“小齿轮”里写“大文章”

本文转自：中国科学报

蒋凯佳（右一）与团队成员正在进行齿轮刀盘刚度试验测试。 扬州大学供图

■本报记者 沈春蕾 通讯员 王一凡

炎炎夏日，扬州大学机械工程学院先进制造实验室里一派火热景象。该院机械工程专业大四学生蒋凯佳和他的科创团队成员们主动申请留校，利用暑假时间开展他们最新的科创成果——“新型螺旋齿线圆柱齿轮”的迭代升级研究。

“为推动科研成果落地转化，我们团队与扬州力创机床有限公司进行产学研合作，目前已完成初代产品的研发和市场应用。”蒋凯佳告诉《中国科学报》，“产品的关键指标接近国际先进水平，填补了相关领域的空白。”

近日，这支科创团队又收到一则好消息，由团队成员共同完成的一篇论文已被《机械工程进展》录用。这是该团队在新型齿轮相关研究领域发表的第2篇SCI论文。在近一年的研究中，团队已申请发明专利10多项。

一个本科生科创团队何以有如此高的产出？他们成功的背后有怎样的故事？

在“小齿轮”里找科研课题

齿坯安装定位、启动数控程序、高速切齿……每天早上8点多，在扬州力创机床有限公司的生产车间里，蒋凯佳带着几名同学“工友”就开始了当天的新型螺旋齿线圆柱齿轮制造工作。

这种新型齿轮由蒋凯佳带领的科创团队在科创导师、扬州大学机械工程学院教授宋爱平和讲师朱林的指导下，历时两年自主研发而成，具有啮合性能好、重合度大、承载力强、安装精度要求低等优点，可广泛用于风电增速齿轮箱、高铁列车驱动装置等设备。

圆柱齿轮是众多齿轮中的一种，广泛应用于自动化、航空、汽车、机床等行业。

蒋凯佳告诉《中国科学报》：“我们团队在前期实践调研中发现，虽然目前市场上的圆柱齿轮加工技术已经相对成熟，但仍存在一些问题，例如直齿轮传动性能较差、斜齿轮传动存在轴向分力、人字齿轮加工复杂，而圆柱齿轮易产生啮合偏载，导致应力集中，易造成断齿。”

“科学研究就是要发现真问题，真解决问题。”在实践中发现的问题激起了科创团队成员强烈的好奇心。2020年以来，在宋爱平和朱林的指导下，蒋凯佳等4名本科生在传统圆柱齿轮的加工改良方向上进行科研攻关。

从“停滞不前”到“柳暗花明”

“圆柱齿轮的齿线能否是弧线？”“弧线圆柱齿轮该如何加工？”“如何将弧线圆柱齿轮的优势进一步放大？”……

在一次次“头脑风暴”和调研试验后，科创团队首次向导师提出了“新型弧齿圆柱齿轮”的研究方向。然而，他们提出的研究方向却遭遇质疑——导师告知他们“弧齿圆柱齿轮”的概念早有人提出，但因加工成本高、精度提升难等原因没有得到实际应用。

虽然遇到了困难，但是科创团队成员没有停下研究的脚步，反而以问题为导向对“弧齿圆柱齿轮加工难的机理研究”这一课题进行了探索。

通过对现有问题抽丝剥茧、分类梳理，科创团队发现，关键问题是传统的弧齿圆柱齿轮加工均采用逐齿加工的方法，不仅齿轮加工效率低，还增大了齿轮的误差积累，严重影响加工精度。

“关键问题的发现推动课题向前迈进了一大步，也让我们陷入了更大的困境中。”蒋凯佳告诉记者，“资料显示，逐齿加工是弧齿圆柱齿轮加工中无法跨越的一道鸿沟，这让我们的课题一度处于停滞状态。”

然而，与导师的一次深入交流，又让科创团队成员有了“柳暗花明”的感觉——与其停滞不前，不如通过“加工仿真”进行实践探索。于是，大家重振旗鼓，开始研究加工仿真软件的使用。

文献查阅、实验操作、小组讨论……科创团队成员攻坚克难，终于找到了解决问题的另一条路径——通过加工仿真改变刀具的布置形式和加工工序，从而实现一种新型弧齿圆柱齿轮的连续高速加工。

“由于该齿轮齿线为阿基米德螺旋线的一段，我们便将其命名为平面螺旋齿线圆柱齿轮。”蒋凯佳说。

“前期我们对弧齿圆柱齿轮加工方法进行了电脑模拟仿真试验，发现将刀具按平面螺旋线布置时可实现连续加工。”蒋凯佳告诉记者，新型螺旋齿线圆柱齿轮的齿面分为凹齿面与凸齿面，看上去就是带有弧度的样子，这能有效降低断齿的可能性。

“后期我们对现有的机床进行了改造，不仅实现了新型螺旋齿线圆柱齿轮的加工，而且效率还比同等尺寸的传统齿轮高出4倍到5倍，齿面光洁度也高。”蒋凯佳说。

理论研究与生产实践结合

当记者问及本科生科创团队与企业合作是否顺利时，负责在团队与企业间牵线搭桥的宋爱平告诉《中国科学报》：“我们团队研发的方向属于机械制造工艺与机床领域，与这家企业的研发方向十分契合，我们之间有长期合作关系。”

“专利技术和知识产权的所有权属于学校，团队与企业合作开发产品，允许企业使用这些专利技术。对于核心技术，团队都是先申请专利、后发表论文。”宋爱平透露，目前团队和企业的合作方式是企业提供一部分硬件支持，团队提供技术方案，双方联合开发新型齿轮加工机床。

“通过与这个科创团队进行新型螺旋齿线圆柱齿轮项目的技术合作，企业提升了制造创新力和核心竞争力，有效推动了自身高质量发展。”扬州力创机床有限公司负责人夏春铭告诉《中国科学报》。

目前，双方共同研发的初代产品已在一些企业中得到规模化应用，凭借“承载能力强、传动性能优、市场潜力大”等优势，得到了企业的一致认同。该项目还获得第十八届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛江苏省选拔赛特等奖。

今年9月，被成功保送研究生的蒋凯佳将在扬州大学开启新阶段的学习和生活。“未来，我们还将进一步推动理论研究与生产实际的深度融合，助力齿轮行业传统制造技术的改造升级。”他说。