基于齒廓修形的錐齒輪再制造技術(shù)

陳禮順，李思路，程禮,*，楊武奎

1. 空軍工程大學(xué) 航空工程學(xué)院，西安 710038 2. 襄陽航泰動力機器廠,襄陽 441002

航空發(fā)動機附件傳動一般采用機械式傳動，主要由箱體、齒輪、傳動軸和支撐軸承等零件組成，其中錐齒輪是用來改變傳動方向的重要部件，對傳動系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、可靠性具有重要的作用[1]。

在工作狀態(tài)，發(fā)動機轉(zhuǎn)子通過安裝在中央傳動架內(nèi)從動錐齒輪的傳動桿將功率輸送到中心傳動錐齒輪上，然后由中心軸錐齒輪將功率傳輸?shù)桨l(fā)動機和飛機的各個附件；在起動狀態(tài)，起動機按相反路線通過中心軸錐齒輪將動力傳遞給發(fā)動機轉(zhuǎn)子。在錐齒輪傳遞動力的過程中，由于齒輪嚙入、嚙出沖擊、制造和安裝誤差、滑動摩擦、循環(huán)交變的彎曲應(yīng)力等各種因素共同作用下，可能會導(dǎo)致錐齒輪齒面金屬材料發(fā)生疲勞，產(chǎn)生齒面磨損、點蝕、膠合、剝落等故障，影響錐齒輪的運動準(zhǔn)確性、傳動平穩(wěn)性、載荷分布的均勻性和工作可靠性，引起錐齒輪在運行過程中產(chǎn)生附加振動和噪聲，降低了錐齒輪使用壽命，嚴(yán)重時會導(dǎo)致錐齒輪斷齒，傳動失效，發(fā)動機停車故障[2-3]，給國家財產(chǎn)造成重大損失。為消除故障隱患，在修理中從嚴(yán)控制錐齒輪的故障檢查標(biāo)準(zhǔn)，又會導(dǎo)致許多經(jīng)過修理可繼續(xù)使用的錐齒輪被判定報廢，不僅造成了錐齒輪使用壽命損失，浪費了錐齒輪附加值，增加了不可再生資源消耗，還造成修理成本劇增。因此，開展航空發(fā)動機錐齒輪再制造技術(shù)研究，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

錐齒輪再制造定義為：以齒面損傷而停用的錐齒輪為毛坯，在基本不改變錐齒輪形狀和材質(zhì)的情況下，通過齒廓修形技術(shù)進(jìn)行再制造加工，使錐齒輪性能達(dá)到或超過新品，使其環(huán)保指標(biāo)符合時代要求，從而繼續(xù)使用，針對失效的原因采取措施使它的使用壽命延長。錐齒輪再制造內(nèi)涵見圖1。

圖1 錐齒輪再制造的內(nèi)涵Fig.1 Intension of bevel gear remanufacturing

目前，齒輪再制造技術(shù)在汽車行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，取得顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。美國汽車零部件再制造企業(yè)約有5萬多家，再制造產(chǎn)業(yè)超過了1 000億美元，對齒輪、軸、離合器、變速箱等汽車零部件的再制造制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；英國BSAU(British Standard Automobile Stander)發(fā)布了汽車零部件再制造標(biāo)準(zhǔn)，英國再制造公司給英、美軍隊提供大量的再制造發(fā)動機使用；德國的梅塞德斯汽車企業(yè)將95%退役的零部件參與再制造工程進(jìn)而達(dá)到提高產(chǎn)品使用壽命的目的[4-5]。自20世紀(jì)90年代以來，在國家大力支持下，中國的科研院校、企業(yè)單位對再制造技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，并將研究成果應(yīng)用到汽車、機械工程、航空航天等領(lǐng)域，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，減少原材料消耗和污染物排放，延緩不可再生資源的枯竭做出了重大貢獻(xiàn)[6-8]。但是由于航空產(chǎn)品安全性要求顯著高于地面裝備，故航空產(chǎn)品的再制造開展還不夠廣泛。

文中闡述了錐齒輪的故障模式，詳細(xì)分析了錐齒輪再制造可行性，構(gòu)建了錐齒輪再制造判別標(biāo)準(zhǔn)，制訂了錐齒輪再制造工藝流程。針對某型航空發(fā)動機錐齒輪再制造的需求，對錐齒輪進(jìn)行了再制造，并對再制造錐齒輪進(jìn)行了檢測和實驗，結(jié)果表明：以齒廓修形技術(shù)為核心的錐齒輪再制造工藝流程可以實現(xiàn)高質(zhì)量的生產(chǎn)。

