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)簡單、工藝性好、工作可靠、耐沖擊等優(yōu)點，因此得到了廣泛應(yīng)用。該文對齒輪泵工作過程中主從動齒輪磨損工況進行分析，對主從動齒輪修理的工藝方法及解決方案進行歸納和總結(jié)，形成詳盡的修理工藝技術(shù)，為同類齒輪泵中主從動齒輪的修理提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：主從動齒輪;修理;拋光;激光熔覆

中圖分類號： TH325 ? ? ? ? ? 文獻標(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)簡單、工藝性好、工作可靠以及耐沖擊等優(yōu)點，因此得到了廣泛的應(yīng)用。相反的，其最大的缺點是運動副零件易磨損，使用壽命短。

主從動齒輪是燃油齒輪泵的核心組成零件，發(fā)動機在工作過程中，經(jīng)傳動機匣及傳動軸帶動主動齒輪旋轉(zhuǎn)[1]。主從動齒輪在嚙合過程中，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、傳動失效甚至發(fā)動機故障。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廢，更換新件，這樣就浪費了齒輪的附加值，造成了修理成本增加。因此，對航空發(fā)動機燃油齒輪泵齒輪修理技術(shù)的研究，是十分重要的。

1 主從動齒輪的失效形式

從燃油齒輪泵的工作原理分析，主從動齒輪的主要失效形式有齒面磨損、點蝕、氣蝕和剝落等，下面對主要的失效形式進行分析，圖1為幾種失效形式的實物照片。

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，輪齒表面金屬小塊脫落，形成麻點剝落，齒面上的小坑即為點蝕坑。同時，裂紋中的燃油在齒輪的擠壓下，油壓增高，加速了裂紋的擴展，促進了齒面點蝕。

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

在主從動齒輪嚙合過程中，前一對輪齒尚未脫開嚙合前，后一對輪齒又進入嚙合，在這段時間內(nèi)，同時嚙合的就有2對輪齒。這時在2對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，閉死容積的大小會發(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，被封閉的液體受擠壓，壓力急劇升高，遠遠超過泵的輸出壓力（被封閉的液體也從一切可泄露的縫隙中強行擠出），使油液發(fā)熱、引起振動和噪聲，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，形成真空，產(chǎn)生氣泡，帶來氣蝕、振動和噪聲等危害。齒面氣蝕就是在困油容積由小變大時產(chǎn)生的，由油液的強力沖擊，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)燃油泵主從動齒輪的功能、性能特點及工作環(huán)境等，將主從動齒輪修理中的技術(shù)指標(biāo)分為2項。1）判斷是否可修理指標(biāo)（簡稱修理前指標(biāo)）。2）修理后是否合格的指標(biāo)（簡稱修理后指標(biāo)）。

修理前主要指標(biāo)有4個。1）齒面粗糙度。2）齒面上氣蝕深度及面積。3）齒面點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。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

將清洗的齒輪進行磁粉探傷檢查，保證修理的齒輪無裂紋。

2.2.3 故檢

根據(jù)修理技術(shù)指標(biāo)進行檢查，包括外觀檢查和尺寸檢查。其中，針對主從動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， 在故檢時進行比對判斷是否可修理。

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，對于拋光無法去除缺陷的情況將零件進行配磨，在精密數(shù)控外圓磨床S21CNC上進行磨削加工，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）齒輪兩端面對軸徑的跳動不大于0.005 mm。3）齒輪兩端面平面度0.005 mm，只允許內(nèi)凹。4）成套的主動齒輪與從動齒輪的齒寬尺寸差值不大于0.005 mm，注意的是，測量齒寬尺寸時在齒頂圓附近測量，用任何一齒輪的齒寬尺寸最大值減去另一個齒輪齒寬的最小值，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。1）用牙鉆以氣蝕最深處為中心進行擴大打磨，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）對于缺陷深度大于2.6 mm的不再進行打磨。3）打磨完成后去除打磨處毛刺，保證打磨處與周邊圓滑過渡。4）對氣蝕區(qū)的打磨必須徹底，為激光熔覆修補做好基礎(chǔ)工作。5）打磨過程中防止碰傷齒輪其余表面。

2.2.8 激光熔覆修補

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

2.2.8.1 激光熔覆修補技術(shù)的工藝特點

激光熔覆修補技術(shù)的工藝特點有6個。1）冷卻速度快，高達106 K/s，容易得到細晶組織或產(chǎn)生平衡態(tài)所無法得到的新相，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，對環(huán)境無污染，無輻射。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)合或界面擴散結(jié)合。

2.2.8.2 激光熔覆修補檢查項目

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

激光熔覆修補后應(yīng)對齒輪進行著色探傷檢查，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、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。

激光熔覆修補后應(yīng)進行去應(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

對齒輪齒面激光熔覆修補部位進行打磨拋光，修復(fù)區(qū)應(yīng)與齒面其他部位光滑過渡，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

主從動齒輪氣蝕部位經(jīng)過激光熔覆修補粗打磨后進行無損探傷，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)放入超聲波清洗機內(nèi)進行超聲波清洗。

2.2.12 修理后檢查

航空產(chǎn)品對性能的要求極高，主從動齒輪的設(shè)計要求更嚴(yán)格，一般是以恢復(fù)設(shè)計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，所以在修理后對齒輪需要進行最終檢查，按照修理后指標(biāo)執(zhí)行。

3 修理存在的主要問題

3.1 修復(fù)成功率低

由于主從動齒輪齒面出現(xiàn)的齒面磨損、點蝕、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，易造成零件的報廢和返修。主從動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，見表1和表2。針對這一問題，工藝安排過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 評價方法欠缺

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

4 修理的經(jīng)濟性

燃油齒輪泵齒輪副設(shè)計的精度高，齒輪精度一般達到五級或高于五級;為了達到設(shè)計要求，工藝流程復(fù)雜，加工周期長。某型燃油泵使用的主動齒輪的加工周期在3個月左右，這對制造的生產(chǎn)組織是個很大的考驗。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行繼續(xù)服役。這樣，實現(xiàn)了發(fā)動機正常維護修理。因此，對燃油齒輪泵主從動齒輪的修理技術(shù)進行研究，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)濟和社會效益。

5 結(jié)語

主從動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，在整個修理流程中，除了無損檢測、配磨使用設(shè)備外，其余修理過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，對工人的技能水平要求極高。

該文主要對主從動齒輪的修理技術(shù)進行了研究與總結(jié)，為后續(xù)修理技術(shù)的改進提供技術(shù)支持，為進一步實現(xiàn)人工修理與機械修理一體化做好準(zhǔn)備。

參考文獻

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[3]何存興.液壓元件[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982.