“抛光”内齿轮：用展成磨削原理进行抛光的批量加工方法（尼得科机床×亚琛工业大学）图解
形状靠磨削，精修靠抛光。只削掉峰，把存油的谷留下来！
对于外齿轮，磨齿之后把齿面抛得如镜面一般的“抛光磨削”早已用于批量生产。然而，行星齿轮外侧的内齿轮（内齿圈），因为刀具必须伸进齿轮内部，一直没有抛光的办法。尼得科机床与德国亚琛工业大学尝试了沿用内齿轮展成磨床的原有运动，只把砂轮换成抛光用砂轮的方法，并确认可以在不产生磨削烧伤的情况下，得到Ra 0.05µm的镜面般齿面。该技术于 2024 年作为“全球首个批量生产用内齿轮抛光加工法”发布。本文用图依次介绍内齿轮精加工为什么困难、为什么“抛光”之后齿轮更耐用、更安静，以及论文得出的条件确定方法（截至 2026 年 10 月）。
- 1切齿
用滚齿、插齿、刮齿切出齿形 - 2热处理
淬火后变硬，但形状会变形 - 3展成磨削
修正变形。精度 ISO 3–5 级，粗糙度 Ra 0.35µm 以下 - 4抛光（本次）
更换砂轮，只削掉峰。Ra 0.1–0.05µm
内齿轮的制造流程，以及这次新增的工序。磨削与抛光的数值引自论文[1]。
内齿轮精加工为什么困难
行星齿轮机构体积小、重量轻，却能获得很大的减速比，因此广泛用于混合动力车和电动汽车的驱动单元、变速器以及机器人关节。位于最外侧的内齿轮，哪怕只有微小的变形，也会成为噪声和振动的来源。在没有发动机声的电动汽车中，这种声音变得尤其容易被听到[1][2]。
内齿轮淬火后会变形，所以人们想像外齿轮一样用磨削来修正。但刀具必须伸进齿轮的内部狭小空间，外齿轮用的大型蜗杆砂轮进不去。根据三菱重工 2009 年的资料，此前的做法是提高淬火前切齿的精度来应对，也试过电镀砂轮珩齿，但成本高、生产率低，都不是决定性的办法[6][5]。
于是三菱重工（现由尼得科机床承接）与松江工业高等专门学校的郡原宏教授研究加工理论，并于 2009 年推出了全球首款批量生产用内齿轮磨床 ZI20A。其特点是使用中间粗的桶形蜗杆砂轮，据称与珩齿相比，滑动速度提高到 4 倍以上，单件刀具成本降到约 1/6[5][6]。2024 年又增加了可加工外径 250mm 的 ZI25A[4]。
仅靠磨削，齿廓和螺旋线偏差就能控制在 ISO 的 IT3 以内，热处理造成的齿距偏差也能修正。但齿面粗糙度只能做到Ra 0.35µm 左右，想要更光滑，就需要别的办法[1]。在砂轮比较中还有这样的结果：刚玉砂轮的寿命和质量与 cBN 砂轮相当，生产率却是 1.5 倍[7]。
为什么要“抛光”齿面
把磨削后的齿面放大，可以看到细小的峰和谷交替排列。齿轮啮合时，齿面之间会形成一层薄油膜，但尖锐的峰会刺穿油膜，撞到对方齿面，造成摩擦和细小的划伤。
对于外齿轮，瑞士磨齿机制造商 Reishauer 于 2012 年开发了抛光磨削。它把一根蜗杆砂轮分成磨削用的硬质部分（粒度 80，平均粒径 185µm）和抛光用的弹性树脂部分（粒度 800，平均 7µm），在同一台机床、同一次装夹下从磨削转入抛光。连续展成磨削的 Ra 0.3µm 左右，以 Ra 0.1µm 为目标降低。抛光齿面的方法还有振动光饰（在振动的磨料中研磨），但需要另用机床和搬运[8]。
表面光滑之后有什么好处
- 寿命更长：在 NASA 的试验中，航空用磨削齿轮经振动光饰超精加工（齿面去除约 2.5µm）后，接触疲劳寿命约提高到 4 倍。试验条件：材料 AISI 9310，齿数 28，赫兹应力 1.71GPa[9]。
- 微裂纹不易扩展：论文把降低表面微裂纹扩展的风险，列为卡车、客车和农机领域进行抛光的主要理由[1]。
- 摩擦减小，效率提高：像电动汽车这样高转速运转的传动系统，效率和噪声（NVH）的改善尤其重要[1][8]。超精加工服务商介绍说，通用汽车与俄亥俄州立大学 2007 年的研究表明，超精加工的直齿圆柱齿轮效率比磨削齿轮约提高 17%（这是服务商的介绍，更自然的理解是损耗之差，而不是效率本身）[10]。
尼得科与亚琛工业大学的研究
尼得科机床的藤村先生与亚琛工业大学机床实验室（WZL）的 Löhrer 女士，沿用 ZI20A 磨床的原有运动，只把砂轮换成树脂结合剂的抛光砂轮，研究了对内齿轮进行抛光的条件[1]。
