我国工程机械关键零部件制造业发展现状与分析方世杰机械工程学院2019年3月27日内容目录一、我国机械制造业发展现状二、关键零部件制造业发展现状与分析三、齿轮制造技术发展现状与分析四、未来齿轮技术发展路线一、我国机械制造业发展现状机械制造业指：从事各种动力机械、起重运输机械、农业机械、冶金矿山机械、化工机械、纺织机械、机床、工具、仪器、仪表及其他机械设备等生产的行业。机械制造业为整个国民经济提供技术装备，其发展水平是国家工业化程度的主要标志之一。机械制造业金字塔分布图目前我国机械制造业的规模和总量都已经进入世界前列，成为全球制造大国，但是发展模式仍比较粗放，技术创新能力薄弱，“中国制造”主要是劳动密集型的加工和组装、贴牌生产，产品附加值低、利润低。总体上大而不强在消化、呼吸国际上先进制造技术的基础上,作为制造业大国，进一步的发展面临能源、资源和制造成本等诸多压力。我国制造业发展更主要面临“八大技术问题”1、复杂系统的创意、建模、优化设计技术；2、关键零部件制造技术；（讲述内容）3、大型结构件成形技术；4、高速精密加工技术；5、微纳器件与系统；6、智能制造装备；7、智能化集成化传动技术；8、数字化工厂。专家指出，这些技术问题的突破将提升我国制造业的国际竞争力。二、关键零部件制造技术发展现状与分析（八大技术问题之一）我国工程机械产品中，零部件大致占到了整机成本的30%，绝大部分关键零部件都需要从国外进口，零部件依赖进口大部分利润拱手让于外商。这导致国内工程机械整机生产企业生产成本高，缺乏国际竞争力，特别是一些精密机械产品，零部件进口价格昂贵，70%的利润都被外资企业“吃”掉了。2009年，累计进口总额(51.48亿美元)中零部件耗资排在首位，共计18.35亿美元，占比高达36%。2019年上半年，我国工程机械零部件进出口总额44.88亿美元，其中进口额21.28亿美元。与国外先进产品相比，国产工程机械关键零部件，无论在技术性能，还是在质量可靠性指标上，总体上要相差15年左右。寿命一般为进口件的1／2～1／3，产品品种仅为国外的1／5。中国工程机械行业零部件制造产业陷入了低端竞争、高端缺失的怪圈。如果能够实现关键零部件的国产化，那么整机成本将会大幅下降。中国工程机械行业关键零部件制造技术落后问题，已经引起国家高度重视。关键零部件：发动机零部件，精密机械传动、液压传动零部件，控制元件、密封件，各种主机的附件及执行机构零部件等。2009年5月12日，国务院颁布《装备制造业调整和振兴规划》，将基础配套零部件产品的发展放在了十分重要的位置，将基础配套水平提高作为规划目标之一；2019年10月11日，工业和信息化部印发了《机械基础零部件产业振兴实施方案》，明确提出，要加快突破关键零部件发展瓶颈步伐；2019年7月31日，《中国工程机械行业‘十二五’发展规划》发布。将‘提高关键零部件的技术水平和制造水平’放到了首位。即“十二五”期间,中国工程机械行业将重点解决关键零部件制造技术落后的问题。三、齿轮制造技术发展现状与分析（例）齿轮啮合图变速箱双离合变速箱冶金齿轮箱“十一五”期间，我国齿轮产业在汽车、风电、高铁、工程机械等产业快速发展的拉动下得到了迅速发展，齿轮产品的产销规模已经达到1600亿元。齿轮行业已成为中国机械基础件中规模最大的行业之一，我国已经成为名副其实的世界齿轮制造大国，但离制造强国还有很大差距。目前，我国齿轮产品正经历从中低端向高端的转变，少数高端产品已达到同际先进水平。但我国齿轮产品还不能满足重点工程装备的配套要求，高端产品仍受制于人，汽车自动变速器、高铁驱动单元、大型能源装备齿轮传动装置等高端产品大量依赖进口，进出口逆差仍在逐年加大。出不来了同世界发达国家相比，我国齿轮产品设计制造主要存在以下问题：1、基础研究和基础数据缺乏缺乏对齿轮相关的基础试验研究，缺乏新齿形研究、加工工艺研究等基础研究，使得产品设计和制造缺少数据支撑。