1 齒輪故障模式及再制造可行性分析

1.1 錐齒輪故障模式

錐齒輪齒面損傷主要是在制造過程中由于機床、刀具、夾具、齒坯等方面的誤差以及操作不當(dāng)、工藝不良造成的加工誤差，安裝齒輪過程中的裝配誤差以及齒輪嚙入、嚙出沖擊等造成的。錐齒輪齒面損傷故障模式主要有齒面磨損、齒面膠合、齒面點蝕和剝落等。

1.1.1 齒面膠合

齒面膠合是指相對運動的兩嚙合齒輪，在一定壓力作用下，潤滑油膜和氧化油膜等被擠壞，高溫熔合，齒面金屬材料從一個齒面向另一個齒面發(fā)生轉(zhuǎn)移或直接從齒面撕落的現(xiàn)象。

如果滑油黏度過低、滑油溫度過高、齒輪相對滑動速度過高、齒面上單位面積載荷過大、齒輪接觸面積過小等都會導(dǎo)致齒面膠合。

1.1.2 齒面磨損

齒面磨損是指相互嚙合的齒輪在傳遞過程中，輪齒表面金屬因摩擦不斷發(fā)生損耗或產(chǎn)生殘余塑變。使齒面接觸表面發(fā)生損傷導(dǎo)致齒輪齒廓和齒面尺寸發(fā)生改變的現(xiàn)象。齒輪磨損的主要原因是潤滑油供應(yīng)不足或者不清潔，在齒輪的工作面之間夾入金屬微粒、金屬氧化物或其他磨料等，導(dǎo)致齒廓改變，側(cè)隙加大[9-11]。

1.1.3 齒面點蝕和剝落

點蝕是指齒輪嚙合過程中，齒輪局部出現(xiàn)接觸疲勞，使齒面接觸應(yīng)力超過了輪齒表面材料耐久極限，在輪齒工作表面或亞表層產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著工作時間延長，輪齒表層金屬小塊脫落，形成麻點剝落，齒面上的小坑即為點蝕坑。同時，裂紋中的潤滑油在齒輪的擠壓下，油壓增高，加速了裂紋的擴(kuò)展，促進(jìn)了齒面點蝕[12]。

齒面剝落是指齒輪在高速重載作用下，由于材料本身存在缺陷或者熱處理造成的過大內(nèi)應(yīng)力，使輪齒表層或次表層在接觸應(yīng)力作用下，材料以相當(dāng)大的顆粒成片從齒面剝離，形成疲勞剝落損傷。

因此，加工不良，熱處理缺陷，材料不合適，接觸疲勞，齒輪表面存在殘余應(yīng)力，齒面硬度低、嚙合載荷分布不均，載荷偏大且存在一定的振動是錐齒輪產(chǎn)生點蝕和剝落的主要原因。

1.2 錐齒輪再制造可行性分析

采用齒廓修形技術(shù)對錐齒輪進(jìn)行再制造修復(fù)在汽車行業(yè)已經(jīng)得到廣泛地應(yīng)用，從技術(shù)上來說是可行的；錐齒輪的制造成本高，通過再制造技術(shù)保住了錐齒輪的附加值，從經(jīng)濟(jì)上來說是值得的；一臺發(fā)動機的修理周期約90天，錐齒輪再制造修復(fù)周期約20天，從時間上來看也是允許的。但是，要保證再制造的航空發(fā)動機錐齒輪安全、可靠地工作，首先要保證錐齒輪工作壽命滿足發(fā)動機大修時限要求；其次，因滲碳后要進(jìn)行熱處理，有可能導(dǎo)致錐齒輪變形，所以再制造錐齒輪不能滲碳，但要保證滲碳層深度符合技術(shù)要求；為進(jìn)一步提高再制造錐齒輪的工作可靠性，需要對輪齒表面進(jìn)行強化。表面熱處理強化和表面化學(xué)處理強化對再制造錐齒輪有一定的損害，激光強化和滾壓強化在工藝上難以實現(xiàn)，錐齒輪制造過程中為使?jié)B碳組織均勻采用了噴丸強化措施，因此錐齒輪再制造過程中也增加噴丸強化措施。

