齒輪抗疲勞制造技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析

母庚禮

摘要：對(duì)近年來國內(nèi)外在杭疲勞制造技術(shù)方面的研究和進(jìn)展作了綜述，分析了各種抗疲勞制造含技術(shù)的特點(diǎn)，指出了杭疲勞制造技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)制造技術(shù)中的重要作用，并對(duì)今后抗疲勞制造技術(shù)研究的重點(diǎn)進(jìn)行了梳理。

關(guān)鍵詞：抗疲勞制造 ?深冷處理 ?表面涂層

1.國內(nèi)外齒輪抗疲勞技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，應(yīng)用于航空、軍工、風(fēng)電、艦船、煤炭及石化等行業(yè)的高性能齒輪數(shù)量呈快速增長(zhǎng)之勢(shì)，其應(yīng)用性能方面的要求不僅包括了高速、高承載能力、高可靠性、長(zhǎng)壽命等特征，而且在一些特殊應(yīng)用條件下還要求其具有良好的高、低溫性能和短時(shí)間的缺油運(yùn)行能力，這就要求此類齒輪不僅在材料的開發(fā)和選擇上要有良好的適應(yīng)性能，而且在制造過程中的熱處理技術(shù)方面也要有新的思路和突破。多年來，國內(nèi)外在對(duì)高端齒輪的關(guān)鍵制造技術(shù)方面進(jìn)行了多方面的研究和探索，取得了許多積極的進(jìn)展。尤其在國外，許多高端熱處理應(yīng)用技術(shù)已十分成熟，并已廣泛應(yīng)用于高性能齒輪的制造過程，產(chǎn)品性能也都有了十分明顯的改進(jìn)和提高。

2.齒輪抗疲勞制造技術(shù)發(fā)展的必要性

2012年2月24日，中國齒輪產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會(huì)在天津召開。在這次大會(huì)上，中國工程院院士趙振業(yè)作了題為“發(fā)展抗疲勞制造技術(shù)，建設(shè)齒輪強(qiáng)國”的主題報(bào)告。他指出：“抗疲勞制造技術(shù)是高端齒輪的核心技術(shù)?？蛊谥圃焓且粓?chǎng)革命。中國要成為裝備制造業(yè)強(qiáng)國，必須先成為齒輪工業(yè)強(qiáng)國。要成為齒輪工業(yè)強(qiáng)國，非攻克抗疲勞制造技術(shù)難關(guān)不可?！饼X輪是汽車變速器等高端機(jī)械裝備的關(guān)鍵構(gòu)件。

3.齒輪抗疲勞制造關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1齒輪深冷處理技術(shù)

齒輪材料的深冷處理是高性能齒輪材料熱處理的重要延續(xù)和補(bǔ)充，是提升其綜合性能的重要手段，目前在國外高速齒輪及航空航天齒輪制造中應(yīng)用已十分普遍。國內(nèi)一些單位也進(jìn)行了許多探索，但由于缺乏系統(tǒng)性及指導(dǎo)性的工藝數(shù)據(jù)，其應(yīng)用尚不夠普遍。眾多的機(jī)理性試驗(yàn)研究已表明，在對(duì)經(jīng)過滲碳、淬火處理的齒輪再進(jìn)行一次或多次的溫度最低可達(dá)零下190℃的低溫處理，可有效促進(jìn)齒面殘余奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，同時(shí)使得馬氏體組織中分解析出彌散狀超細(xì)碳化物組織，因而使得齒輪齒面金相組織更為細(xì)密、均勻、穩(wěn)定，表面強(qiáng)度及硬度提高，耐磨性也明顯改善，有害殘余應(yīng)力大大減小，精度穩(wěn)定性提高，可大大延長(zhǎng)齒輪使用壽命。為使該項(xiàng)處理技術(shù)能更為廣泛得以推廣應(yīng)用，除進(jìn)一步深入研究冷處理的各項(xiàng)作用機(jī)理外，尚應(yīng)加強(qiáng)其應(yīng)用性方面的系統(tǒng)研究，如應(yīng)對(duì)常用齒輪材料的冷處理工藝參數(shù)和處理程序進(jìn)行全面試驗(yàn)研究，以確定不同材料適用的處理工藝參數(shù)和方法，明確冷處理后金相組織的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)及要求。

3.2齒面離子注入改性技術(shù)

為提高傳動(dòng)齒面的綜合性能，如提高其抗腐蝕、抗氧化及抗疲勞性能，提高表面硬度和耐磨性能，降低齒面摩擦系數(shù)，改善齒面微觀結(jié)構(gòu)的低溫或高溫性能等，目前已證明行之有效的方法之一是采用齒面的各類離子注入技術(shù)。注入的元素類別視具體要求的不同，可選擇一種或多種不同的元素。齒面通過各類離子的注入，可有助于析出金屬化合物和合金相，形成離散強(qiáng)化相，減少粘著和互擴(kuò)散，增強(qiáng)氧化膜，提高潤(rùn)滑性能。

