機(jī)械齒輪材料選擇及設(shè)計(jì)優(yōu)化

付夢(mèng)

摘要：正常工作狀態(tài)下，齒輪的傳動(dòng)等功能在機(jī)械工作中起著十分關(guān)鍵的作用。但由于機(jī)械生產(chǎn)中的工作強(qiáng)度大及其他相關(guān)因素，機(jī)械齒輪失效問(wèn)題出現(xiàn)頻繁，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備癱瘓，降低機(jī)械生產(chǎn)的效率，甚至?xí)?dǎo)致安全事故，必須加以改進(jìn)。因此，加大對(duì)機(jī)械齒輪的研究，對(duì)現(xiàn)有的機(jī)械齒輪材料進(jìn)行相關(guān)選擇和比較，并對(duì)設(shè)計(jì)存在的不足進(jìn)行優(yōu)化，期望對(duì)于我國(guó)機(jī)械齒輪壽命的增加具有一定幫助作用。

關(guān)鍵詞：機(jī)械齒輪;材料選擇;設(shè)計(jì)優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：U464.233 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）07-0030-02

0 ?引言

齒輪是指輪緣上有齒輪連續(xù)嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的機(jī)械元件，在機(jī)械用具中起著關(guān)鍵的作用。齒輪在正常工作狀態(tài)下，可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)等功能，齒輪傳動(dòng)裝置是目前應(yīng)用最廣泛且穩(wěn)定性非常好的機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)裝置，同時(shí)齒輪也是許多機(jī)械產(chǎn)品的核心部件。但由于機(jī)械生產(chǎn)工作強(qiáng)度大等其他相關(guān)因素，機(jī)械齒輪經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)失效問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械出現(xiàn)癱瘓等問(wèn)題，降低了礦業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)效率，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，必須加以改進(jìn)。所以了解齒輪的失效形式，分析齒輪的失效原因，針對(duì)機(jī)械齒輪開(kāi)裂的控制方法進(jìn)行研究，并提出具體控制方式，對(duì)提高齒輪的抗疲勞強(qiáng)度、機(jī)械的壽命和增加企業(yè)的生產(chǎn)效益有重要意義。

1 ?機(jī)械齒輪的材料選擇及加工工藝

1.1 機(jī)械齒輪的選材

世界其他各國(guó)主要采用鉻鎳和鉻鎳鉬的碳鋼，其和我國(guó)機(jī)械齒輪所常用的錳鉻鋼系相比，強(qiáng)度和韌性方面均存在較大程度的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)小功率機(jī)械一般采用18鉻錳鈦、20鉻錳鈦及20錳VB等，近年來(lái)多使用18鉻2鎳4鎢和20鉻2鎳等鋼種，主要原因在于其不僅韌性和淬透性相對(duì)較高，在經(jīng)過(guò)淬火后表明仍具有耐磨和硬度較高等優(yōu)點(diǎn)，在低溫狀態(tài)下沖擊韌性相對(duì)較好，正火后切削性相對(duì)較好，除此之外，18鉻2鎳4鎢和20鉻2鎳4鋼齒輪要比8鉻錳鈦、20鉻錳鈦和20錳的使用壽命更長(zhǎng)。

以上兩種鋼系齒輪都具有鉻、鎳、錳等元素，其中鉻元素可以讓鋼的淬透性提高，鎳能夠降低鋼表面碳濃度過(guò)高的概率和平衡濃度發(fā)生劇烈變化，對(duì)于碳鋼的強(qiáng)度和韌性也有較大的提高作用，而錳元素相對(duì)鉻元素不僅能夠提高碳鋼的強(qiáng)度和韌性，對(duì)于碳鋼的熱加工能力也有較大程度的提升作用。

鉬元素主要作用是溶解奧氏體形成碳化合物，從而達(dá)到固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化的目標(biāo)，并使碳鋼在仍具有較高韌性特點(diǎn)的同時(shí)，強(qiáng)度也能得到進(jìn)一步提高，其中具體材料的化學(xué)成分如表1。

