航空燃油齒輪泵主從動(dòng)齒輪的修理技術(shù)研究

楊引鋒 范海波 岳劍龍

摘 ?要：齒輪泵具有外形尺寸小、重量輕、自吸性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好、工作可靠、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛應(yīng)用。該文對(duì)齒輪泵工作過(guò)程中主從動(dòng)齒輪磨損工況進(jìn)行分析，對(duì)主從動(dòng)齒輪修理的工藝方法及解決方案進(jìn)行歸納和總結(jié)，形成詳盡的修理工藝技術(shù)，為同類齒輪泵中主從動(dòng)齒輪的修理提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：主從動(dòng)齒輪;修理;拋光;激光熔覆

中圖分類號(hào)： TH325 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

齒輪泵具有外形尺寸小、重量輕、自吸性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好、工作可靠以及耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。相反的，其最大的缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)副零件易磨損，使用壽命短。

主從動(dòng)齒輪是燃油齒輪泵的核心組成零件，發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中，經(jīng)傳動(dòng)機(jī)匣及傳動(dòng)軸帶動(dòng)主動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)[1]。主從動(dòng)齒輪在嚙合過(guò)程中，受制造以及安裝誤差、循環(huán)交變應(yīng)力等因素共同作用，可能導(dǎo)致齒面材料發(fā)生疲勞，產(chǎn)生齒面磨損、點(diǎn)蝕、氣蝕和剝落等故障，降低了齒輪的使用壽命，導(dǎo)致齒輪斷齒、傳動(dòng)失效甚至發(fā)動(dòng)機(jī)故障。為了消除故障隱患，在修理中一般應(yīng)該嚴(yán)格控制齒輪的故障檢查標(biāo)準(zhǔn)，大部分齒輪被判定為報(bào)廢，更換新件，這樣就浪費(fèi)了齒輪的附加值，造成了修理成本增加。因此，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油齒輪泵齒輪修理技術(shù)的研究，是十分重要的。

1 主從動(dòng)齒輪的失效形式

從燃油齒輪泵的工作原理分析，主從動(dòng)齒輪的主要失效形式有齒面磨損、點(diǎn)蝕、氣蝕和剝落等，下面對(duì)主要的失效形式進(jìn)行分析，圖1為幾種失效形式的實(shí)物照片。

1.1.1 齒面磨損

齒面磨損是指相互嚙合的齒輪在工作過(guò)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[2]。齒輪磨損的主要原因是燃油供應(yīng)不足或者燃油不清潔，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。

1.1.2 齒面點(diǎn)蝕和剝落

點(diǎn)蝕是指齒輪嚙合過(guò)程中，齒輪局部出現(xiàn)接觸疲勞，使齒面接觸應(yīng)力超過(guò)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(shí)間延長(zhǎng)，輪齒表面金屬小塊脫落，形成麻點(diǎn)剝落，齒面上的小坑即為點(diǎn)蝕坑。同時(shí)，裂紋中的燃油在齒輪的擠壓下，油壓增高，加速了裂紋的擴(kuò)展，促進(jìn)了齒面點(diǎn)蝕。

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(guò)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。

1.1.3 齒面氣蝕

在主從動(dòng)齒輪嚙合過(guò)程中，前一對(duì)輪齒尚未脫開嚙合前，后一對(duì)輪齒又進(jìn)入嚙合，在這段時(shí)間內(nèi)，同時(shí)嚙合的就有2對(duì)輪齒。這時(shí)在2對(duì)輪齒之間形成了和吸壓油腔均不相通的閉死容積，而齒輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，閉死容積的大小會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為困油現(xiàn)象。由于液體的可壓縮性很小，當(dāng)困油容積由大變小時(shí)，被封閉的液體受擠壓，壓力急劇升高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)泵的輸出壓力（被封閉的液體也從一切可泄露的縫隙中強(qiáng)行擠出），使油液發(fā)熱、引起振動(dòng)和噪聲，降低了泵的工作平穩(wěn)性和壽命。當(dāng)困油容積由小變大時(shí)，形成真空，產(chǎn)生氣泡，帶來(lái)氣蝕、振動(dòng)和噪聲等危害。齒面氣蝕就是在困油容積由小變大時(shí)產(chǎn)生的，由油液的強(qiáng)力沖擊，將齒輪齒面的金屬材料沖蝕，造成齒面氣蝕凹陷[3]。

2 修理關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)燃油泵主從動(dòng)齒輪的功能、性能特點(diǎn)及工作環(huán)境等，將主從動(dòng)齒輪修理中的技術(shù)指標(biāo)分為2項(xiàng)。1）判斷是否可修理指標(biāo)（簡(jiǎn)稱修理前指標(biāo)）。2）修理后是否合格的指標(biāo)（簡(jiǎn)稱修理后指標(biāo)）。