1.2.1 壽命限制

發(fā)動機錐齒輪設(shè)計時要求齒面在疲勞破壞前，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達(dá)到107，其設(shè)計壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過發(fā)動機設(shè)計壽命。每次大修回來的發(fā)動機因齒面損傷而報廢的錐齒輪其技術(shù)性能不能滿足發(fā)動機的使用要求，但只要齒面損傷程度符合錐齒輪再制造標(biāo)準(zhǔn)，其疲勞壽命依然能滿足發(fā)動機主機壽命的要求。

1.2.2 加工幾何尺寸

錐齒輪再制造是利用齒廓修形技術(shù)把原來的漸開線齒廓沿齒高方向從齒面上去除一部分材料，從而改變齒廓形狀的一種技術(shù)措施。錐齒輪再制造修形量小，一般在0.02 mm左右。錐齒輪再制造后要檢查齒面齒形誤差、滲碳層深度(滲碳層深度規(guī)定為0.7～1.1 mm，錐齒輪加工后滲碳層深度不得低于0.7 mm)、齒面硬度、齒厚及表面粗糙度，使之符合產(chǎn)品技術(shù)要求，保證再制造錐齒輪傳動平穩(wěn)，工作可靠。

1.2.3 錐齒輪強化措施

對再制造錐齒輪表面噴丸強化，在高能粒子的沖擊下，錐齒輪齒面滲碳層中的殘余奧氏體誘發(fā)生成細(xì)針馬氏體，錐齒輪齒面產(chǎn)生加工硬化，噴丸強化既吸收了變形能，齒面應(yīng)力集中得到緩和，又延緩了疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展，有利于齒面接觸疲勞強度提高。高速丸粒甚至可使?jié)B碳層組織均勻，尤其是碳化物細(xì)小組織均勻，提高了齒面抗接觸疲勞的能力。噴丸強化主要提高了錐齒輪表面顯微硬度和齒面數(shù)十微米下的殘余壓應(yīng)力，提高疲勞強度10%～30%，也使得錐齒輪的彎曲疲勞強度和使用壽命得到大幅度提高[13-14]。

從再制造技術(shù)、再制造取得的經(jīng)濟(jì)效益、再制造周期、錐齒輪壽命限制分析、加工幾何尺寸分析和強化措施分析表明，航空發(fā)動機錐齒輪再制造具有可行性。

2 錐齒輪再制造工藝方法

大量的文獻(xiàn)資料都論證了齒廓修形技術(shù)能提高齒輪傳動平穩(wěn)性、載荷分布均勻性和工作可靠性。國內(nèi)外許多專家、學(xué)者對齒輪再制造技術(shù)作了大量的研究，提出了許多齒輪再制造技術(shù)，如采用齒廓修形技術(shù)對齒輪進(jìn)行再制造，從而達(dá)到恢復(fù)齒輪傳動性能、延長齒輪使用壽命的目的，并在機械傳動系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。

2.1 齒廓修形技術(shù)

齒廓修形技術(shù)是把原來的漸開線齒廓沿齒高方向從齒面上去除一部分材料，從而改變齒廓形狀的一種技術(shù)措施，通過齒廓修形技術(shù)去除輪齒上的干涉部分，使得單對齒、雙對齒交替嚙合過程中的載荷波動得以減少[15-16]，具有改善齒輪嚙合狀態(tài)，減少由于基節(jié)誤差和受載變形所引起的嚙入和嚙出沖擊，降低齒輪傳動振動和噪聲，提高齒輪傳動效率，防止齒面發(fā)生膠合的優(yōu)點，是錐齒輪再制造工程的核心技術(shù)之一。

