劉文斌

(1.中航工業(yè)南京機電液壓工程研究中心，南京 211106;2.航空機電系統(tǒng)綜合航空科技重點實驗室，南京 211106)

0 引言

齒輪是機器中傳遞功率和運動的重要部件，與皮帶、鏈及摩擦輪傳動等相比，金屬齒輪傳動有穩(wěn)定性較高、傳動效率高，速度、傳動比、傳動功率范圍大的特點。但是，齒輪一般無過載保護作用，對傳遞大功率的航空用金屬齒輪，則要求有很高的加工精度和良好的安裝、組合，否則傳動時會出現(xiàn)較大的噪聲、振動以及沖擊，易于造成動載損傷失效［1］。

一般來說，齒輪的失效形式主要有齒面磨損、齒面膠合和擦傷、齒面接觸疲勞以及彎曲疲勞和斷齒［2］。而彎曲疲勞與斷齒的損傷原因主要有設(shè)計不當(dāng)、負荷過大、組裝不良、偏載和齒輪表層下的缺陷引起的應(yīng)力集中。產(chǎn)生齒輪故障原因較多，主要有制造加工缺陷、裝配不良、潤滑不良、超載、操作失誤等幾個方面。其中，制造加工過程中熱處理中的淬火裂紋，以及機械加工中的磨削工序產(chǎn)生的磨削裂紋，都極易形成齒輪斷裂的疲勞源，從而引發(fā)齒輪斷裂。淬火裂紋、磨削裂紋在磁力探傷檢查中能夠及時檢查分辨出來［3-4］，但是齒輪表面加工的細微缺陷在平常的檢查中不易發(fā)現(xiàn)，卻極易造成齒輪表面的局部應(yīng)力集中，從而引起的齒輪的斷裂失效，此情況雖然極為少見，但是又特別隱蔽不易察覺。

本研究通過對1 個恒速傳動裝置的齒輪的齒斷裂失效的案例，分析機械加工工藝、磨削以及滾齒加工缺陷對齒輪表面的影響，對齒輪失效模式進行探討，對改進機械加工齒輪的方法及檢驗注意事項有著重要的指導(dǎo)意義。

1 試驗過程與結(jié)果

恒速傳動裝置在使用中齒輪組件中大齒輪有1 個齒發(fā)生斷裂，斷裂齒周圍的齒有刮傷跡象，其他齒型基本完好，與其匹配的齒輪基本形狀與外觀良好(圖1)。該齒輪設(shè)計壽命為5 000 h，已運行近500 h，未達到使用壽命要求。齒輪材料為12Cr2Ni4A，加工工藝:車加工→鉆孔→鍍銅→研磨內(nèi)孔→滾齒→清理倒圓→滲碳淬回火→退銅→研磨、精磨加工→清理倒圓→磁力探傷、檢驗。

圖1 齒輪整體外觀Fig.1 Appearance of the gear

1.1 宏觀觀察

該齒輪的齒已損毀，相鄰的齒有刮蹭的損傷(圖2)。在體式顯微鏡下觀察整個齒輪，未發(fā)現(xiàn)有明顯的擠傷痕跡，齒輪齒的表面磨痕均勻(圖3)，說明齒輪本身在使用過程中應(yīng)該沒有發(fā)生偏載現(xiàn)象。把發(fā)生斷裂的部分用線切割方法切下來，對其進行觀察，齒根部的斷口基本平坦(圖4)。

1.2 微觀觀察

用掃描電鏡觀察斷口，斷口平坦，能夠清楚地區(qū)分疲勞源區(qū)、疲勞擴展區(qū)和瞬斷區(qū)(圖4)。斷裂性質(zhì)是疲勞斷裂，源區(qū)位于疲勞瞬斷區(qū)較窄，

疲勞源區(qū)在齒的受力一側(cè)，接近齒的根部位置，疲勞源區(qū)附近發(fā)現(xiàn)有一坑狀部位(圖5a);裂紋沿著齒受力方向擴展，擴展區(qū)有明顯的疲勞條帶特征(圖5b)。瞬斷區(qū)相對面積比較小，集中于齒的另一側(cè)，有明顯的韌窩(圖5c)。

