提升薄壁自动齿轮汇合器械特性的技术探讨

来源：塑胶五金网发布时间：2014-11-11 15:49:51点击率：

　　机车用薄壁牵引主动齿轮，在运行中要承受很大的牵引力、摩擦力和冲击载荷，因此需要很高的强度、硬度、抗冲击韧性以及尺寸精度，才能保证机车的安全运行和齿轮的使用寿命。

　　某型号重载机车薄壁主动齿轮，其主要尺寸参数和强度校核参数该薄壁主动齿轮与电动机主轴采用锥度配合，其大内圆直径为824mm，其壁厚小处仅为155mm.由表2可知，该齿轮在运行过程中要承受很高的轮周牵引力，因此接触应力和齿根应力都很高，容易出现剥落失效或断裂失效。为此，必须对影响薄壁主动齿轮机械性能的因素进行分析，并从设计上和制造工艺上进行改进，以提高齿轮的综合机械性能。

　　1影响齿轮机械性能的因素11冶金质量对齿轮性能的影响材料的冶金质量是保证齿轮强度的基础，对齿轮性能影响的冶金因素包括化学成分和高低倍缺陷等。

　　齿轮的高低倍缺陷对齿轮的机械性能和热处理都有不利的影响。因此，提高钢材的冶金质量可以保证齿轮的性能。

　　钢材的纯净度是保证锻件质量的关键环节。真空脱氧冶炼工艺能提高钢材的纯净度。通过二次精炼，可以使钢中的氢、氧、氮的含量控制到很低的水平，并大大降低S、P的含量，显著减少非金属夹杂物的数量，改善夹杂物的形态，从而提高钢材的机械性能。

　　12残余应力对齿轮疲劳强度的影响齿根和齿面表面的残余应力对齿轮的机械性能有很大的影响。齿根表面的应力有三个来源：一是齿轮的过盈装配会在齿根表面造成很大的拉应力;齿轮采用的是锥度过盈配合，装配方法有电磁感应热套组装工艺和整体热组装工艺，不管采用那种组装工艺，都要加热。如果加热温度或加热部位控制不好，容易造成齿轮内孔局部加热温度偏高，引起齿轮内孔圆度变化，装配后可能造成齿轮与轴的同轴度不好，或引起齿根局部受到较大的拉应力而产生疲劳。二是次表层热处理残余拉应力。三是齿轮在运行过程中在周期载荷的作用下齿根受周期性的弯曲应力，从而在齿根表面会受到周期性的大拉应力。

　　牵引齿轮在工作时只有一个齿处于工作状态。

　　因此，运行中齿轮齿根部位的应力来源于以上三个应力的叠加。由于在运行过程中齿轮周期性受载啮合，这样，齿轮就容易产生弯曲疲劳断裂，其中主要影响因素是个应力来源。

　　残余拉应力的存在会在很大程度上降低齿轮的疲劳强度，相反，残余压应力则对提高齿轮的疲劳强度有很大的作用，齿面和齿根的残余压应力可以降低弯曲拉应力峰值，提高弯曲疲劳性能。并且，当材料中已存在细微的裂纹时，残余压应力可以抑制裂纹的扩展，当残余压应力层深度约为裂纹深度的5倍，时即可消除裂纹的影响。可见，提高齿轮表面的残余压应力可以大大提高齿轮的疲劳强度和使用寿命。所以必须选择合适的过盈量，控制好加热温度和组装工艺。

　　13热处理对齿轮性能的影响齿轮的综合机械性能与材料热处理质量密切相关。齿轮要求有好的表面硬度和芯部韧性。

　　齿轮的接触疲劳强度是影响其硬度的指标，而齿轮的弯曲疲劳强度则是影响其韧性的指标。国内外的研究表明，齿轮芯部硬度应在40HRC上下的范围。

　　表面含碳量是通过影响残余奥氏体、马氏体和碳化物组织来影响齿轮性能的。研究表明，在高循环周次的情况下，疲劳寿命随残余奥氏体的增加而增加，但到一定阶段后，随残余奥氏体的增加而降低。

　　疲劳寿命随碳化物级别的增加而降低。因此，必须控制碳化物的形成。

　　综上所述，机车牵引主动齿轮必须从原材料开始，采取严格的工艺管理办法，合适的过盈量、热处理工艺和装配工艺，才能确保良好的机械性能和弯曲疲劳强度，预防出现苏丹齿轮冲击破断的情况。