2.1.1 齒廓修形理論

圖2 齒對在嚙入和嚙出位置的幾何干涉Fig.2 Geometric interference at meshing-in/out position

基節(jié)處處相等是保證主、從動齒輪平穩(wěn)傳動的重要條件。實際工作過程中，由于齒輪的加工誤差，載荷下齒輪發(fā)生彈性變形，使得主動齒輪和從動齒輪在嚙合線位置的基節(jié)發(fā)生變化，不再相等，當(dāng)齒輪進(jìn)行嚙合時，可以認(rèn)為齒對1承受全部載荷，齒對2承受的載荷忽略不計，齒對1就會發(fā)生彈性變形，從動齒輪基節(jié)增大，主動齒輪基節(jié)減少，齒對2嚙合點發(fā)生變化，提前進(jìn)入嚙合位置，從動齒輪的齒尖在主動齒輪齒根處刮行，形成嚙入干涉，直至回到嚙合線的嚙合點為止，見圖2(a)。在輪齒退出嚙合的時候，齒對1承受的載荷忽略不計，可以認(rèn)為齒對2承受完全載荷，在載荷作用下，齒對2發(fā)生彈性變形，從動齒輪基節(jié)減小，主動齒輪基節(jié)增大，齒對1延遲脫離嚙合，主動齒輪的齒頂在從動齒輪的齒根處刮行，形成嚙出干涉，見圖2(b)。齒輪的加工誤差、安裝誤差、工作中潤滑油溫度的變化等，都會加劇齒輪嚙入干涉和嚙出干涉。其中：Pb1為主動齒輪基節(jié);Pb2為從動齒輪基節(jié);P為兩齒輪節(jié)點，正常情況下嚙合點的公法線與軸心線應(yīng)交于節(jié)點P;Φ1為主動齒輪的旋轉(zhuǎn)速度。

齒輪產(chǎn)生噪聲及尖峰動載荷的主要原因是齒輪傳動時的嚙入沖擊、嚙出沖擊及相應(yīng)的頂刃刮行。頂刃刮行很容易破壞齒面間的承載油膜，使兩齒輪的齒面直接接觸，發(fā)生粘著，粘著的金屬材料在相對運動下發(fā)生分離，粘著點被剪斷，導(dǎo)致齒面產(chǎn)生膠合故障[17]。

2.1.2 齒廓修形參數(shù)

齒廓修形參數(shù)包括修形量、修形長度和修形曲線。對齒廓修形參數(shù)，國內(nèi)外許多學(xué)者和工程技術(shù)人員作了大量的理論研究和實驗分析，提出了許多修形曲線，通用修形曲線公式[9]為

(1)

式中：x為以嚙合線上修形起點為坐標(biāo)原點，在嚙合線上任一位置的坐標(biāo)；l為修形長度；n為修形曲線的指標(biāo)；Δmax為最大修形量；Δ為距離為x的修形量。

最大修形量公式為

Δmax=δ±Δfb

(2)

式中：δ為輪齒的綜合彈性變形;Δfb為主從動齒輪的最大基節(jié)偏差。

模數(shù)為1 mm金屬齒輪的最大齒廓修形量及修形長度已被ISO標(biāo)準(zhǔn)給出，見圖3，r=0.39 mm為齒根倒圓半徑,節(jié)點到齒頂?shù)母叨葹? mm，到齒底的高度為1.25 mm。所有尺寸均為實際模數(shù)的函數(shù)[18]。

上垂直錐齒輪、上被動錐齒輪模數(shù)均為4 mm，按照ISO齒廓修形量標(biāo)準(zhǔn)，齒輪最大修形量為0.08 mm，最大修形長度為2.4 mm，基本符合修形公式的計算值。

圖3 ISO齒廓修形量標(biāo)準(zhǔn)Fig.3 Profile modification standard of ISO

2.2 提出錐齒輪再制造判別標(biāo)準(zhǔn)

錐齒輪再制造判別標(biāo)準(zhǔn)是錐齒輪再制造的基礎(chǔ)，它決定了錐齒輪再制造工作的正確性和有效性，與再制造產(chǎn)品的可靠性和安全性息息相關(guān)，因此，必須明確錐齒輪再制造的判別標(biāo)準(zhǔn)，才能保證錐齒輪再制造工作按正確的方向前進(jìn)。目前，由于受到人員識別經(jīng)驗、能力水平、檢測技術(shù)等限制，缺乏再制造齒輪的檢測標(biāo)準(zhǔn)，在齒輪故障檢查過程中發(fā)現(xiàn)輪齒表面嚙合質(zhì)量不好、齒面磨損、麻點腐蝕、點狀剝落、表面冷作硬化、粘結(jié)的齒輪，均作報廢處理。為節(jié)約修理成本，提高齒輪的利用率，根據(jù)有關(guān)單位編訂的齒輪修理試修工藝，制定了錐齒輪的再制造判別標(biāo)準(zhǔn)。

