王文杰

（海軍駐西安地區(qū)某軍事代表室，陜西 西安 710021）

上世紀(jì)90年代初期，某型艦用內(nèi)燃機(jī)改裝后功率大幅度增加，但由于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)機(jī)加工行業(yè)工業(yè)基礎(chǔ)薄弱、工藝方法滯后等原因，后傳動(dòng)齒輪系齒輪的強(qiáng)度沒有進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)提高，以至多次發(fā)生了后傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)（從曲軸哈呋齒輪至螺桿泵傳動(dòng)系統(tǒng)）齒輪輪齒斷裂、擠傷等重大質(zhì)量事故。

1 故障原因分析

該型機(jī)后傳動(dòng)齒輪系同時(shí)驅(qū)動(dòng)凸輪軸及螺桿泵壓縮機(jī)，因此，對(duì)后傳動(dòng)齒輪本身的強(qiáng)度提出很高的要求。經(jīng)過對(duì)原齒輪系分析，發(fā)現(xiàn)該系列齒輪本身存在如下問題：

齒輪材料原采用40CrNi，輪齒表面及齒根采用中頻淬火工藝進(jìn)行硬化處理，淬火處理完成后對(duì)齒面、齒根進(jìn)行磨削加工。由于表面淬火方法本身的不足，加之工廠專用設(shè)備精度下降，中頻淬火后，齒輪輪齒表面的硬化層深度不均勻，存在個(gè)別齒根沒有淬硬層的現(xiàn)象，加之磨削齒根后，齒根部位形成拉應(yīng)力。所有這些，嚴(yán)重影響了齒輪的彎曲強(qiáng)度，特別對(duì)承受載荷較重齒輪的可靠運(yùn)行造成了威脅[1]。

2 采取的技術(shù)措施

解決該型內(nèi)燃機(jī)后傳動(dòng)齒輪系齒輪本身強(qiáng)度不足問題，即齒面淬硬層不均勻問題，最有效的方法，是更換原材料40CrNi，進(jìn)行工藝調(diào)整，將齒輪的熱加工工藝由中頻表面淬火改為滲碳淬火，采用圓弧磨前滾刀加工齒根，以代替原來磨削齒根的加工工藝，最后對(duì)齒面齒根進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理。

2.1 更選材料

經(jīng)計(jì)算分析，后傳動(dòng)齒輪系中承載最嚴(yán)重的3種齒輪已超過材料使用范圍。經(jīng)過將此3種齒輪的材料由40CrNi改為滲碳淬火材料，同時(shí)對(duì)其加工工藝進(jìn)行完善。

圍繞滲碳材料的選擇問題，對(duì)常用的生產(chǎn)齒輪的12CrNi3、F173與原材料40CrNi的模擬產(chǎn)品進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)的前提為3種材料的試樣尺寸（產(chǎn)品熱處理有效厚度）相同，且在試驗(yàn)過程中調(diào)整熱處理工藝，以保證3種試樣表面硬度及芯部抗拉強(qiáng)度一致。通過對(duì)力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得知：12CrNi3的綜合機(jī)械性能優(yōu)于F173，且與經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的40CrNi相接近，并結(jié)合有多年12CrNi3熱處理經(jīng)驗(yàn)的實(shí)際情況，決定選用12CrNi3。

2.2 工藝調(diào)整

經(jīng)齒面中頻淬火后的齒輪，其輪齒表面淬硬層與非淬硬層過渡界線明顯，硬度分布梯度大，同時(shí)淬硬層不均勻（工廠專用設(shè)備精度下降，是造成硬化層不均的原因之一），如齒根沒有淬硬，就易造成表面裂紋。而經(jīng)滲碳淬火磨削后的齒輪，具有表面硬度高、齒面硬化層均勻等優(yōu)點(diǎn)。相比之下，滲碳淬火齒輪的表面接觸強(qiáng)度，比中頻淬火齒輪的表面接觸強(qiáng)度成倍增長(zhǎng)，且彎曲強(qiáng)度前者比后者增加50%以上。