1.2 機(jī)械齒輪的技術(shù)要求

機(jī)械用齒輪要滿足的技術(shù)要求主要有兩部分，一部分是脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及表面摩擦應(yīng)力的一般工況條件，另一部分是包括短期超載及不規(guī)則的沖擊荷載在內(nèi)的特殊工況條件。因此，要求齒輪具有較高的強(qiáng)度和良好的過(guò)載能力及沖擊韌性。其次，工作空間的限制，要求齒輪尺寸不能隨機(jī)械用具功率的提高而增加過(guò)大，否則，會(huì)導(dǎo)致齒輪的表面接觸疲勞應(yīng)力及彎曲應(yīng)力增大，所以，除此之外，齒輪還必須保證材料的接觸疲勞及彎曲疲勞性能。

1.3 機(jī)械齒輪的選材

1.3.1 鎳鉻和鎳鉻鉬兩種鋼系切削性、鍛造性比較

不同材料的切削性主要和碳鋼的硬度有關(guān)，鎳鉻鉬碳鋼在經(jīng)過(guò)正火后，其硬度會(huì)小幅度降低，切削性能則會(huì)進(jìn)一步提高，鎳鉻鋼系則為鐵素體、貝氏體、馬氏體和奧氏體的混合組織，硬度要高于鎳鉻鉬碳鋼，但切削性能卻相對(duì)較差，且隨著碳鋼合金元素不斷增加的同時(shí)碳鋼的鍛造性能也在不斷提高，這也是鎳鉻鉬性能要高于鎳鉻碳鋼性能的主要原因。

1.3.2 鎳鉻和鎳鉻鉬兩種鋼系抗過(guò)載能力、耐磨性比較

由于滲碳鋼的抗過(guò)載能力取決于鋼心部的強(qiáng)度和韌性，后經(jīng)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沖擊斷裂應(yīng)力和臨界過(guò)載載荷與材料的斷裂韌性有關(guān)且鉬、鎳等元素可以提高滲碳鋼的抗過(guò)載能力適當(dāng)減少材料中錳、鉻的含量可以減輕內(nèi)氧化作用，進(jìn)而減少表面淬火冷奧氏體分解產(chǎn)物的形成，提高齒輪表面的疲勞抗力，改善材料的表面淬透性，將硬度梯度分布合理化。因此，鎳-鉻-鉬鋼系的抗過(guò)載能力要優(yōu)于鎳-鉻鋼系。

由于兩種鋼系的滲碳組織均為混合馬氏體，組織中的殘余奧氏體會(huì)產(chǎn)生塑性變形，改善齒輪的接觸狀況，保證齒輪的精度，但會(huì)降低齒輪的耐磨性和疲勞強(qiáng)度。一般情況下，殘余奧氏體含量10-20%為宜，鎳-鉻-鉬鋼系的滲碳層殘余奧氏體含量較鎳-鉻鋼系理想，因此鎳-鉻鋼系較鎳-鉻-鉬鋼系滲碳性能差，硬度低，進(jìn)而耐磨性低。

2 ?機(jī)械齒輪設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化

由于機(jī)械作業(yè)多屬重負(fù)荷、中低速傳動(dòng)，大多啟動(dòng)頻繁，并經(jīng)常承受沖擊負(fù)荷，因此必須對(duì)現(xiàn)有的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)?？紤]到軸承和齒輪承受的壓力和負(fù)荷較大。礦業(yè)生產(chǎn)中一般工作速度較低，傳動(dòng)功率較大且環(huán)境粉塵含量高。設(shè)計(jì)時(shí)必須保證有足夠的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

在機(jī)械齒輪正常工作情況下，齒間嚙合時(shí)產(chǎn)生的接觸應(yīng)力往往較普通齒輪要大得多，而齒輪的硬度沒(méi)有滿足要求，在工作狀態(tài)下出現(xiàn)裂紋。