修理前主要指標(biāo)有4個(gè)。1）齒面粗糙度。2）齒面上氣蝕深度及面積。3）齒面點(diǎn)蝕及剝落的深度及剝落。4）齒寬及軸徑的尺寸及磨損情況。

修理后主要指標(biāo)有3個(gè)。1）齒面的粗糙度。2）齒形的精度。3）齒寬及軸徑的尺寸。

2.2 主要工藝流程

主從動(dòng)齒輪修理的主要工藝流程如圖2所示。

2.2.1 清洗

將主從動(dòng)齒輪放入航空用清洗劑中，用毛刷刷洗干凈。

2.2.2 磁力探傷

將清洗的齒輪進(jìn)行磁粉探傷檢查，保證修理的齒輪無(wú)裂紋。

2.2.3 故檢

根據(jù)修理技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢查，包括外觀檢查和尺寸檢查。其中，針對(duì)主從動(dòng)齒輪齒面氣蝕的故障缺陷，我們建立了標(biāo)準(zhǔn)樣件，如圖3所示， 在故檢時(shí)進(jìn)行比對(duì)判斷是否可修理。

2.2.4 拋光齒面及齒槽

用拋光輪或拋光膏拋光去除齒面上的輕微劃痕、擦傷、壓傷、材料凸起及凹痕，用拋光輪及油石打磨去除齒槽的材料沖蝕痕跡。

2.2.5 拋修外圓及端面

對(duì)于齒輪兩軸徑外圓及端面有輕微擦傷、劃道和劃痕等缺陷的零件在研磨車頭上拋光，去除缺陷，保證粗糙度及尺寸要求，對(duì)于拋光無(wú)法去除缺陷的情況將零件進(jìn)行配磨，在精密數(shù)控外圓磨床S21CNC上進(jìn)行磨削加工，保證粗糙度及尺寸要求。

2.2.6 配磨

配磨主從動(dòng)齒輪的兩端面及外圓軸徑，修復(fù)缺陷，保證齒寬尺寸及軸徑尺寸。1）齒輪兩端面均勻去余量。2）齒輪兩端面對(duì)軸徑的跳動(dòng)不大于0.005 mm。3）齒輪兩端面平面度0.005 mm，只允許內(nèi)凹。4）成套的主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪的齒寬尺寸差值不大于0.005 mm，注意的是，測(cè)量齒寬尺寸時(shí)在齒頂圓附近測(cè)量，用任何一齒輪的齒寬尺寸最大值減去另一個(gè)齒輪齒寬的最小值，保證齒寬差不大于0.005 mm。

2.2.7 打磨齒面氣蝕區(qū)

打磨齒面氣蝕區(qū)包括5點(diǎn)。1）用牙鉆以氣蝕最深處為中心進(jìn)行擴(kuò)大打磨，打磨直徑在φ2 mm～φ3 mm，打磨深度為0.4 mm～1.2 mm，打磨后的齒輪如圖4所示。2）對(duì)于缺陷深度大于2.6 mm的不再進(jìn)行打磨。3）打磨完成后去除打磨處毛刺，保證打磨處與周邊圓滑過(guò)渡。4）對(duì)氣蝕區(qū)的打磨必須徹底，為激光熔覆修補(bǔ)做好基礎(chǔ)工作。5）打磨過(guò)程中防止碰傷齒輪其余表面。

2.2.8 激光熔覆修補(bǔ)

對(duì)主從動(dòng)齒輪表面的氣蝕缺陷激光熔覆修補(bǔ)，這是氣蝕缺陷修理的關(guān)鍵工藝技術(shù)。

2.2.8.1 激光熔覆修補(bǔ)技術(shù)的工藝特點(diǎn)

激光熔覆修補(bǔ)技術(shù)的工藝特點(diǎn)有6個(gè)。1）冷卻速度快，高達(dá)106 K/s，容易得到細(xì)晶組織或產(chǎn)生平衡態(tài)所無(wú)法得到的新相，例如非穩(wěn)相、非晶態(tài)等。2）激光束能量密度較高，作用時(shí)間較短，可以將基材熱影響區(qū)大小及熱變形降低到最小程度。3）激光熔覆層組織致密，微觀缺陷少，結(jié)合強(qiáng)度高。4）激光熔覆層的位置和尺寸可以精確控制。5）激光熔覆低噪省，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，無(wú)輻射。6）激光熔覆層稀釋率低， 一般小于5%，與基體呈牢固的冶金結(jié)合或界面擴(kuò)散結(jié)合。

2.2.8.2 激光熔覆修補(bǔ)檢查項(xiàng)目

激光熔覆修補(bǔ)填充材料為GH3625，修補(bǔ)完的零件需要進(jìn)行金相檢查，主要檢測(cè)修復(fù)層與基體冶金結(jié)合情況，還需要進(jìn)行洛氏硬度檢查，主要沿激光修補(bǔ)區(qū)域與基體相接處進(jìn)行硬度檢查。