為了進(jìn)一步提高滲碳淬火齒輪的彎曲強(qiáng)度，決定采用圓弧磨前滾刀切出齒形。這樣磨齒后，齒面可與齒根基本相切，齒根可以不磨削，有效克服了普通滾刀切出的齒輪經(jīng)磨齒后，齒根出現(xiàn)與磨削余量一樣厚的臺(tái)階，引起應(yīng)力集中，而要消除此臺(tái)階，必須磨削齒根，這樣就在齒根部位產(chǎn)生拉應(yīng)力，使得齒根彎曲強(qiáng)度降低。使用圓弧磨前滾刀后，可將齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度提高40%～50%。

2.3 強(qiáng)化處理

所采取的提高齒輪彎曲強(qiáng)度的另一種方法，是在齒面精磨前對(duì)齒面齒溝進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理。經(jīng)對(duì)磨削齒根及不磨削齒根兩種齒輪齒根部位應(yīng)力點(diǎn)測(cè)試，磨齒根后齒根處的應(yīng)力為拉應(yīng)力，與齒輪承受彎曲載荷時(shí)根部受拉伸應(yīng)力的情況一致，極易損壞。而采用磨前滾刀加工后的齒輪其根部，是受壓應(yīng)力，但數(shù)值較小。如再增加噴丸強(qiáng)化處理，就可以更好地抵消齒輪工作過程中齒根部位產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，提高了承載齒輪抗彎曲疲勞的極限。

3 試件生產(chǎn)

（1）在滲碳淬火材料確定下來以后，投產(chǎn) 3件齒輪Z39（Z）、1431 及 1Z39（Z）1825、1Z39（Z）1861 來驗(yàn)證改進(jìn)效果。

（2）為了確保提高齒輪自身強(qiáng)度措施的有效性，試驗(yàn)齒輪生產(chǎn)過程中，對(duì)3種齒輪采用中頻淬火（40CrNi）及滲碳淬火（12CrNi3）的接觸疲勞強(qiáng)度及彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算分析。結(jié)果表明，齒輪材料由40CrNi改為12CrNi3，用滲碳淬火工藝取代中頻淬火工藝后，齒輪的接觸強(qiáng)度提高21%，彎曲強(qiáng)度提高27%。具體數(shù)值見表1。

表1 齒輪接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度對(duì)比表

（3）為了證實(shí)齒溝噴丸強(qiáng)化后對(duì)壓應(yīng)力的影響，在Z39（Z）1431齒輪的制造過程中，對(duì)該齒輪噴丸前后齒溝的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量。噴丸前，齒根殘余壓應(yīng)力為-225～-252 MPa；噴丸后，齒根殘余壓應(yīng)力為-952～-1008MPa。結(jié)果證明，齒溝噴丸強(qiáng)化確實(shí)起到了強(qiáng)化齒根壓應(yīng)力的作用。而原中頻淬火齒溝磨削的齒輪齒根處呈殘余拉應(yīng)力，應(yīng)力值為+84 MPa，對(duì)齒輪工作是不利的。

4 結(jié)束語

為驗(yàn)證實(shí)機(jī)運(yùn)行效果，保證裝備部隊(duì)后不留隱患，進(jìn)行了嚴(yán)格的200 h耐久試驗(yàn)。通過對(duì)后傳動(dòng)齒輪系的拆檢發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)前后，各齒輪嚙合副齒隙及齒面貼合數(shù)值穩(wěn)定，改材料后的3種齒輪沒出現(xiàn)異常磨損現(xiàn)象，且表面未發(fā)現(xiàn)裂紋及其它任何缺陷。拆檢結(jié)果表明，經(jīng)改進(jìn)提高后的后傳動(dòng)齒輪系經(jīng)200 h考核試驗(yàn)后，運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好。另外，此內(nèi)燃機(jī)后齒輪系裝備部隊(duì)使用后，經(jīng)多年跟蹤監(jiān)控，無重大質(zhì)量問題發(fā)生。由此證明，采取的提高齒輪本身強(qiáng)度的技術(shù)措施，起到了提高該型內(nèi)燃機(jī)后傳動(dòng)齒輪系可靠性的作用，達(dá)到了預(yù)期效果。

[1]門 強(qiáng).淺談齒輪滲碳后淬火的質(zhì)量分析[J].機(jī)械管理分析，2005，(4):26-27.

[2]Kumar Balan.齒輪強(qiáng)化的應(yīng)用[J].現(xiàn)代零部件，2007,(10):39-40.