袁峰，黃小明，李浩偉

南京科潤(rùn)工業(yè)介質(zhì)股份有限公司 江蘇南京 211106

1 序言

諧波傳動(dòng)減速機(jī)以其高減速比、高傳動(dòng)精度、高承載能力、高傳動(dòng)效率以及輕便等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、航海、仿生機(jī)械、軍械、石油化工、交通運(yùn)輸及醫(yī)療器械等行業(yè)，特別是在高動(dòng)態(tài)性能的系統(tǒng)中，采用諧波齒輪傳動(dòng)更顯示出其優(yōu)越性。而柔性齒輪作為減速機(jī)的主要構(gòu)件，其性能和使用壽命嚴(yán)格意義上決定著整套諧波減速機(jī)的性能及使用周期。

2 32-120型諧波減速機(jī)測(cè)試問題

臺(tái)架運(yùn)行過程中出現(xiàn)異響后，進(jìn)行拆機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)諧波發(fā)生器正常，未出現(xiàn)卡頓，柔性齒輪出現(xiàn)開裂，剛性齒輪齒面出現(xiàn)擠傷。同時(shí)由運(yùn)行工況（見表1）可知，該減速機(jī)已運(yùn)行了23天（正常運(yùn)行時(shí)間應(yīng)≥60天）[1]，因此判斷該問題屬于低周疲勞斷裂。檢測(cè)重復(fù)定位精度跳動(dòng)如圖1所示。以下將主要對(duì)柔性齒輪進(jìn)行系統(tǒng)分析。

圖1 重復(fù)定位精度跳動(dòng)

表1 32-120型諧波減速機(jī)運(yùn)行工況

3 柔性齒輪分析

32-120型諧波減速機(jī)的柔性齒輪結(jié)構(gòu)如圖2所示。其材料選用SNCM439鋼（相當(dāng)于40CrNiMoA鋼），化學(xué)成分見表2。采用真空爐加熱+KR328真空專用淬火油熱處理，工藝見圖3）。產(chǎn)品處理后安裝到32-120諧波減速機(jī)中進(jìn)行臺(tái)架運(yùn)行試驗(yàn)。

圖3 熱處理工藝

表2 SNCM439鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖2 柔性齒輪

3.1 齒面嚙合情況分析

柔性齒輪和剛性齒輪的齒面嚙合形貌如圖4、圖5所示，從中可看出以下情況。

圖4 柔性齒輪嚙合形貌

圖5 剛性齒輪嚙合形貌

1）柔性齒輪裂紋產(chǎn)生在齒輪根部和右齒面，是在順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的。

2）在柔性齒輪斷裂齒的下面，兩個(gè)齒無接觸痕跡，導(dǎo)致齒的實(shí)際嚙合齒數(shù)減少，增加了齒的嚙合受力。

3）鋼性齒輪齒面被柔性齒輪擠傷，擠傷部位對(duì)應(yīng)柔性齒輪齒面開裂位置。

3.2 柔性齒輪裂紋宏觀形貌及裂紋源

圖6、圖7所示為柔性齒輪裂紋及裂紋開裂的宏觀形貌，從中可看出，裂紋從齒部（齒根、齒面）開裂至筒體部分，開口逐漸變細(xì)小，裂紋源在齒部位置。柔性齒輪斷裂方式與常規(guī)齒輪裂紋擴(kuò)展斷裂方式一致，裂紋會(huì)延伸至齒面，與軸向呈30°～60°的交角。

圖6 裂紋宏觀形貌

圖7 裂紋斷開宏觀形貌

圖8所示為裂紋源的宏觀形貌。從圖8可看出，裂紋源萌生在齒根部，之后往內(nèi)孔和齒面方向擴(kuò)展，最后裂紋快速延伸至筒體部位；同時(shí)裂紋源擴(kuò)展方向呈40°～60°的角度（低周疲勞斷裂，擴(kuò)展速率大的特點(diǎn)）；裂紋擴(kuò)展區(qū)呈放射狀條紋，無塑性變形，屬于脆性斷裂。結(jié)合觀察裂紋尾部端口表面平整無明顯的凹凸面變化，符合脆性斷裂形貌特點(diǎn)。加之前面已經(jīng)擴(kuò)展成較大的裂紋口，再飽和后瞬間斷裂，斷口特點(diǎn)符合脆性瞬時(shí)斷裂（見圖9）。