1) 齒面磨損

齒輪齒根兩側(cè)磨損量之和與齒輪模數(shù)的百分比不大于10%可進(jìn)行再制造，超過則報廢。

2) 齒面膠合

齒面膠合面積與工作齒面面積的百分比不大于20%；齒面膠合溝痕的深度與齒輪模數(shù)的百分比不大于10%。只有膠合面積比率和膠合深度比率同時滿足要求的齒輪才可以再制造。

3) 齒面點蝕

齒面點蝕面積與工作齒面面積的百分比不大于50%；點蝕面積比率在20%以上的點蝕坑最大尺寸與齒輪模數(shù)的百分比不大于20%；點蝕面積比率在20%以上的點蝕坑最大深度與齒輪模數(shù)的百分比不大于10%。只有點蝕面積比率、最大點蝕尺寸比率、最大點蝕深度比率同時滿足要求的齒輪才可以再制造。

4) 其他情況

若齒面有較嚴(yán)重的刻痕-麻點-膠合或沿齒廓磨損和腐蝕，齒輪過熱燒蝕，齒面滲碳層剝落、露出材料基體以及齒輪裂紋，則齒輪報廢。

按照上述再制造判別標(biāo)準(zhǔn)，約有2/3的報廢錐齒輪可進(jìn)行再制造，通過再制造可以減少錐齒輪換件修理，延長錐齒輪的使用壽命，降低修理成本，節(jié)約不可再生資源。

2.3 錐齒輪再制造工藝流程

新品錐齒輪制造流程包括鍛件毛坯，調(diào)質(zhì)，粗車齒坯(車前錐、背錐、頂錐)，銑齒、滲碳淬火，冰冷處理，精加工(背、面錐的磨削)，磨齒，拋光，噴丸處理，磁檢，齒形誤差檢查，著色檢查，齒隙檢查，標(biāo)印。錐齒輪再制造流程包括清洗，無損檢測，拋光，磨齒，噴丸強化，齒形誤差檢查，無損檢測，齒厚及齒面粗糙度檢查，滲碳層深度及顯微硬度檢查，齒隙測量，著色檢查及試車后錐齒輪金屬磨痕檢查等工步。

1) 再制造前對齒輪進(jìn)行清洗

根據(jù)錐齒輪再制造判別標(biāo)準(zhǔn)將分選、檢測、鑒定出來的錐齒輪放入干凈的航空洗滌汽油中用毛刷進(jìn)行清洗，去除零件表面的油液和污漬，洗后放在工作臺上自然晾干。

2) 無損檢測

將清洗的錐齒輪進(jìn)行磁粉探傷檢查，保證再制造錐齒輪無裂紋。

3) 對齒輪進(jìn)行拋光

對于齒輪工作面上的劃痕、粘結(jié)，用油石打磨毛刺和凸起金屬，并用600#砂紙拋光。輪齒齒面壓痕，用1000#砂紙打磨并用羊毛氈輪蘸上400#研磨膏進(jìn)行拋光，保證拋光處圓滑過渡[19]，拋光厚度不大于0.05 mm。

4) 對錐齒輪進(jìn)行齒廓修形

旋轉(zhuǎn)漸開線曲線修形方法具有傳動誤差小、減振降噪效果好、載荷分配率均勻的優(yōu)點，長修形降低噪聲的效果好。因此，為保證錐齒輪再制造質(zhì)量，采用旋轉(zhuǎn)漸開線曲線和長修形的方法對錐齒輪進(jìn)行再制造。如圖4所示：α2為錐齒輪大端旋轉(zhuǎn)角度；α1為錐齒輪小端旋轉(zhuǎn)角度；Cα2為錐齒輪大端修形量；Cα1為錐齒輪小端修形量；ΔLα2為錐齒輪大端修形長度；ΔLα1為錐齒輪小端修形長度；P1、P2分別為齒輪小端和大端的節(jié)點，S1、S2分別為齒輪小端和大端修形起始點，T1、T3分別為齒頂未修形前的點；T2、T4分別為齒頂修形后的終點。

經(jīng)過大量的工程實踐、實驗研究、修形量公式計算，確定修形長度和修形量參數(shù)如下：α2為0.2°～0.6°，α1為1.3°～1.8°，Cα2為0.015～0.022 mm，Cα1為0.015～0.020 mm，ΔLα2為2.52～3.2 mm， ΔLα1為0.88～2.23 mm[20]，基本符合ISO齒廓修形量的標(biāo)準(zhǔn)。在格里森數(shù)控磨齒機上對輪齒工作面進(jìn)行修形，在齒廓修形過程中，要求齒形圓滑過渡以減輕嚙合沖擊。