另外，专业软件开发和应用滞后，多学科综合设计技术和手段落后。2、齿轮材料品质较低齿轮材料与发达国家差距较大，主要表现在钢材均匀性低，非金属夹杂物较高；钢材淬透性波动大，高温高性能钢、低温抗冲击钢、快速渗氮钢、高性能工程塑料等缺乏。3、齿轮热处理工艺水平不高渗碳淬火变形大；感应淬火易出现齿根开裂；渗氮存在效率低、层深浅的问题，缺乏有效的工艺过程控制方法。4、高级工艺装备差距明显硬质合金刀具与发达国家差距大，高效滚齿刀具、高级刀具及磨齿用高档砂轮几乎全部进口；高效制齿机床、高档数控成形磨齿机等仍基本依赖进口，大型和小型齿轮测量仪以及在位快速测量机仍是空白；大模数锥齿轮加工设备等核心装备国外完全技术封锁，仍受制于人。5、齿轮产品生产效率低质量稳定性差尽管我国进口了不少高档齿轮制造装备，但由于刀具和装备使用、制造工艺参数选择、生产管理等方面的差距，造成产品的质量稳定性差，生产效率低，能耗高。6、检测和评价服务能力亟待提高国家齿轮产品质量监督检验中心的检测服务能力不足，行业不能积累设计数据，直接影响齿轮行业整体设计水平和创新能力的提高。7、标准化工作亟待加强我国大多数齿轮标准从国外标准转化而来，基础数据缺乏验证，一些关键数据与国内技术水平不相适应，不能满足产业发展的需要。由于以上差距明显，造成我国齿轮产品效率、可靠性低，振动噪声大，汽车自动变速器等高端齿轮产品依赖进口，一些军用装备的传动装置遭到国外技术封锁。齿轮基础理论、基础技术研究是齿轮产品研发和创新的基础。齿轮齿廓曲线（齿形）的研究面临挑战随着齿轮传动向高效率、低噪声等方向的不断发展，齿轮的齿廓在很大程度上决定了传动的性能。因此，迫切需要研究开发齿轮新齿形和新传动方式，具有重要的理论意义和工程实用价值。选择齿轮的齿廓曲线应满足以下基本要求:1、齿廓曲线方程式简单；2、可以实现要求的传动比；3、安装方便；4、承载稳定性好；5、具有良好的互换性；6、加工制造容易；7、冲击振动较小；8、润滑条件较好。为什么渐开线齿形一直处于主导地位？渐开线的形成当直线沿一圆周作相切纯滚动时，直线上任一点在与该圆固联的平面上的轨迹AK，称为该圆的渐开线。AKB发生线kO基圆rbiiiibirr－＝tancos渐开线的极坐标方程：渐开线齿廓曲线方程式简单渐开线齿轮齿廓啮合简图12122112rrPOPOiPOPO1221齿廓啮合基本定律：12122112bbrrPoPoi可以实现定传动比o1o2N1PЗ21N2aЗ'o2''a'N1N2p''基圆半径不变，其传动比不变。有利于加工、安装和使用（中心距具有可分性）齿廓之间的正压力方向不变N1N2线是两齿廓在啮合点的公法线，同时也是两齿廓间力的作用线。承载稳定性好渐开线齿轮啮合点轨迹图接触点的轨迹是直线─啮合线。作用力的方向始终沿啮合线方向不变。具有良好的互换性2211bbpBBp2211coscosmmmmm2121B1N2N1B2o1o2(b)欲使两齿轮正确啮合，两轮的法向齿距必须相等。一对渐开线齿轮，只要它们分度圆上的模数和压力角分别相等，就能正确啮合。渐开线齿形一直处于主导地位,因为有以下主要优点：1、可以实现定传动比；2、渐开线方程式简单；3、安装方便（中心距具有可分性）；4、具有良好的互换性；5、具有很好的传动性能（力作用线方向不变）；6、而且便于制造（仿形法、展成法）。主要缺点：1、齿面之间的滑动摩擦较大,两个凸面相接触,接触的单位压力大,因此齿面较易磨损；2、标准渐开线齿轮的设计齿数不能太少,因为受到根切的限制。理论上，满足齿廓啮合定律的曲线有无穷多，但工程上只有极少数几种曲线可作为齿廓曲线。主要有摆线(多要用于钟表)和变态摆线(摆线针轮减速器等)，圆弧和抛物线等。渐开线齿廓的提出已有近三百多年的历史1694年法国学者PhilippeDeLaHire首先提出渐开线可作为齿形曲线；1733年法国数学家M.Camus（卡米）发表了齿廓啮合基本定律；1765年瑞士数学家L．