應(yīng)加強(qiáng)對(duì)各類常用齒輪材料在不同應(yīng)用環(huán)境和使用要求下的各種適用性應(yīng)用研究，以便為實(shí)際應(yīng)用操作提供技術(shù)指導(dǎo)。如為提高齒面的抗膠合、抗微點(diǎn)蝕、抗疲勞性能等不同要求時(shí)，各種相應(yīng)離子注入類別的操作工藝參數(shù)和處理結(jié)果評(píng)定的研究，各種不同的離子注入方法及相應(yīng)硬件手段的開發(fā)等，均應(yīng)系統(tǒng)全面籌劃并盡快進(jìn)行。

3.3齒面磷化、硫化、鍍鎳及沉積涂層技術(shù)

為改善齒面的摩擦潤(rùn)滑特性，提高齒面抗冷、熱膠合和微點(diǎn)蝕能力，多年來在高性能齒輪齒面的處理中還采用了鋅系或錳系磷化處理、表面鍍鎳、低溫電解滲硫及表面沉積涂層技術(shù)等，這些也都在不同程度上取得了一定效果。目前表面涂層技術(shù)在風(fēng)電軸承中已開始被采用，我國汽車齒輪生產(chǎn)中目前也有采用齒面磷化技術(shù)來改善其齒面摩擦性能，但范圍還很有限。上述幾種方法的一個(gè)共同點(diǎn)是均涉及到新生的表面層問題，因而對(duì)其表面層與母體的結(jié)合力、組織致密性、應(yīng)力狀況、硬度、抗疲勞性能、耐溫性能、耐沖擊能力、耐磨性、耐蝕性等，均應(yīng)在不同的環(huán)境與載荷條件及不同的轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行系統(tǒng)全面的試驗(yàn)研究，確定出其適宜的應(yīng)用條件及驗(yàn)收或檢驗(yàn)方法，以便能更廣泛的推廣應(yīng)用。

4.齒輪抗疲勞制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

我們必須結(jié)合實(shí)際需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入系統(tǒng)的抗疲勞制造技術(shù)研究。

（l）開展齒輪斷裂力學(xué)、彈塑性斷裂力學(xué)以及損傷容限設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究;

（2）加強(qiáng)對(duì)齒輪疲勞損傷機(jī)理的研究，利用現(xiàn)代分析于段，深人研究疲勞損傷的機(jī)理、根據(jù)機(jī)械零部件的材質(zhì)工作環(huán)境、工作狀態(tài)等狀況，有針對(duì)性地采用抗疲勞制造技術(shù)，提高經(jīng)濟(jì)效益;

（3）開展齒輪復(fù)雜工作條件下的疲勞壽命研究，如齒面腐蝕疲勞、接觸疲勞、微動(dòng)疲勞、隨機(jī)疲勞、高低溫疲勞、低溫及多軸應(yīng)力狀態(tài)等特殊工況下的疲勞問題;

（4）開展疲勞損傷的計(jì)算機(jī)模擬與計(jì)算;

（5）開展對(duì)高分子材料、復(fù)合材料、先進(jìn)陶瓷的微動(dòng)損傷規(guī)律的研究。

5.齒輪抗疲勞制造技術(shù)發(fā)展前景及意義

20世紀(jì)80年代，國內(nèi)以飛機(jī)起落架為典型產(chǎn)品開始抗疲勞制造技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了抗疲勞飛機(jī)起落架技術(shù)趕超發(fā)達(dá)國家先進(jìn)水平的突破。然而，在抗疲勞齒輪制造技術(shù)的研究、應(yīng)用、推廣方面，國內(nèi)至今依然是一片空白。發(fā)展抗疲勞齒輪制造技術(shù)，關(guān)系齒輪行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的全局，對(duì)提升齒輪行業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力、促進(jìn)齒輪行業(yè)可持續(xù)發(fā)展、建設(shè)齒輪工業(yè)強(qiáng)國具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)的歷史意義。

其意義在于：一是突破抗疲勞性能，掌握核心技術(shù)，達(dá)到世界水平;二是攻克齒輪制造前沿技術(shù)，突破工藝難點(diǎn);三是培養(yǎng)一批專業(yè)技術(shù)骨干，壯大創(chuàng)新團(tuán)隊(duì);四是整合齒輪產(chǎn)業(yè)鏈，提升材料、裝備、工藝上水平，占領(lǐng)國際市場(chǎng);五是齒輪標(biāo)準(zhǔn)與國際接軌，培育國際知名品牌。

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