電鉆齒輪剃齒引發(fā)失效的分析及對(duì)策

張淼

（ 銳奇控股股份有限公司 上海 201612 ）

電鉆齒輪剃齒引發(fā)失效的分析及對(duì)策

張淼

（ 銳奇控股股份有限公司 上海 201612 ）

基于某款電鉆因剃齒現(xiàn)象引發(fā)的齒輪失效，從齒輪材料、熱處理、齒輪模數(shù)、動(dòng)載荷、應(yīng)力分析等多方面分析失效現(xiàn)象產(chǎn)生原因，提出改進(jìn)方案，改進(jìn)后實(shí)際效果明顯。

電鉆；齒輪；剃齒；齒輪模數(shù)；動(dòng)載荷；應(yīng)力分析

0 引言

電鉆是一種專門設(shè)計(jì)用于在諸如金屬、塑料、木材等材料鉆孔的工具。其特點(diǎn)是輕便、靈活，攜帶方便，在建筑、裝飾等領(lǐng)域的日常作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合電動(dòng)工具制造企業(yè)中實(shí)際案例，分析導(dǎo)致電鉆齒輪失效現(xiàn)象的多種因素，提出相應(yīng)的改善方案。

1 概述

以功率高低區(qū)分，電鉆可分三類，即輕型電鉆（功率≤350 W）；中型電鉆（功率350 W～550 W）、重型電鉆（功率≥550 W）。以轉(zhuǎn)速高低區(qū)分，同樣可分為三類，即：低速電鉆（轉(zhuǎn)速≤1 500 r/min）、中速電鉆（轉(zhuǎn)速為1 500 r/min～3 000 r/min）、高速電鉆（轉(zhuǎn)速≥3 000 r/min）。

本文所述電鉆歸屬于輕型電鉆，其功率為320 W，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，齒輪傳動(dòng)是一級(jí)傳動(dòng)，大齒輪齒數(shù)47、使用材料為40Cr、模數(shù)為0.6 mm，齒面經(jīng)過高頻熱處理，為硬齒面；小齒輪齒數(shù)5、使用材料35CrMo，齒面同樣經(jīng)過高頻熱處理，同為硬齒面。

2 失效形式

經(jīng)客戶反映，該電鉆在使用過程中存在功能失效的現(xiàn)象，對(duì)失效電鉆的拆機(jī)分析后發(fā)現(xiàn)：大小齒輪齒頂處存在局部磨損情況。通過細(xì)致檢查后發(fā)現(xiàn)大齒輪中五個(gè)齒的齒頂處磨損嚴(yán)重，且齒形存在扭曲變形現(xiàn)象，其余各齒情況基本正常。小齒輪各齒齒頂均有磨損，且齒頂?shù)凝X廓形狀受損后已變得較光滑失去原有作用。大小齒輪失效形式見圖1。

3 失效分析

3.1 工作條件

圖1 失效形式

經(jīng)了解，客戶主要將電鉆用于鎖緊螺絲及木板的開孔與擴(kuò)孔等作業(yè)，作業(yè)時(shí)功率大，超過額定標(biāo)稱功率，尤其在木板開孔過程中，扭矩的增加造成了工具本體溫度升高，塑料機(jī)殼強(qiáng)度隨之降低，嚙合齒輪輪齒存在瞬間脫離現(xiàn)象，繼而在齒輪表面產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，經(jīng)過多次滑動(dòng)后，大、小齒輪齒頂產(chǎn)生局部磨禿現(xiàn)象，造成工具無(wú)法正常作業(yè)。

3.2 原因分析

材料選用不當(dāng)，齒輪材料硬度低，接觸應(yīng)力過大，齒形設(shè)計(jì)不合理，動(dòng)載荷過大。

3.3 材料分析

大、小齒輪材料化學(xué)成份分析結(jié)果顯示：成份符合要求。相關(guān)數(shù)值見表1和表2。

表1 標(biāo)準(zhǔn)40Cr與失效齒輪元素含量%

表2 標(biāo)準(zhǔn)35CrMo與失效齒輪元素含量 %

3.4 金相分析

通過熱處理金相檢測(cè)后，大齒輪金相組織見圖2，小齒輪金相組織見圖3。

圖2 大齒輪金相組織

圖3 小齒輪金相組織

大齒輪工藝要求調(diào)質(zhì)后高頻淬火，硬度要求HRC42～HRC46。經(jīng)測(cè)量，齒輪實(shí)際硬度為HRC41～HRC43，偏下限，齒部組織為細(xì)微馬氏體，心部為索氏體加鐵素體，符合熱處理的組織要求。

小齒輪工藝要求調(diào)質(zhì)后高頻淬火，硬度要求HRC48～HRC52。經(jīng)測(cè)量，齒輪實(shí)際硬度為HRC51～HRC51.5，齒部組織為較細(xì)馬氏體，心部組織為索氏體加鐵素體，符合熱處理要求。