| 齿轮 | 面向汽车的内齿圈：模数 1.25，齿数 85，螺旋角 20°，压力角 20°，变位系数 0.3，齿宽 30mm，SCr415（相当于 16MnCr5），60HRC |
|---|---|
| 砂轮 | 树脂结合剂刚玉 800 号，φ76×宽 20mm（市售品很少，通过预备试验比较粒度和结合剂后选定） |
| 变化的条件 | 砂轮转速 1,500–11,945 r/min（轴交角 30°，滑动速度 3–24m/s），径向进给 0.02–0.25mm，轴向进给 0.02–0.04mm/工件每转。试验点共 9 个 |
| 方法 | 使用已磨削的齿轮，每次试验都修整砂轮，一次走刀完成抛光 |
| 合格标准 | 齿廓总偏差、螺旋线总偏差在 IT5 以内（用齿轮测量机测量），粗糙度 Ra 0.1µm、Rz 1.0µm 以下（触针式，齿廓方向，齿面中部），无磨削烧伤（硝酸酒精腐蚀检测） |
试验条件[1]。
结果 1：径向进给决定粗糙度
径向进给 0.1mm 以上时低于目标 Ra 0.1µm，0.15mm 时达到 Ra 0.05µm。以 0.1mm 加工的齿轮，其测量记录与抛光前几乎相同，同时还确认了抛光只去掉了粗糙度曲线的峰。[1]。
结果 2：转得快，粗糙度也不会变差
粗糙度与转速的关系不是直线：慢速时最细，提高转速后先变粗，超过 8,000 r/min 后又变细。决定生产率的是转速，所以以最高的 11,945 r/min 运转，粗糙度与慢速时相当，而加工时间约为 1/8。[1]。
结果 3：左右齿面的效果不同
轴向进给从 0.02 提高到 0.04mm 时，左齿面 Ra 由 0.12 降到 0.11µm（下降 8%），右齿面 Ra 由 0.06 升到 0.08µm（上升 33%）。论文认为，左右齿面采用不同进给分别精加工，也是一种办法。无论哪种条件，都没有出现磨削烧伤[1]。
论文推荐的条件径向进给 0.1–0.15mm，砂轮转速 11,945 r/min，轴向进给 0.02–0.04mm/转。采用这一组合，预计能以最短时间得到比 Ra 0.1µm 更光滑的齿面。不过这只是首次试验，相同条件下的确认和重复试验、其他砂轮的试验、基于 Rpk、Rvk 的详细评价，都有待今后进行[1]。
粗糙度标尺，以及内齿轮精加工方法的比较
| 方法 | 原理 | 粗糙度、精度示例 | 优点 | 注意事项 |
|---|---|---|---|---|
| 展成磨削（桶形蜗杆砂轮） | 砂轮倾斜 20–35°，与齿轮同步旋转 | IT3 以内，Ra 0.35µm 以下 | 能修正热处理变形（齿距偏差），速度快 | 需要管理磨削烧伤 |
| 内齿轮珩齿 | 与齿轮形砂轮啮合，以 0.3–5m/s 的低速切削 | 试验例 Ra 0.23µm | 几乎不产生热，表面残留较大的压缩残余应力（-1,000 至 -1,600MPa） | 去除量少 |
| SkiveFinishing（Liebherr） | 以刮齿运动，用电镀 cBN 刀具精加工 | ISO 5 级，Ra 低于 0.4µm（厂商发布） | 无需修整，也可直接做齿面修形 | 数值为厂商的初期结果 |
| 抛光（本次） | 沿用展成磨床的原有运动，用树脂砂轮抛光 | 保持 IT5 以内，Ra 0.05µm | 与磨床原理相同，无磨削烧伤，29 秒 | 仍是首次试验，砂轮只有一种 |
| 振动光饰、超精加工 | 用振动的磨料（加化学液）使表面平整 | Ra 低于 0.1µm（服务商资料） | 无方向性的光滑表面，有寿命约 4 倍的试验例 | 需要另用机床和搬运，可成批处理 |
来源：论文[1]、ZI25A 资料[4]、珩齿论文[11]、SkiveFinishing 摘要[12]、REM[10]、NASA[9]。
在现场有什么用
- 如果已经有内齿轮磨床，只要更换砂轮，预计就能在同一套原理下进行抛光（论文是对已磨削的工件一次走刀抛光）
- 条件参考：径向进给 0.1–0.15mm。过深会破坏精度
- 粗糙度要分别测量左右齿面。进给的效果左右不同
- 不仅看 Ra，还要看峰高（Rpk）和谷深（Rvk）
