尽管这些年，高速，大扭矩直接驱动技术取得了很大的发展，但从整体效率上看，齿轮箱仍然是最好的。特别是在汽车动力总成领域，普遍发展小的三缸或四缸发动机，但配置7到10速变速箱。由于这一趋势，这些年全球变速箱齿轮的产量增长远超过乘用车的产量增长

在齿轮制造企业的发展趋势是通过引进新的机床，减少非生产的辅助时间。有些机床采用双工件主轴可以在磨削时平行地完成工件的上下料。所有这些努力就是要完成提高生产率这个目标。

最近几十年间，变速箱行业齿轮的加工路线从原材料开始，基本上是1). 车毛坯;2). 滚齿;3).去毛刺;4). 热处理淬硬;5).热后硬车;最后是磨齿。

上述这些工艺过程，磨齿是最关键和成本最高的。这也是为什么在10年前，很多变速箱齿轮热后甚至都不磨齿。但今天随着对变速器的效率和噪音的要求越来越高，几乎所有新入市的车型都有很高的精度要求，使得磨齿工序成为必须。生产厂家必须做出调整并承担增加的成本。

磨齿成本高的原因不仅仅是因为昂贵的机床和工装费用，成本构成中很大一部分是由于磨齿使用油作为冷却介质。在今天很重要的一个事实是，前面提到的所有齿轮加工工序，除了磨齿还必须使用油作为润滑和冷却介质外，其它所有工序都已经可以采用干式加工了。所以冷却油是推高磨齿成本的原因之一。

除了生产本身，由于使用油所产生的成本贯穿整个寿命周期，从初始的巨大的附加投资：

· 冷却油处理系统，包括油箱，高压泵和过滤系统;

· 油雾分离系统，用于清洁空气，需要对工作区域提供适当的通风;

· 需要配置清洗机用于清洁磨齿后的工件，为下道工序做准备;

· 冷却机组用于保持冷却油温度恒定，以保持机床的热稳定性和除掉由磨削产生的热量;

· 在机床内及周边安装附加的防护装置收集由工件和自动上下料系统带出的残油，并需要把残油导流回油箱中。

上述这些装置占用大量珍贵的生产面积。通常磨齿工序占用的面积中，磨齿机自身仅占一半不到，其它的都被这些辅助装置所占用了。

另外一个不容忽视的事实是，运行这些辅助装置所消耗的能源要占到整个磨齿工序的75%。

下一个问题是油自身的费用。每一台磨齿机，初次就需要加注2000到4000升冷却油。而且根据不同的应用方式，每个月还会损失100到200升。这些油会流失在清洗机中，散发到空气中，滴落到地面上和其他任何可能的地方。磨削不同于干式切削工序，它不产生任何可以方便分离回收的铁屑。磨削产生的磨屑是金属颗粒，砂轮磨粒和油的混合物。所以，它需要非常昂贵的方式才能分离处理这些磨屑。

最后是这些油对我们环境和我们的健康是有害的。

考虑到上述这些因素，意大利桑普坦斯利机床公司开发了全新技术的，专门用于干式齿轮精加工的机床– SG160 Sky 磨齿机。

SG160-Sky磨齿机

为什么磨齿时需要油?磨削技术中只有部分是基于切削成屑的。由于磨削缺少切削刃，就会在磨削中产生塑性变形而不是切除材料，这样将会产生摩擦和热量(见图1)。

图1：在磨削中，75%的热量会传递到工件中

减少摩擦和导出热量是磨削冷却油的两个基本任务。另一个任务是排屑和保持机床的热稳定性。通过全新概念的机床设计可以解决排屑和保持热稳定性的问题，但减少摩擦和导出热量还只能由冷却油来完成。

在回顾磨削的基础研究时发现，在40年前(见图2)，我们就得出结论：在相同的金属去除率的情况下(与生产率对比)，小切深，高速的进给量产生的热量比大切深，慢进给要小的多。而且对比使用冷却油和干磨，在小切深的情况下，冷却油对于降低表面温度的作用基本上消失了。从磨削表面微观图片是也可以看出，在干磨的情况下，大切深会产生热扩散，而小切深时磨削表面非常平滑。

图2：在干磨的情况下，小切深时，低热量和平滑表面

图2（1）：在干磨的情况下，小切深时，低热量和平滑表面

图2（2）：在干磨的情况下，小切深时，低热量和平滑表面

全新的技术解决方案

今天，磨削汽车变速器齿轮，最常用的方式是采用两个磨削行程，一次粗磨和一次精磨。在粗磨行程将磨去80%的余量，齿面已经很清洁地进入精磨。精磨时的径向进给已经很小了，像上文解释的那样，为了干磨还可以进一步减少进给量。如果要避免使用油，粗磨行程是关键，因为需要去除的磨量太大了，无法适应干磨。