對源區(qū)的坑狀部位放大觀察，發(fā)現(xiàn)有微小的鑲嵌物，其位置如圖6a 所示。源區(qū)放大觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋并非直接從鑲嵌物處起源，而是從加工缺口處起源，可見從加工缺口根部發(fā)生的放射棱線，鑲嵌物位于源區(qū)附近(圖6b)，源區(qū)的缺口是加工的跳刀的刀痕形成，裂紋的擴展也是沿著缺口的兩端向齒輪內(nèi)部延伸。對鑲嵌物成分進行能譜分析，發(fā)現(xiàn)含有Al、O、Si 等元素(表1)。

圖2 斷裂部位的外觀Fig.2 Appearance of the fracture position

圖3 齒的表面的磨損印記Fig.3 Macrograph of the cracked gear

圖4 斷裂齒的斷口形貌Fig.4 View of the cracked gear

圖5 斷口微觀形貌Fig.5 Micro morphology of the fracture

圖6 鑲嵌的點狀物Fig.6 Appearance of spotted inlaid matter

表1 疲勞源區(qū)點狀物能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1 Energy spectrum analysis results of the spotted matter of fatigue source region (mass fraction/%)

在源區(qū)附近的加工表面上也發(fā)現(xiàn)有鑲嵌物(圖7)，對其進行能譜分析發(fā)現(xiàn)也含有Al、O、Si等元素(表2)。

1.3 金相組織觀察與硬度檢測

齒輪工藝要求滲碳層深度為0.8～1.0 mm，實際測量深度約0.9 mm;齒面硬度要求HRC 58～61，實際測量約HRC 59.5;滲碳層組織要求HB 5492—1991 4 級合格，實際測試未見網(wǎng)狀碳化物和殘余奧氏體組織，評價為3 級(圖8a);心部組織為馬氏體組織(圖8b)，工藝要求硬度HRC 28～35，實際測試為HRC 32。均符合工藝設(shè)計要求。

圖7 疲勞源區(qū)的點狀物質(zhì)Fig.7 Spotted matter near fatigue source region

表2 疲勞源區(qū)點狀物能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 2 Energy spectrum analysis results of the spotted matter of fatigue source region(mass fraction/%)

圖8 齒輪金相組織Fig.8 Metallurgical structure of the gear

1.4 化學(xué)成分分析

對該齒輪進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表3，符合標準GJB 1951—1994 要求。

1.5 粗糙度檢測

對齒輪齒面進行粗糙度測試，結(jié)果為0.17，符合工藝要求。

1.6 磨削燒傷檢查

對于齒輪的表面檢查，未發(fā)現(xiàn)有磨削燒傷的痕跡。

2 分析與討論

斷裂齒輪的化學(xué)成分、金相組織和硬度均符合工藝技術(shù)條件要求，說明齒的斷裂與材料本身無關(guān)。

斷口分析表明，裂紋起始于受力方向一側(cè)的齒面缺口，在長時間交變應(yīng)力的作用下，沿著齒面最薄弱的地方，即有缺陷的一面，通過疲勞的方式緩慢擴展，當(dāng)疲勞裂紋擴展到一定長度且剩余截面承受的應(yīng)力大于材料本身抗拉強度時候，齒發(fā)生了斷裂。齒輪的疲勞擴展區(qū)域相對面積較大，疲勞條帶等特征明顯，為典型的低應(yīng)力高周疲勞斷口，擴展過程中受力正常，無異常超載情況出現(xiàn)，說明齒輪在較低的應(yīng)力水平下產(chǎn)生裂紋并得以充分擴展［5］，最后引起齒的疲勞斷裂。

表3 齒輪化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 3 Chemical composition of the gear (mass fraction/%)

源區(qū)附近有許多鑲嵌的顆粒，雖然齒的裂紋起源并非直接起源于這些鑲嵌的顆粒，但這些鑲嵌顆粒應(yīng)引起足夠的重視。加工工藝中使用了氧化鋁砂輪進行磨削加工，疲勞源區(qū)坑狀部位里面殘留物應(yīng)該是磨削加工過程中嵌入的磨料顆粒。對磨削加工過的齒輪用體式顯微鏡進行檢查，發(fā)現(xiàn)了在剛剛精磨后的齒輪齒的兩側(cè)表面存在這種鑲嵌顆粒(圖9)。

