曲柄壓力機齒輪材料的選用

盛 娟，吳 強，馮全保

（江蘇省徐州鍛壓機床廠集團有限公司，江蘇 徐州 221116）

1 概述

齒輪傳動因其可傳遞大扭矩，又具有結構緊湊、工作可靠、壽命較長等優(yōu)點，在機械壓力機和其他許多機械中獲得了廣泛應用，其中用的最多的是圓柱齒輪傳動。

在齒輪材料選用中，不僅要考慮材料性能能夠適應其工作條件，使其經(jīng)久耐用，而且要考慮材料有較好的加工工藝性和經(jīng)濟性，以提高零件生產(chǎn)率，降低成本，減少消耗。如果齒輪材料選擇不當，則會出現(xiàn)零件過早損傷，甚至失效。

齒輪傳動一般遇到的問題有：齒面磨損、牙齒折斷、倒牙、點蝕和振動噪聲等。對于一些精密機械，齒輪傳動的平穩(wěn)性能往往是主要的。而對于機械壓力機，由于齒輪必須承受較大的載荷，而轉速又不高，所以齒輪失效是主要矛盾，傳動平穩(wěn)性是次要矛盾。

因此，對于機械壓力機的齒輪傳動有如下基本要求：①足夠的承載能力。既要盡可能縮小齒輪的尺寸，采用常用的材料，又要保證能夠承受外載荷的作用，并且有足夠的使用壽命。②必要的傳動平穩(wěn)性能。齒輪傳動過程中產(chǎn)生的振動和噪聲要在允許的范圍內，不能過大。

圖1為機械壓力機中最為典型的一種齒輪結構示意圖。

從圖1可看出，對于機械壓力機齒輪傳動，齒輪為單側受載，彎曲應力為脈沖循環(huán)。

圖1 齒輪結構示意圖

2 機械壓力機齒輪的主要失效形式及計算校核

根據(jù)機械壓力機的齒輪傳動的特點，通常在計算校核時不必進行接觸強度計算，主要計算彎曲強度。但是還應注意到，在牙齒彎曲疲勞折斷之前，由于齒輪的短時超載（在壓力機上一般允許超載10%），在齒面上可能產(chǎn)生很大的接觸應力，造成表面塑性變形（對于齒面硬度HB＜350的鋼制齒輪）或脆性破壞（對于齒面硬度HB＞350的鋼制齒輪和鑄鐵齒輪）。因此，為避免上述現(xiàn)象的出現(xiàn)，應在計算校核彎曲強度之后，再核驗超載時的表面接觸應力。

2.1 預選齒輪模數(shù)

可由下式預選齒輪模數(shù)：

式中：Mn2——大齒輪所需傳遞的扭矩（N·m），在計算低速級時，對單點壓力機Mn2=Mg（Mg為曲軸上公稱扭矩），對雙點壓力機，Mn2=0.6Mg；

ψm——齒寬系數(shù)，ψm=B/m，B為齒寬。目前國產(chǎn)壓力機，ψm在8～18范圍內。對一級齒輪傳動，ψm可取 13～15；對兩級齒輪傳動，ψm可取 10～13；對人字齒輪傳動，ψm可取 17～22；

z2——大齒輪齒數(shù)。

上式中的系數(shù)（2.8～3.5）在一般情況下可取3.15，在齒輪材料及熱處理條件較好的情況下可取2.8，在條件較差時可取3.5。

對于斜齒輪，按式（1）算得的模數(shù)是端面模數(shù)ms，需換算成法向模數(shù)mn（mn=mscosβ，β為螺旋角），再選取模數(shù)標準值。