考慮到上述情況，需要根據(jù)機(jī)械設(shè)備的工作條件，選擇滿足齒輪工作要求強(qiáng)度的材料，并進(jìn)行熱處理工藝優(yōu)化和表面強(qiáng)化處理工藝優(yōu)化，保證齒輪具有足夠的強(qiáng)度和硬度。然后，根據(jù)機(jī)械齒輪的環(huán)境，對(duì)齒輪的形狀尺寸，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。由于機(jī)械齒輪多為低速重載齒輪，接觸應(yīng)力高，接觸面的局部彈性不能忽略，還需要根據(jù)相關(guān)規(guī)律與理論計(jì)算，計(jì)算其潤(rùn)滑參數(shù)。

機(jī)械齒輪的安裝也是影響山機(jī)械設(shè)備能否正常工作及壽命的重要原因之一。因此為了保證安裝質(zhì)量，需要對(duì)齒輪軸中心線的平度、嚙合間隙、中心矩、平行度、軸承安裝及接觸面積等，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2.2 加工工藝優(yōu)化

雖然，機(jī)械齒輪承載能力的強(qiáng)弱并不完全取決于齒輪硬度，但提高齒輪硬度仍是影響齒輪承載能力的主要因素之一。而提高齒輪硬度的有效熱處理工藝手段是深層滲碳淬火。由于鎳元素相對(duì)含量越多，奧氏體形成就越大，共析成分的碳含量就越低，滲碳時(shí)表面就越易形成碳化物，進(jìn)而導(dǎo)致表層奧氏體中的含碳量低于次表層奧氏體。因此，為了減少碳化物、馬氏體、殘余奧氏體的級(jí)別差，硬度偏低等現(xiàn)象。鎳-鉻鋼系不宜直接淬火，如果滲碳后空冷，表層還會(huì)產(chǎn)生屈氏體，次表層會(huì)產(chǎn)生馬氏體。

但對(duì)于鎳鉻鉬鋼系，由于含有鉬元素且鎳-鉻-鉬鋼系鎳元素含量少，上述不良現(xiàn)象的影響較鎳-鉻鋼系小。因此，只需將滲碳表層的碳濃度和整個(gè)滲碳層的碳濃度梯度控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，在適當(dāng)?shù)拇慊饻囟群痛慊鸾橘|(zhì)下，直接滲碳淬火即可。另外，鎳-鉻-鉬鋼系較鎳-鉻鋼系熱處理后的變形小熱處理后力學(xué)性能好，進(jìn)而提高了齒輪的精度、強(qiáng)度，降低了工作時(shí)的噪聲和振動(dòng)，進(jìn)而提高了齒輪的使用壽命且鎳-鉻-鉬鋼系的淬透性要優(yōu)于鎳-鉻鋼系。

所以對(duì)于以鉻鋼等硬齒面鋼種的鎳-鉻-鉬鋼系，應(yīng)選擇正確的熱處理工藝，在930℃下滲碳，820℃淬火且60℃機(jī)油冷卻，180℃低溫回溫，熱處理工藝簡(jiǎn)單。較鎳-鉻鋼系，生產(chǎn)周期短，成本低。滲層深度一般為0.1～0.15m，屬中等滲層，主要用于表面硬化，表層組織為馬氏體、碳化物和殘留奧氏體，表層應(yīng)力狀態(tài)為高殘余壓應(yīng)力。經(jīng)淬火后，表面硬度可達(dá)58～65HR碳，心部硬度一般可達(dá)30HR碳，具有良好的耐磨性、接觸疲勞強(qiáng)度、彎曲疲勞強(qiáng)度、抗粘著咬合能力及較高沖擊韌性，熱處理變形傾向性大，但不易開(kāi)裂。

由于在日常生產(chǎn)中，機(jī)械經(jīng)常需要承受過(guò)大的壓力，齒輪表面的強(qiáng)化處理還會(huì)涉及到齒輪芯部，且目前應(yīng)用最多的就是通過(guò)增強(qiáng)其芯部的強(qiáng)度來(lái)避免齒輪失效，但合理所討論的是如何對(duì)機(jī)械齒輪的開(kāi)裂進(jìn)行有效的控制，所以可以采用小球撞擊齒輪，以提高其強(qiáng)度。