氧化鋁砂輪主要由Al2O3硬質(zhì)顆粒組成，Al2O3硬度約為HV 2 400［6］，與相對較軟的金屬齒輪進行磨削加工，如果加工進給量和磨削速度過快，磨削過程中產(chǎn)生大量熱量，切削過程中冷卻不好［7］，必然會引起硬質(zhì)顆粒鑲嵌入齒輪的表面上，加上又缺乏有效檢查，就導(dǎo)致了鑲嵌物的殘留。Al2O3鑲嵌物本身破壞了金屬材料的連續(xù)性，降低了金屬材料的表面強度和塑性，這些缺陷的尖銳前沿，很容易鑲嵌到齒輪表面，造成應(yīng)力集中，成為裂紋形成的隱患。如果鑲嵌物足夠大，或位于關(guān)鍵部位，也極有可能成為裂紋源，導(dǎo)致疲勞斷裂。

圖9 齒輪齒表面鑲嵌的顆粒Fig.9 Inlaid particles at the tooth surface of the gear

可見，零件的滾齒加工時的跳刀痕跡，會導(dǎo)致產(chǎn)品零件的失效的發(fā)生。磨削加工的影響不僅僅是磨削裂紋和磨削燒傷的產(chǎn)生，同時由于磨料和齒輪本身的性質(zhì)，會鑲嵌進硬質(zhì)顆粒，成為裂紋形成的隱患。加強產(chǎn)品零件的表面質(zhì)量檢查，特別是制定零件的表面檢查規(guī)范尤其重要。

3 預(yù)防措施

在齒輪的加工過程中，為了減少滾齒、磨削加工的不利影響，建議從以下幾方面予以改進:

1)在滾齒前仔細檢查滾刀表面質(zhì)量，確保滾刀和工件相對間隙控制在合理范圍內(nèi)。

2)推薦使用合適的冷卻液，選擇適宜的冷卻液可以提高生產(chǎn)效率，減少砂輪的磨削消耗，降低工件表面溫度，同時能夠降低工件表面粗糙度［8］。

3)適當(dāng)減少磨削的進給量。磨削進給量對表面狀態(tài)影響很大，適當(dāng)?shù)倪M給量能夠使精磨后表面更加光滑，減少鑲嵌物的產(chǎn)生［9］。

4)加強齒面的檢查，盡量減少或者避免齒輪工作面上的鑲嵌物。檢查的方法可以使用放大鏡10 倍檢查。必要時使用體式顯微鏡觀察，以發(fā)現(xiàn)磨削的不良影響。

4 結(jié)論

1)齒輪的齒斷裂性質(zhì)為彎曲疲勞斷裂。

2)齒輪的齒斷裂主要與砂輪滾齒加工中，齒面刀頭跳刀造成的金屬缺失形成缺口，齒在較很低的應(yīng)力水平下在該缺口處萌生裂紋并得以充分疲勞擴展，最后引起齒的斷裂。

3)建議使用合適的冷卻液，以及減少磨削的進給量，同時對滾齒后，加強齒面的檢查。盡量減少或者避免齒輪工作面上的鑲嵌物以及跳刀痕跡，避免表面質(zhì)量的不良影響。

［1］陶春虎，劉高遠，恩云飛，等.軍工產(chǎn)品失效分析技術(shù)手冊［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2009:485.

［2］楊國安.機械設(shè)備故障診斷實用技術(shù)［M］.北京:中國石化出版社，2010:186.

［3］李長河，丁玉成，盧秉恒.第57 屆CIRP 大會磨削方面主題報告及論文介紹［J］.制造技術(shù)與機床，2008(9):49-51.

［4］任大力.磨料與磨削工藝的進展［J］.世界制造技術(shù)與裝備市場，1997(3):67.

［5］張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004:86.

［6］石橋彰，李菊南.CBN 砂輪用于齒輪的精密加工［J］.機械工藝師，1990(4):9-11.

［7］孫蛟.磨削加工對滾動軸承套圈工作表面影響與措施［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2009(13):122.

［8］秦德山.影響齒輪磨削的因素及裂紋的防止［J］.鐵道機車車輛工人，1999(7):11-12.

［9］于連城.輥類零件表面的高光潔度加工［J］.重型機械，1982(9):61-63.