2.2 校核齒輪彎曲強度

其計算式為：

式中：σw——齒輪齒根處彎曲應力；

Mn1——小齒輪所受扭矩，i傳動速比；

Cw——彎曲應力系數(shù)，，z1為小齒輪齒數(shù)，α為齒輪壓力角；

Y——齒形系數(shù)；

M——齒輪模數(shù)；

B——齒寬；

Kj——載荷集中系數(shù)；

Kd——動載系數(shù)；

[σw]——許用彎曲應力，參見表1、表2。

表1 許用應力表

表2 現(xiàn)有壓力機齒輪常用材料和計算彎曲應力

2.3 接觸強度校核

在閉式傳動中的齒輪，需要核算一下接觸強度，特別是對軟齒面的閉式傳動齒輪，容易產(chǎn)生點蝕破壞。

齒輪齒面的接觸強度公式為：

式中：B——齒寬；

A——兩齒輪中心距；

Cjc——接觸應力系數(shù)，，i傳動速比，Ed為當量彈性模量；α為齒輪壓力角；

a——齒形系數(shù)，直齒圓柱齒輪，a=1；斜齒圓柱齒輪，a=0.88～0.93（對應于螺旋角β=20～6°）；

σjc——計算接觸應力；

[σjc]——許用接觸應力。

3 壓力機齒輪材料選擇要求

根據(jù)機械壓力機齒輪傳動的特點，對其齒輪要求為齒面硬、芯部韌。

常用齒輪材料分為鋼件及鑄鐵件，其中若采用鑄鋼件，通常為了改善性能采用合金鋼。

鋼材韌性好，耐沖擊，可通過熱處理和化學處理來改善其機械性能，最適于用來制造齒輪。

考慮工作條件、載荷性質、經(jīng)濟性、制造方法等篩選出如下齒輪材料供選擇參考。

表3 許用接觸應力

圖2 機械壓力機齒輪材料

4 機械壓力機齒輪熱處理工藝

選擇適當?shù)牟牧?，同時要選擇適當?shù)臒崽幚砉に?。從齒輪特性來說可分成兩種狀態(tài)，一種是軟齒面，一種是硬齒面，下面分別介紹。

（1）軟齒面。①調質：用于中碳或中碳合金鋼，如45、40Cr、35SiMn等。因為硬度不高，故可在熱處理后精切齒形，且在使用中易于跑合。②正火：能消除內應力、細化晶粒、改善力學性能和切削性能。機械強度要求不高的齒輪可用中碳鋼正火處理。大直徑的齒輪可用鑄鋼正火處理。

（2）硬齒面。①表面淬火：用于中碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr等。表面淬火后輪齒變形小，可不磨齒，硬度可達52～56HRC，面硬芯軟，能承受一定沖擊載荷。②滲碳淬火：滲碳鋼為含碳量0.15%～0.25%的低碳鋼和低碳合金鋼，如20、20Cr等。齒面硬度達56～62HRC，齒面接觸強度高，耐磨性好，齒芯韌性高。常用于受沖擊載荷的重要傳動。通常滲碳淬火后要磨齒。③表面氮化：一種化學處理方法。滲氮后齒面硬度可達60～62HRC。氮化處理溫度低，輪齒變形小，適用于難以磨齒的場合，如內齒輪。材料為38CrMoAlA。

注意：當大小齒輪都是軟齒面時，因小輪齒根薄，彎曲強度低，故在選材和熱處理時，小輪比大輪硬度高30～50HBS。表面淬火、滲碳淬火、滲氮處理后齒面硬度高，屬硬齒面。其承載能力高，但一般需要磨齒。常用于結構緊湊的場合。

5 某公司幾種典型曲柄壓力機齒輪校核數(shù)據(jù)（表4）

表4 J21系列產(chǎn)品大齒輪校核數(shù)據(jù)

材料：ZG35SiMn

熱處理：正火，表面淬火，回火。

6 總結及建議

通過理論計算，參考實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對一般曲柄壓力機，小齒輪可選擇45號鋼或40Cr，熱處理方面進行調質+淬火；大齒輪可選擇較為經(jīng)濟的ZG45或ZG35SiMn，熱處理工藝可以正火或者調質。對于要求較高的精密壓力機，大齒輪可進行淬火+磨齒工藝，提高齒輪的承載能力，同時提高其傳動的平穩(wěn)性。

[1]何德譽.曲柄壓力機[M].北京：機械工業(yè)出版社，1987.

[2]徐 灝，主編.機械設計手冊（第3卷）[M].北京：機械工業(yè)出版社，1991.

[3]成大先，主編.機械設計手冊（第5版）[M].北京：化學工業(yè)出版社，2010.

[4]宋治棟，主編.鑄鍛機械設計手冊（上卷）[M].濟南：濟南鑄造鍛壓機械研究所，1993.