承受載荷較大機(jī)械齒輪表面常處于最大應(yīng)力狀態(tài)，且環(huán)境粉塵含量高，大多數(shù)的失效和破壞是從齒輪的表側(cè)和表面開(kāi)始，由于材料整體強(qiáng)度不足產(chǎn)生斷裂或變形的齒輪所占比例相對(duì)較小。因此為了提高材料表面耐磨性、耐蝕性、強(qiáng)度及抗疲勞性能，延長(zhǎng)齒輪使用壽命，保證機(jī)械齒輪的合理配置性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性，必須對(duì)齒輪進(jìn)行表面強(qiáng)化工藝處理。表面強(qiáng)化可以改善齒輪的表面性能，提高疲勞強(qiáng)度和耐磨性能，還能提高耐腐蝕性能。如在齒輪表層引入一定的殘余壓應(yīng)力，增加表面硬度，改善表層組織結(jié)構(gòu)等，就能顯著地提高齒輪的疲勞強(qiáng)度和耐磨性。

另外對(duì)齒輪進(jìn)行潤(rùn)滑優(yōu)化可以降低齒輪表面的磨損力，應(yīng)該加以注意，加工時(shí)應(yīng)避免齒輪受外力因素而出現(xiàn)開(kāi)裂。通過(guò)對(duì)研究機(jī)械齒輪的開(kāi)裂及控制，可以發(fā)現(xiàn)，由于機(jī)械生產(chǎn)的大負(fù)荷、強(qiáng)噪音及粉塵污染等問(wèn)題，齒輪的表面強(qiáng)度、韌性、硬度、耐磨性是進(jìn)行有效控制所必須考慮的問(wèn)題。通過(guò)針對(duì)這些因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以提高機(jī)械用具的穩(wěn)定性，保證生產(chǎn)的安全性，提高生產(chǎn)效率。

3 ?總結(jié)

本文對(duì)機(jī)械低速重載齒輪的開(kāi)裂失效問(wèn)題，對(duì)機(jī)械低速重載齒輪的選材和設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)方面的優(yōu)化得出以下結(jié)論：

①開(kāi)裂剝落最初是沿輪齒裂紋，向兩側(cè)擴(kuò)展，已開(kāi)裂區(qū)域在嚙合過(guò)程中受到擠壓和磨損，在多次循環(huán)中，裂紋快速擴(kuò)展，最終齒輪開(kāi)裂剝落。

②開(kāi)裂面在開(kāi)裂過(guò)程中，兩個(gè)開(kāi)裂面之間由于相互擠壓已經(jīng)形成塑性變形，由于開(kāi)裂面已經(jīng)經(jīng)過(guò)了較長(zhǎng)時(shí)間的擠壓、磨損，故在開(kāi)裂過(guò)程中，開(kāi)裂的晶粒面已經(jīng)磨平，說(shuō)明在開(kāi)裂過(guò)程中，開(kāi)裂面已經(jīng)經(jīng)過(guò)了較長(zhǎng)時(shí)間的擠壓、磨損。

③經(jīng)切削性、鍛造性、耐磨性、淬透性及抗過(guò)載能力的比較，應(yīng)選擇各方面性能較好的以鉻鋼等硬齒面鋼種的鎳-鉻-鉬鋼系。

④以鉻鋼等硬齒面鋼種的鎳-鉻-鉬鋼系的熱處理工藝應(yīng)為930℃下滲碳，820℃淬火且60℃機(jī)油冷卻，180℃低溫回溫，熱處理工藝簡(jiǎn)單較鎳-鉻鋼系，生產(chǎn)周期短，成本低。且在滲碳或磨齒后應(yīng)進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。

⑤在齒輪安裝時(shí)應(yīng)考慮，齒輪軸中心線的平度、嚙合間隙、中心矩、平行度、軸承安裝及接觸面積等問(wèn)題。

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