5) 對錐齒輪表面噴丸強化

對再制造錐齒輪表面噴丸強化，提高齒輪表面顯微硬度和齒面殘余壓應(yīng)力。

6) 對再制造錐齒輪清洗

圖4 錐齒輪齒廓修形參數(shù)Fig.4 Profile modification parameters of bevel gear

采用化學(xué)清洗劑對再制造錐齒輪進(jìn)行清洗，去除錐齒輪表面附著的泥垢、砂粒以及研磨膏等污物，并使錐齒輪表面清潔干凈[21]。

3 錐齒輪再制造應(yīng)用實例及檢測

3.1 故障情況

某型航空發(fā)動機在臺架試車時出現(xiàn)振動大的故障現(xiàn)象，根據(jù)發(fā)動機振動產(chǎn)生的原因以及修理經(jīng)驗，質(zhì)疑附件傳動系統(tǒng)上垂直錐齒輪副工作異常。為確定故障位置，決定采用時域分析和頻譜分析方法對上垂直錐齒輪副進(jìn)行故障診斷，采集、提取、識別上垂直錐齒輪副的振動特征信號。采用高靈敏度壓電式加速度傳感器CA-YD182A，直接粘接在附件機匣殼體上，采用DEWEsoft數(shù)據(jù)采集儀采集上垂直錐齒輪副軸向和徑向振動信號，齒輪振動信號的時域波形和頻譜見圖5和圖6。

圖5 徑向的振動信號及譜圖Fig.5 Drawing of vibration signal and spectrum along radial direction

圖6 軸向的振動信號及譜圖Fig.6 Drawing of vibration signal and spectrum along axial direction

從圖5的頻譜圖可以看出：上垂直錐齒輪嚙合頻率的高次諧波振幅逐漸增大(正常齒輪嚙合頻率高次諧波振幅應(yīng)依次減小)，且超過了嚙合頻率振幅，表明錐齒輪處有附加載荷，錐齒輪可能產(chǎn)生了局部磨損、剝落等故障；在嚙合頻率及其高次諧波周圍有許多齒輪旋轉(zhuǎn)頻率為間隔的邊頻族，說明有齒距誤差和齒輪不同軸。主動錐齒輪的3倍頻、5倍頻幅值突出，預(yù)示著該齒輪發(fā)生了異常。在振動信號時域波形圖中，信號中存在明顯的周期脈沖成分，說明齒輪局部存在磨損、剝落等異常情況。圖6頻譜圖中的嚙合頻率及高次諧波振幅時大時小，也反映了錐齒輪局部存在異常情況。

發(fā)動機分解后發(fā)現(xiàn)上垂直錐齒輪副輪齒表面完整性遭到破壞，在齒面節(jié)線附近出現(xiàn)磨損、凹坑、拉傷，齒頂或齒端部產(chǎn)生飛邊，見圖7。實物檢查結(jié)果與振動信號的識別情況完全吻合，驗證了頻譜分析方法對于航空錐齒輪故障診斷的可行性和有效性。

圖7 錐齒輪齒面損傷Fig.7 Bevel gear teeth surface damage

3.2 錐齒輪再制造修復(fù)

經(jīng)檢查，故障錐齒輪符合再制造標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)再制造工藝流程對該對錐齒輪進(jìn)行再制造修復(fù)，修復(fù)合格后進(jìn)行檢測和實驗。

3.3 檢測和實驗

由于再制造錐齒輪的原材料是磨損或停用的產(chǎn)品，但仍具有使用價值，經(jīng)過再制造加工后的錐齒輪，必須按照新品錐齒輪的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行嚴(yán)格的檢測與實驗，以利于發(fā)現(xiàn)錐齒輪再制造加工及裝配中的缺陷，保證再制造錐齒輪產(chǎn)品質(zhì)量，從而延長錐齒輪的使用壽命。