另一方面，目前是有成熟的技术可以在不用冷却油的情况下切除淬硬的材料，而不把大量的热量扩散到工件表面。硬车就是一个例子，现在在轴承行业已经广泛应用。甚至是齿轮行业，采用硬质合金滚刀硬滚(或刮削)是目前不需要使用冷却油的实例，已经在大批量生产中使用。转向机的小齿轮是一个典型的应用。但是硬齿面刮削无法成功地应用在汽车变速器齿轮，因为滚刀的切削刃将在齿面上产生规律的刀痕(轴向进给和齿面展成的切痕)。这些刀痕对于变速器齿轮的寿命和噪音是无法接受的(见图3，左图)。这也就是为什么目前磨齿在精加工中仍然占据绝对的主导地位。光滑的齿面带有不规则的磨痕保证了高承载能力，长寿命和安静地传动(见图3，右图)。

图3：典型转向机齿轮齿面，左图：刮削；右图：磨削

所以符合逻辑的发展是把大金属去除率的干式刮削和获得良好几何精度和齿面质量的干磨组合在一起。意大利桑普坦斯利机床公司接受了这一挑战，不仅仅是把两种技术组合到一起，而且还开发了一款全新的磨齿机SG160，将这一技术应用到汽车齿轮的大批量生产中。

研发把两种如此不同要求的加工方式集成到一台机床上的难点有：

· 滚齿，特别是对淬硬齿轮的滚齿，由于是高频的非连续切削，会产生很大被动切削力。滚刀的直径范围50-100毫米，切削速度在100-200米/分钟，要求的主轴转速在300-1,200转/分种(见图4，左图)。

· 磨齿虽然比较平稳，但齿轮的展成磨削比起其它的磨削方式，仍有较大的动态变化。磨轮的直径较大(200到300毫米)，磨削速度需要60-80米/秒，要求的主轴速度达到4,000到7,000转/分(见图4，右图)。

图4. 变速器齿轮的粗，精加工的两种技术

为了避免由于滚刀和砂轮的直径差带来的几何尺寸的约束，并保证每种刀具都处于准确的位置控制和最佳的切削速度，在SG160磨齿机是分别带有两个专门的主轴，而不是把刮削滚刀和蜗杆砂轮装在同一个主轴上。

目前市场上所有的磨齿机都是把四个数控轴(X-Z-A-Y)都堆积在磨头主轴的前面。这种布局，每一根数控轴的位置误差都会叠加到整体位置误差上，而且机床的整体刚性会在堆积中的每根数控轴而递减。新型的SG160磨齿机不仅仅是把X轴移出这个堆积，而且还改变了其它数控轴Y-Z-A的规则，沿Y轴方向移动整个机床立柱而不是移动磨头主轴滑台(见图5)。这一改变，与传统磨齿机相比机床的动能大大提高，所以也就大大提高了机床的整体刚性。

现在大部分磨齿机机床的另一个特点是采用双工件主轴以减少由于工件上下料的非生产时间，一个主轴在磨齿，另一个主轴更换工件。传统的双主轴磨齿机，更换工件的时间无法做到在五秒之内，因为两个主轴安装在一个转台上，由于工作台转位过程中位置不受精确控制，必须采用液压锁紧保证精度。在转动时，必须先松开夹紧，抬起，旋转，到达新的位置并锁紧，所用时间比转动更多。这种方式已经做到了极限，没有可能更快了。

图5. X1) 工件主轴退出；X2) 工件主轴进给；Y,Z,A) 改变刀具位置，从磨轮到滚刀

然而，SG160磨齿机把传统机床的X轴分成了两个直线进给工作台(X1, X2), 每一个工作台上装有一个工件主轴(见图5)。所以两个工件主轴都在任何时候都在全程位置控制中。工作台由高动态达30米/分钟的直线电机驱动，工作台的更换可以达到创纪录的时间，即少于2秒钟–包括砂轮和Y, Z和A轴的重新定位。

结论

随着SG160磨齿机发展的全新技术将整个改变游戏规则。市场的反馈是正面鼓励性的，它确认了这一加工方式将会用于变速器齿轮的生产，并会在长时间内处于主导地位。不使用冷却油的干式齿轮精加工生产不单是降低的成本，而且是对于将来更多可持续性生产的里程碑。与传统的湿式磨削相比，干式磨齿节约投资，减少工具和能源的消耗，加上节约占地面积和更清洁。