　　2工艺方案21原材料选取。

　　考虑到齿轮所受的接触、弯曲、胶合强度和机车运行过程中的冲击强度，同时考虑到齿轮副的工作条件，齿轮材料应具有高而均匀的硬度和耐磨性、高的弹性极限、接触疲劳强度、足够的韧性和良好的淬透性。

　　主动齿轮材料选用17CrNMio6DIN17210.其化学成分和成分偏析要满足表3和表4的要求。

　　17CrNMio6为真空脱氧冶炼钢，材料中的非金属夹杂物达到德国的DIN50602标准的要求，其质量等级完全可以满足ME级材料的标准。其特点之一是大大降低了S、P的含量，因此大大降低了塑性和脆性夹杂物的含量，较小的成分偏析提高了材料的热处理性能和机械性能，从而提高了工件的抗疲劳性能;特点之二是脱氧完全，大含氧量小于20ppm.另外该种材料中加入了025035的Mo，有效地降低了工件的回火脆性。

　　22减小装配过盈量由于该主动齿轮的齿数比和传动中心距已经由用户确定，通过增加齿根圆直径来降低齿根应力是不可能的。因此，可以通过减小装配的过盈量来减小齿根处的应力。

　　通过过盈计算，传递负荷的小有效过盈量(考虑结合面粗糙度的影响)为0132mm;根据另一型号机车同类结构齿轮按过盈量01270139mm进行装配安全运用半年以上作为计算依据，装配过盈量由设计之初的02010221mm减小到01350150mm.

　　23加强热处理过程控制。

　　齿轮采用多用炉渗碳淬火，即渗碳和回火在炉内一次完成，使工件的所有热处理过程均处于保护气氛中，既杜绝了氧化脱碳，又确保了表面非马氏体的形成。

　　为达到齿轮的热处理要求，热处理工艺为：涂料防渗#预热#渗碳、高温回火#淬火#清洗#两次低温回火#检查。高温回火的温度为650?，回火时间为210min，淬火温度为850?，淬火时间为60min，低温回火温度为180?，回火时间为300min.两次低温回火能有效地消除应力和残余奥氏体。高温回火时工件析出碳化物，有效降低奥氏体中的碳含量，可以防止残余奥氏体超标，改善碳化物形态，以得到较好的淬火组织。这样保证了较好的表面硬度和芯部韧性。齿轮性能检测结果。

　　表面硬度略为偏低，但大于等于规定值的下限。芯部硬度则接近上限。而8的表层碳浓度对应的是大量板条马氏体部分针状马氏体的混合组织，这种组织具有良好的综合强度性能。

　　齿轮热处理后的表面硬度、芯部硬度、机械性能和金相组织等均达到了规定要求。

　　24强化喷丸强化喷丸对提高残余压应力有很好的效果。强化喷丸不仅可以消除机加工过程中产生的拉应力，还能把齿轮表面在热处理过程中形成的不良组织影响降低到小程度;同时改善齿轮因连续刀痕或凹槽、孔和过渡圆角等结构因素所导致的应力集中现象，从而提高齿轮的疲劳寿命。

　　主动齿轮经北京航空材料研究院表面强化喷丸，先一次喷铸钢丸后再采用玻璃丸二次喷丸，喷丸后进行残余应力测试。

　　测试条件：CrKaB靶，(211)衍射晶面，衍射2?角156?。交相关方法定峰，设备为芬兰产X3000应力分析仪，X光管电压为28kV，X光管电流为6MA.测试部位为齿根。

　　齿轮表面喷丸强化后残余应力均为压应力，数值大小在9041237MPa之间，残余压应力数值大于800MPa，完全满足齿轮的技术要求。

　　25改善组装工艺采用整体热组装的工艺，加热温度小于等于齿轮的低温回火温度。严格控制加热温度以避免出现齿轮局部温度过高引起的局部拉应力过大。配合面的实际接触面积大于80，配合表面粗糙度为Ra0804#m，并确保配合表面清洁。

　　3结语对薄壁主动齿轮来说，影响其性能的因素包括结构尺寸、原材料、残余应力，表面硬度、芯部硬度和表面粗糙度等。通过分析这些影响齿轮性能的因素，针对性地提出了主动齿轮的制造工艺方案，并在现场数控加工技术铣，启用右刀补G42则为逆铣。顺铣有利于提高加工质量，在数控加工中，是经常采用的模式，即编程时经常采用G41模式。

　　3结语本文系统地论述了刀具半径补偿应用，对从事数控教学、科研和操作人员具有一定的指导意义，由于系统不同，对各种问题处理方法也不尽相同。

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