1) 檢查再制造錐齒輪齒形誤差

錐齒輪再制造齒形誤差檢查設(shè)備為三坐標(biāo)測量儀，每個齒面分成45個測量點進(jìn)行采點測量，并建立修形齒面曲線，對錐齒輪嚙合接觸仿真建立的理論齒面進(jìn)行比對和擬合。錐齒輪齒形誤差規(guī)定45點中主法線方向兩面距離在-10～+10 μm之間，再制造錐齒輪齒形誤差在0～+7 μm之間，其中+4表示齒面凸起4 μm，修形齒面幾何形狀與理論齒面擬合程度較高。圖8顯示了錐齒輪再制造后的齒形誤差，表明錐齒輪再制造效果很好。

圖8 錐齒輪再制造后45點測量齒面齒形誤差Fig.8 45-point measurement for tooth profile error of bevel gear after remanufacturing

2) 無損檢測

將再制造的錐齒輪進(jìn)行磁粉探傷檢查，未見裂紋。

3) 檢查齒厚及齒面粗糙度

用齒厚卡尺檢查再制造的錐齒輪分度圓弦齒厚，齒厚磨損量不超過0.1 mm；用粗糙度樣板檢查齒面粗糙度不大于0.4 μm，符合技術(shù)要求。

4) 齒面滲碳層深度檢查

從再制造錐齒輪上取樣，檢查齒面滲碳層深度。新品齒輪的滲碳層深度在0.7～1.1 mm范圍內(nèi)，再制造錐齒輪齒面滲碳層深度為0.93 mm，保證了滲碳層深度。

檢查再制造錐齒輪金相組織，由表及里的滲碳層及過渡區(qū)組織分布形態(tài)正常，未見異常，見圖9和圖10。

5) 硬度檢查

圖9 主動錐齒輪滲碳層Fig.9 Carburization of driving bevel gear

圖10 從動錐齒輪滲碳層Fig.10 Carburization of driven bevel gear

采用北京時代公司生產(chǎn)的TH320全洛氏硬度計測試齒輪的硬度，載荷為15 N(Y)，硬度測試5～10個點，取算術(shù)平均值，新品錐齒輪表面硬度為HRC≥60，心部硬度為HRC32～45.5。再制造錐齒輪表面硬度為HRC 62.6，心部硬度為HRC 41.2，再制造錐齒輪表面硬度符合新品錐齒輪表面硬度的要求。

6) 錐齒輪嚙合間隙檢查

將再制造的錐齒輪副成組安裝在附件機匣上，檢查錐齒輪的嚙合間隙，嚙合間隙反映了齒輪安裝位置是否符合齒輪設(shè)計要求的嚙合位置。齒輪嚙合間隙太小，接觸應(yīng)力變大，當(dāng)接觸應(yīng)力超越齒輪工作表面或次表面的材料極限應(yīng)力時，齒面就會出現(xiàn)細(xì)小裂紋，隨著工作時間的增加，齒面上小塊金屬就會產(chǎn)生磨損剝落，齒輪嚙合間隙過大，沖擊載荷增加，會使齒輪產(chǎn)生磨損剝落，嚴(yán)重時產(chǎn)生斷裂。

7) 檢查錐齒輪著色印痕

錐齒輪嚙合間隙合格后，檢查錐齒輪的著色印痕。著色印痕反映錐齒輪的嚙合狀態(tài)，著色印痕不符合技術(shù)要求，就有可能產(chǎn)生偏載，使用過程中輕則出現(xiàn)齒面局部重接觸造成齒面磨損、拉傷、膠合、剝落，重則出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象，對齒輪的傳動平穩(wěn)性、使用壽命均有較大的影響。

8) 試車檢查及錐齒輪金屬磨痕檢查

試車過程中錐齒輪傳動平穩(wěn)，嚙合性能好，產(chǎn)生的振動和噪聲小，發(fā)動機各性能參數(shù)均符合技術(shù)要求，未出現(xiàn)異常情況。試車后分解檢查錐齒輪金屬磨痕，金屬磨痕均勻，接觸面積大于65%。

錐齒輪再制造、檢測流程見圖11， 與新品錐齒輪的制造流程相比對，錐齒輪再制造流程從磨齒開始(即齒廓修形)，不開展磨齒前的工步，按照再制造判別標(biāo)準(zhǔn)選定的錐齒輪，其材料成分和金相組織不會發(fā)生改變；修形后要進(jìn)行齒面拋光，噴丸處理，齒形誤差檢查，無損檢測，檢查標(biāo)準(zhǔn)與新品錐齒輪相同；錐齒輪再制造后還要進(jìn)行齒厚及齒面粗糙度檢查，滲碳層深度及顯微硬度檢查，裝配后錐齒輪的嚙合間隙檢查和著色檢查，臺架試車考核，試車后的金屬印痕檢查，確保了再制造錐齒輪修理質(zhì)量。