激光熔覆修補(bǔ)后應(yīng)對(duì)齒輪進(jìn)行著色探傷檢查，要求激光修復(fù)區(qū)外不允許有激光輻照損傷和濺射物粘接，激光修復(fù)區(qū)不允許有咬邊、漏補(bǔ)、夾渣、氣孔、疏松以及凹坑等缺陷，激光修復(fù)區(qū)表面應(yīng)平整光滑。

激光熔覆修補(bǔ)后應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力處理，保證齒輪尺寸的穩(wěn)定性。

2.2.9 激光熔覆區(qū)打磨

對(duì)齒輪齒面激光熔覆修補(bǔ)部位進(jìn)行打磨拋光，修復(fù)區(qū)應(yīng)與齒面其他部位光滑過(guò)渡，修復(fù)部位沿漸開線型面只允許內(nèi)凹不大于0.005 mm。

2.2.10 磁力探傷

主從動(dòng)齒輪氣蝕部位經(jīng)過(guò)激光熔覆修補(bǔ)粗打磨后進(jìn)行無(wú)損探傷，修復(fù)部位不允許有線性顯示（即不允許有微裂紋存在）。

2.2.11 清洗

清洗步驟如下。1）浸泡，將主從動(dòng)齒輪放入電加熱槽內(nèi)，加熱至t=50 ℃～60 ℃的煤油中保持30 min。2）超聲波清洗，熱浸泡后的齒輪在5 min內(nèi)放入超聲波清洗機(jī)內(nèi)進(jìn)行超聲波清洗。

2.2.12 修理后檢查

航空產(chǎn)品對(duì)性能的要求極高，主從動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)要求更嚴(yán)格，一般是以恢復(fù)設(shè)計(jì)尺寸和幾何外形為最終目的，修理標(biāo)準(zhǔn)與制造標(biāo)準(zhǔn)幾乎相同，所以在修理后對(duì)齒輪需要進(jìn)行最終檢查，按照修理后指標(biāo)執(zhí)行。

3 修理存在的主要問(wèn)題

3.1 修復(fù)成功率低

由于主從動(dòng)齒輪齒面出現(xiàn)的齒面磨損、點(diǎn)蝕、氣蝕、剝落和膠合等故障，小批量零件修理手段單一，以手工作業(yè)為主。操作者的技能水平是零件修復(fù)成功率的主要影響因素，易造成零件的報(bào)廢和返修。主從動(dòng)齒輪的修理合格率低，主要受激光熔覆技術(shù)的影響，從一組數(shù)據(jù)中可以明顯看出，見(jiàn)表1和表2。針對(duì)這一問(wèn)題，工藝安排過(guò)程中要盡量減少手工作業(yè)，探索更加規(guī)范的修理方法。

3.2 評(píng)價(jià)方法欠缺

一般情況下，修理是以恢復(fù)設(shè)計(jì)幾何外形和尺寸為最終目的，并利用無(wú)損探傷對(duì)修復(fù)部位進(jìn)行缺陷檢測(cè)，但是對(duì)修復(fù)部位的接觸疲勞壽命、殘余應(yīng)力等性能缺乏系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法。壽命評(píng)估是修理后質(zhì)量控制與評(píng)價(jià)方法的一個(gè)難點(diǎn)，目前是將修理好的齒輪裝泵進(jìn)行一個(gè)壽命周期來(lái)評(píng)價(jià)。

4 修理的經(jīng)濟(jì)性

燃油齒輪泵齒輪副設(shè)計(jì)的精度高，齒輪精度一般達(dá)到五級(jí)或高于五級(jí);為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，工藝流程復(fù)雜，加工周期長(zhǎng)。某型燃油泵使用的主動(dòng)齒輪的加工周期在3個(gè)月左右，這對(duì)制造的生產(chǎn)組織是個(gè)很大的考驗(yàn)。為了滿足用戶的使用需求，將使用到壽命的泵分解大修，將大修后性能合格的泵進(jìn)行繼續(xù)服役。這樣，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)正常維護(hù)修理。因此，對(duì)燃油齒輪泵主從動(dòng)齒輪的修理技術(shù)進(jìn)行研究，挖掘齒輪制造成本中的附加值，減少換件修理，降低維修成本，延長(zhǎng)齒輪的服役壽命，提高資源利用效率，保障飛行安全，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

主從動(dòng)齒輪是燃油齒輪泵的重要組成部分，其修理技術(shù)是燃油齒輪泵修理的關(guān)鍵，在整個(gè)修理流程中，除了無(wú)損檢測(cè)、配磨使用設(shè)備外，其余修理過(guò)程主要以人工修理為主，再加上修理后指標(biāo)幾乎和制造指標(biāo)相同，修理技術(shù)難度大，對(duì)工人的技能水平要求極高。

該文主要對(duì)主從動(dòng)齒輪的修理技術(shù)進(jìn)行了研究與總結(jié)，為后續(xù)修理技術(shù)的改進(jìn)提供技術(shù)支持，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)人工修理與機(jī)械修理一體化做好準(zhǔn)備。

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