- 抛光之后，也要继续做磨削烧伤检查（硝酸酒精腐蚀检测）
- 行星齿轮的内齿圈，也逐渐可以像外齿轮一样，标注 Ra 0.1µm 级的要求
- 目标是长寿命（微裂纹、接触疲劳），以及效率和噪声的改善
- 图纸上只写粗糙度，分不出是去掉了峰的面，还是仅仅细腻的面。必要时还要约定 Rpk、Rvk
- 这仍是处于发布阶段的技术，量产业绩和费用请向加工厂确认
常见问题
- “抛光”和“磨削”有什么不同？
- 两者都用砂轮切削，但磨削是用粗磨粒和硬结合剂做出形状的工序，抛光是用细磨粒（这次是 800 号）和有弹性的树脂结合剂，只去掉表面的峰的工序。抛光不改变形状[8][1]。
- 要去掉多少？
- 机床设定的径向进给推荐 0.1–0.15mm。以 0.1mm 加工的齿轮，跨球尺寸的增加为 0.004mm，处于磨削的波动范围内[1]。
- 抛得越像镜子一样光亮越好吗？
- 不一定。外齿轮的抛光磨削中，保留存油的谷很重要。即使 Ra 相同，峰高谷浅的面与峰低谷深的面，性能也相差很大[8]。
- 和珩齿相比哪个更好？
- 珩齿几乎不产生热，表面留下较大的压缩残余应力，这是它的优势[11]。展成磨削加抛光的优势，在于修正热处理变形的能力和速度，以及粗糙度的细腻程度。请根据齿轮大小、变形量和所需粗糙度来选择。
- 适用于什么样的内齿轮？
- 论文试验的对象是模数 1.25、齿数 85 的汽车用内齿圈。磨床 ZI25A 支持模数 1–3、外径 250mm 以内[1][4]。
关于齿轮基础与精度等级，请看 齿轮学习；关于磨削、珩齿等加工方法，见 齿轮的加工方法；关于逐齿改变齿面形状来消除噪声的方法，请看 MicroForm 的文章一文中。
参考资料
- N. Fujimura（尼得科机床）、P. de Oliveira Löhrer（RWTH Aachen 大学 WZL）“Application-oriented research on internal generating polishing”（附于尼得科 2024-02-09 发布资料，PDF）
- 尼得科《关于尼得科机床全球首创的批量生产用内齿轮抛光（研磨）加工法的开发》（2024-02-09）
- MONOist《开发出高精度加工行星齿轮机构用内齿轮的加工方法》（2024-03-08）
- 尼得科机床《批量生产用内齿轮磨床“ZI25A”加入产品阵容并开始销售》（2024-10-16）
- 三菱重工《高速、高精度、低成本地精加工内齿轮，降低齿轮噪声 开发内齿轮磨床“ZI20A”》（2009 年 1 月）
- 柳濑吉言等《全球首款批量生产用内齿轮磨床 ZI20A 的开发》三菱重工技报 Vol.46 No.3（2009）
- “Practical analysis of productivity of grinding tools in the process of internal generating gear grinding”Procedia CIRP Vol.118（2023）pp.608–613
- W. Graf（Reishauer）“Polish Grinding of Gears”Gear Technology（2023 年 11 月，PDF）
- NASA Technical Reports Server“Gear Durability Shown To Be Improved by Superfinishing”（Research and Technology 1999）
- REM Surface Engineering“Surface finish improvement for gear and bearing system gains”
- “Aspects of the Internal Gear Honing Process”（ResearchGate）
- Motion + Power Manufacturers Alliance“SkiveFinishing® – Introduction of a new hard finishing process for internal gears”（网络研讨会摘要，2026）
