劉文斌

(1.中航工業(yè)南京機(jī)電液壓工程研究中心，南京 211106;2.航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211106)

0 引言

齒輪是機(jī)器中傳遞功率和運(yùn)動(dòng)的重要部件，與皮帶、鏈及摩擦輪傳動(dòng)等相比，金屬齒輪傳動(dòng)有穩(wěn)定性較高、傳動(dòng)效率高，速度、傳動(dòng)比、傳動(dòng)功率范圍大的特點(diǎn)。但是，齒輪一般無(wú)過(guò)載保護(hù)作用，對(duì)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(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的噪聲、振動(dòng)以及沖擊，易于造成動(dòng)載損傷失效［1］。

一般來(lái)說(shuō)，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(jì)不當(dāng)、負(fù)荷過(guò)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(rùn)滑不良、超載、操作失誤等幾個(gè)方面。其中，制造加工過(guò)程中熱處理中的淬火裂紋，以及機(jī)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(shí)檢查分辨出來(lái)［3-4］，但是齒輪表面加工的細(xì)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(jiàn)，但是又特別隱蔽不易察覺(jué)。

本研究通過(guò)對(duì)1 個(gè)恒速傳動(dòng)裝置的齒輪的齒斷裂失效的案例，分析機(jī)械加工工藝、磨削以及滾齒加工缺陷對(duì)齒輪表面的影響，對(duì)齒輪失效模式進(jìn)行探討，對(duì)改進(jìn)機(jī)械加工齒輪的方法及檢驗(yàn)注意事項(xiàng)有著重要的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

恒速傳動(dòng)裝置在使用中齒輪組件中大齒輪有1 個(gè)齒發(fā)生斷裂，斷裂齒周?chē)凝X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(jì)壽命為5 000 h，已運(yùn)行近500 h，未達(dá)到使用壽命要求。齒輪材料為12Cr2Ni4A，加工工藝:車(chē)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(yàn)。

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(gè)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(shuō)明齒輪本身在使用過(guò)程中應(yīng)該沒(méi)有發(fā)生偏載現(xiàn)象。把發(fā)生斷裂的部分用線(xiàn)切割方法切下來(lái)，對(duì)其進(jìn)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(kuò)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(kuò)展，擴(kuò)展區(qū)有明顯的疲勞條帶特征(圖5b)。瞬斷區(qū)相對(duì)面積比較小，集中于齒的另一側(cè)，有明顯的韌窩(圖5c)。

對(duì)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(jiàn)從加工缺口根部發(fā)生的放射棱線(xiàn)，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(kuò)展也是沿著缺口的兩端向齒輪內(nèi)部延伸。對(duì)鑲嵌物成分進(jìn)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(diǎn)狀物Fig.6 Appearance of spotted inlaid matter

表1 疲勞源區(qū)點(diǎn)狀物能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?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(duì)其進(jìn)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(cè)

齒輪工藝要求滲碳層深度為0.8～1.0 mm，實(shí)際測(cè)量深度約0.9 mm;齒面硬度要求HRC 58～61，實(shí)際測(cè)量約HRC 59.5;滲碳層組織要求HB 5492—1991 4 級(jí)合格，實(shí)際測(cè)試未見(jiàn)網(wǎng)狀碳化物和殘余奧氏體組織，評(píng)價(jià)為3 級(jí)(圖8a);心部組織為馬氏體組織(圖8b)，工藝要求硬度HRC 28～35，實(shí)際測(cè)試為HRC 32。均符合工藝設(shè)計(jì)要求。

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

表2 疲勞源區(qū)點(diǎn)狀物能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?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(duì)該齒輪進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表3，符合標(biāo)準(zhǔn)GJB 1951—1994 要求。

1.5 粗糙度檢測(cè)

對(duì)齒輪齒面進(jìn)行粗糙度測(cè)試，結(jié)果為0.17，符合工藝要求。

1.6 磨削燒傷檢查

對(duì)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(shuō)明齒的斷裂與材料本身無(wú)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(zhǎng)時(shí)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(guò)疲勞的方式緩慢擴(kuò)展，當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到一定長(zhǎng)度且剩余截面承受的應(yīng)力大于材料本身抗拉強(qiáng)度時(shí)候，齒發(fā)生了斷裂。齒輪的疲勞擴(kuò)展區(qū)域相對(duì)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(kuò)展過(guò)程中受力正常，無(wú)異常超載情況出現(xiàn)，說(shuō)明齒輪在較低的應(yīng)力水平下產(chǎn)生裂紋并得以充分?jǐn)U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?jǐn)?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(jìn)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(guò)程中嵌入的磨料顆粒。對(duì)磨削加工過(guò)的齒輪用體式顯微鏡進(jìn)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(duì)較軟的金屬齒輪進(jìn)行磨削加工，如果加工進(jìn)給量和磨削速度過(guò)快，磨削過(guò)程中產(chǎn)生大量熱量，切削過(guò)程中冷卻不好［7］，必然會(huì)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(qiáng)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(jiàn)，零件的滾齒加工時(shí)的跳刀痕跡，會(huì)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(shí)由于磨料和齒輪本身的性質(zhì)，會(huì)鑲嵌進(jìn)硬質(zhì)顆粒，成為裂紋形成的隱患。加強(qiáng)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(guò)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(jìn):

1)在滾齒前仔細(xì)檢查滾刀表面質(zhì)量，確保滾刀和工件相對(duì)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(shí)能夠降低工件表面粗糙度［8］。

3)適當(dāng)減少磨削的進(jìn)給量。磨削進(jìn)給量對(duì)表面狀態(tài)影響很大，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)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(qiáng)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(shí)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(kuò)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(jìn)給量，同時(shí)對(duì)滾齒后，加強(qiáng)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(yuǎn)，恩云飛，等.軍工產(chǎn)品失效分析技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2009:485.

［2］楊國(guó)安.機(jī)械設(shè)備故障診斷實(shí)用技術(shù)［M］.北京:中國(guó)石化出版社，2010:186.

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

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

［5］張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析［M］.北京:國(guó)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(jī)械工藝師，1990(4):9-11.

［7］孫蛟.磨削加工對(duì)滾動(dòng)軸承套圈工作表面影響與措施［J］.中國(guó)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(jī)車(chē)車(chē)輛工人，1999(7):11-12.

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