Euler（欧拉）提出渐开线齿形解析研究的数学基础；1899年开始实施了变位齿轮的方案；19世纪末出现的滚齿机和插齿机，解决了大量生产高精度齿轮的问题。圆弧齿轮的发展引起广泛关注1907年英国科学家最早发表了圆弧齿形；1923年美国科学家最先提出圆弧齿廓的齿轮；1955年苏联的M．L．Novikov（诺维科夫）完成了圆弧齿形齿轮实用研究并获得列宁勋章；1970年英国两位科学家取得了双圆弧齿轮的美国专利。单圆弧齿形齿轮圆弧齿轮一经提出，就引起了世界各国的重视。前苏联、英、美、德、日等国家都先后进行了圆弧齿轮的研究和试验工作。我国于1958年对圆弧齿轮开始研究，几十年来许多高校、研究机构及工厂对圆弧齿轮进行了大量的理论和试验研究工作。单圆弧齿轮传动的主要特点：1、综合曲率半径比渐开线齿轮传动大很多，接触强度比渐开线提高1.5～2倍；2、两轮齿沿啮合线方向的滚动速度很大，齿面间易于形成油膜，传动效率较高，一般可达0.99～0.995;3、圆弧齿轮沿齿高方向磨损均匀,且容易跑合;4、圆弧齿轮无根切现象，故最小齿数可以少。只要缺点：1、尚不及渐开线齿轮那样易于制造、互换性差；2、轮齿弯曲强度较弱；切削同一模数的大、小齿轮，需用两把不同的滚刀；3、对中心距、切齿深度和螺旋角的误差敏感性很大，故圆弧齿轮对制造和安装精度要求较高。近年来由于双圆弧齿轮的诸多优点(如润滑条件优越、承载能力高、跑合性能好、寿命长、制造工艺简单等)，很受到冶金、矿山、石油化工等领域的重视与应用。双圆弧齿轮基本齿廓双圆弧齿轮双圆弧齿轮传动在工作时，先是主动轮齿的凹部推动从动轮齿的凸部，再以它的凸部推动对方的凹部，故双圆弧齿轮传动在理论上同时有两个接触点K1、K2。双圆弧齿轮传动主要特点：1、经跑合后，实际上有两条接触线，可以实现多对齿和多点啮合，而且其齿根厚度较大，承载能力比单圆弧齿轮传动约高30%以上；2、因为是多点接触，传动较平稳，振动和噪声较小；3、可用同一把滚刀加工相配对的两个齿轮。但：同样存在对中心距、切齿深度和螺旋角的误差敏感性很大，制造和安装精度要求较高。单圆弧齿轮传动图双圆弧齿轮传动图挑战近年来，不少学者在吸收渐开线齿廓和圆弧齿廓优点的基础上，为提高齿轮的传动性能做了大量有益的工作。例1，研究了一种小齿轮为圆弧齿廓、大齿轮为渐开线齿廓的点接触螺旋齿轮传动，这种齿轮的耐用性和强度都高于渐开线齿轮。例2，使用了将圆弧齿廓和渐开线齿廓相结合的刀具来展成一种新型的齿轮，这种特殊齿廓的齿轮对解决圆弧齿廓中心距的敏感性有利。例3，提出了一种新型的双渐开线齿轮,其齿廓由两段相错的渐开线中间以一段圆弧的包络线连接而成，理论上，弯曲强度和接触强度都有所提高，且工艺性更好。随着设计手段的完善，数控加工技术的提高，使得空间曲面的加工变得比较容易，奠定了研究开发更优齿形的基础。齿轮加工面临挑战加工方法（仿形法、展成法）常用有铣齿、插齿、滚齿。精加工有剃齿、珩齿、磨齿。还有粉末冶金烧结、塑料齿轮注塑生产、玩具齿轮冲压生产等。指状铣刀仿形法加工原理图仿形法（成形法）如:指状铣刀铣齿加工展成法(范成法)1、齿轮型刀具插齿加工轮齿用齿轮插刀加工轮齿原理图2、滚刀滚齿加工轮齿的原理齿轮滚刀在轴截面内的齿形同齿条在滚齿机上加工齿轮时,由于有几何偏心和运动偏心，就会引入被加工齿轮的齿距误差和齿距累积误差，影响齿轮传动的准确性和平稳性。减少误差、提高齿轮加工精度、提高生产率，需要攻克一系列关键工艺装备及制造技术问题，研究工作一直再继续。。齿轮加工技术的新发展1、硬齿面滚齿技术主要是对淬火后的齿轮滚齿代替粗磨齿加工,特别对一些大直径，大模数的齿轮在加工上提高生产效率和齿轮精度。针对半精、精加工则非常有效。2、齿轮的无屑加工技术主要是利用金属的塑性变形或粉末烧结使齿轮的齿形部分最终成形。可以使材料利用率从切削加工的40～50％提高到80～95％以上，生产率成倍增长。3、干切削技术无润滑切削加工，一种新兴绿色制造技术。从根本上解决了切削液带来的弊端，