圖8 裂紋源宏觀形貌

圖9 裂紋瞬斷區(qū)形貌

3.3 金相組織分析

柔性齒輪淬火、回火后保留原始帶狀組織特征，出現(xiàn)黑白相間現(xiàn)象（見圖10），這是由于黑白區(qū)域的合金元素含量不一致導(dǎo)致的，同時(shí)黑白區(qū)域的硬度會(huì)有偏差（約2HRC）。

圖10 淬回火態(tài)組織

把斷裂的柔性齒輪重新退火，確認(rèn)其帶狀組織（見圖11），柔性齒輪帶狀寬度167μm，帶狀5級(jí)（一般要求≤3級(jí)），容易導(dǎo)致材料的各項(xiàng)異性，尤其是橫向沖擊性能和韌性等均會(huì)低于縱向。

圖11 退火態(tài)組織

圖12所示為夾雜物金相組織。從圖12可看出，該柔性齒輪A類硫化夾雜物含量不高，評(píng)判為細(xì)系1.5級(jí)，但B類和C類夾雜物含量高，評(píng)判為粗系2級(jí)[2]。柔性齒輪夾雜物級(jí)別行業(yè)技術(shù)要求見表3。

圖12 夾雜物金相組織

表3 柔性齒輪夾雜物級(jí)別行業(yè)技術(shù)要求 （級(jí)）

4 討論

該柔性齒輪斷裂的特點(diǎn)為所處工作應(yīng)力不高，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，低于設(shè)計(jì)許用應(yīng)力，斷裂突然發(fā)生，且無明顯的塑性變形，因此屬于脆性斷裂的一種。

從嚙合形貌可知，柔性齒輪在運(yùn)行過程中，嚙合存在不均勻現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致部分齒受力大于理論值，這是斷裂的主要原因，也是加劇斷裂的主要影響因素。同時(shí)材料自身帶狀偏析嚴(yán)重，帶狀偏析達(dá)到5級(jí)，造成橫向性能和縱向性能有較大差異，導(dǎo)致各項(xiàng)異性產(chǎn)生，也會(huì)加劇斷裂的產(chǎn)生。

A類夾雜物是軟質(zhì)相，其從室溫到高溫都保持良好的變形能力。同時(shí)，由于MnS與鋼的基體變形特征相似，所以在夾雜物與鋼基體之間的交界面處結(jié)合很好，產(chǎn)生裂紋的傾向性很小，故A類夾雜物允許的級(jí)別最高（見表2）；B類夾雜物是脆性相，與鋼基體變形性有顯著差異，不容易與基體同步產(chǎn)生形變，容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，同時(shí)最表面的脆性夾雜物相對(duì)容易脫落，在表面形成缺口，容易導(dǎo)致裂紋源的產(chǎn)生[3]，這也是加劇該柔性齒輪斷裂的原因之一。

5 結(jié)束語

綜上分析，該柔性齒輪斷裂的主要原因?yàn)槿彷唶Ш喜痪鶆颍糠铸X受力大，即自身設(shè)計(jì)上存在問題。同時(shí)，材料內(nèi)部夾雜物含量高，尤其是B/C類夾雜物粗系達(dá)到2級(jí)，而B/C類夾雜物屬于脆性相，會(huì)使材料韌性降低，易形成應(yīng)力集中點(diǎn)和裂紋源，再加上其自身原材料帶狀組織偏析嚴(yán)重，均會(huì)加劇斷裂傾向，最終導(dǎo)致柔性齒輪出現(xiàn)脆性斷裂。