圖11 錐齒輪再制造、檢測工藝流程Fig.11 Remanufacturing and detecting process of bevel gear

4 實例應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)性分析

2015年，依據(jù)錐齒輪再制造判別標(biāo)準(zhǔn)對報廢的16對錐齒輪嚴(yán)格進(jìn)行分選、檢測、鑒定，選出可再制造的10對錐齒輪。按照錐齒輪再制造工藝流程進(jìn)行修理，10對錐齒輪全部修理合格，對再制造錐齒輪進(jìn)行檢測，未出現(xiàn)異常，齒輪按照工藝要求裝配，嚙合間隙和著色檢查均符合技術(shù)要求，試車過程中錐齒輪傳動平穩(wěn)，嚙合性能好，產(chǎn)生的振動和噪聲小，發(fā)動機各性能參數(shù)均符合技術(shù)要求，未出現(xiàn)異常情況；分解后檢查錐齒輪金屬印痕符合設(shè)計要求。目前，再制造的錐齒輪裝機后在外場最大使用壽命已達(dá)873 h，最小使用壽命也有657 h，應(yīng)用效果良好，未出現(xiàn)異常情況，隨后，在修理過程中按照錐齒輪再制造工作流程又再制造修復(fù)了24對錐齒輪，并進(jìn)行了裝配試車，未發(fā)現(xiàn)異常情況，說明再制造的錐齒輪工作可靠，能滿足航空發(fā)動機的使用要求。

錐齒輪再制造是以齒面損傷而停用的錐齒輪為對象進(jìn)行加工處理，省去了原材料的開采和冶煉，減少了鋼鐵的需求進(jìn)而減少了因冶煉鋼材消耗的能源和資源，同時減少了有毒有害氣體及廢渣的排放，解決了老舊發(fā)動機備件無正常供應(yīng)渠道的難題，實現(xiàn)了發(fā)動機正常修理。錐齒輪制造成本主要由原材料成本，制造活動勞動成本、能源消耗成本和設(shè)備工具損耗成本構(gòu)成，后3項成本稱為相對于原材料成本的成品附加值。錐齒輪制造原材料的價值只占15%，而成品附加值則高達(dá)85%，再制造保留了錐齒輪中隱藏的附加值，可以減少原生資源開采，減輕中國人均資源匱乏的壓力，是實現(xiàn)綠色再制造和中國持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要保障。錐齒輪再制造費用包括拆卸費、清洗費、加工費、無損檢測費、檢測費、鑒定費、裝配費、實驗費等，再制造一件錐齒輪所需費用平均約為960元，新品錐齒輪制造成本為8 500元，大大降低了修理成本，且制造單位往往不能及時供貨，錐齒輪再制造保證了發(fā)動機交付周期。再制造錐齒輪成本僅為新品的11.3%，齒廓修形技術(shù)節(jié)能效果為86%，節(jié)材為78%，且環(huán)境未受到污染。因此，對錐齒輪進(jìn)行再制造修復(fù)研究，可以挖掘錐齒輪制造成本中的附加值，降低維修成本，減少換件修理，減少資源消耗，延長零部件的服役壽命，提高資源利用效率，保證生產(chǎn)周期，提高修理質(zhì)量，保障飛行安全，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

5 結(jié) 論

1) 構(gòu)建的錐齒輪再制造判別標(biāo)準(zhǔn)有效，可以挽救約62.5%的報廢錐齒輪。制訂的以齒廓修形技術(shù)為核心的錐齒輪再制造工藝流程科學(xué)合理，加工合格率為100%。

2) 經(jīng)過再制造的錐齒輪在工作過程中傳動平穩(wěn)，嚙合性能良好，產(chǎn)生的振動和噪聲小，產(chǎn)品質(zhì)量和性能不低于新品錐齒輪。

3) 再制造錐齒輪成本僅為新品的11.3%，節(jié)能效果為86%，節(jié)材為78%，不污染環(huán)境，減少了換件修理，降低了修理成本，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。