3.5 外觀分析

從失效表現(xiàn)來(lái)看，齒輪無(wú)齒部斷裂，無(wú)表面裂紋和齒面剝落現(xiàn)象，大齒輪齒頂部出現(xiàn)3～5處輕微扭曲變形和較嚴(yán)重的磨損，小齒輪齒頂部分存有磨損現(xiàn)象，齒頂處棱角呈光滑狀，從而判斷此種形式失效與齒輪的接觸強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度無(wú)關(guān)，應(yīng)為大小齒輪嚙合高度欠缺，在擴(kuò)孔及鎖緊螺絲的過程中，由于機(jī)殼剛性不足造成小齒輪在大齒輪表面滑過，產(chǎn)生嚙合脫離所致。

4 解決方案

4.1 設(shè)計(jì)齒輪參數(shù)，增加嚙合高度

增大齒輪模數(shù)可達(dá)到改進(jìn)效果。模數(shù)增大后可同時(shí)提高齒輪的整體性能和強(qiáng)度，但是需要滿足原有機(jī)殼尺寸以及輸出轉(zhuǎn)速不變這兩個(gè)條件，使得更改范圍一度受限。經(jīng)反復(fù)計(jì)算，最終確定齒輪模數(shù)由0.6 mm改為0.7 mm，大齒輪齒數(shù)由47齒改為39齒，小齒輪由5齒改為4齒，促使更改后的齒輪傳動(dòng)比與原機(jī)齒輪的傳動(dòng)比基本保持不變。

4.2 提高硬度

在失效樣品上可見大齒輪齒頂局部呈扭曲變形，在改進(jìn)方案中適當(dāng)提高大齒輪的熱處理表面硬度，由原來(lái)的HRC42～HRC46提高到HRC45～HRC50，硬化層深度不小于0.9 mm。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)齒輪模數(shù)的調(diào)整改進(jìn)，樣品經(jīng)過客戶使用驗(yàn)證，收到良好反饋。該電鉆進(jìn)行改進(jìn)后的實(shí)際效果較為明顯，使得產(chǎn)品生命周期有效延長(zhǎng)。

[1]GB 3883.6—2007 手持式電動(dòng)工具的安全第二部分：電鉆和沖擊外的專用要求[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[2]齊寶森，于新友.齒輪熱處理200例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

圖7 加油孔位置

4 結(jié)語(yǔ)

以額定功率1 800 W的16E電鎬和額定功率1 250 W的65電鎬沖擊力比較為例：氣缸活塞標(biāo)準(zhǔn)行程分別為54 mm和50 mm（16E電鎬偏心軸的偏心距為27 mm，65電鎬的偏心軸的偏心距為25 mm）。雖然16E電鎬的沖擊錘重1 kg而65電鎬的氣缸重量為1.4 kg，但是兩者行程大不相同。16E電鎬的沖擊錘由于氣缸的雙補(bǔ)氣，實(shí)際行程一般大于54 mm，而65電鎬氣缸內(nèi)要完成排氣和吸氣的換氣過程，受開口圈的吸拽作用，實(shí)際行程一般不足30 mm。所以，從沖擊力比較來(lái)看，16E電鎬明顯占優(yōu)。另外，從沖擊功上來(lái)看，16E電鎬的實(shí)際沖擊功為41 J或更高，而65電鎬沖擊功一般為20 J～25 J(二者均基于EPTA標(biāo)準(zhǔn))。

上述改動(dòng)方案是根據(jù)企業(yè)實(shí)際要求所做的前期分析及在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的典型問題，改動(dòng)后該機(jī)在臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)間基本可達(dá)200 h以上，滿足實(shí)際使用要求。

參考文獻(xiàn)：

1）GB 3883.1-2014 手持式可移式電動(dòng)工具和園林工具的安全 第一部分：通用部分[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

2）GB 3883.7-2012 手持式電動(dòng)工具的安全 第二部分：錘類工具的專用要求[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

3）李邦協(xié).實(shí)用電動(dòng)工具手冊(cè)[M].北京：中國(guó)機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

Analysis and Countermeasure on Gears Teeth Wear of Drills

Zhang Miao
(KEN Holding Co.,LTD., Shanghai 201612, China)

Based on the gear failure for teeth wear of drill, this paper analyzes gear material, heat treatment, gear module, dynamic load and stress while proposing improvement measures with obvious effect resulted.

Drill; Gear; Teeth Wear; Gear module; Dynamic load; Stress analysis

TM502

A

1674-2796（2016）05-0019-03

2016-07-10

張淼（1969—），男，大學(xué)本科，工程師，主要從事機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方向研究。