李光瑾;叶俭;祝兵寿;陈德华;哈胜男;祖庆川;王伟;薛耀先
【摘 要】不同用途的硬面齿轮,采用渗碳淬火的方法达到一定的有效硬化层深度.介绍多种使用了若干年的确定渗碳齿轮有效硬化层深度的经验方法.从近年重栽齿轮深层渗碳的实际应用中,深层渗碳深度呈现逐步降低的趋势,不仅对产品抗疲劳性能无碍,更有节能降耗、低碳制造的收获.为快速便捷测量齿轮的疲劳强度,引入一种弯冲试验法.
【期刊名称】《柴油机设计与制造》
【年(卷),期】2010(016)003
【总页数】6页(P36-41)
IKRTV
【关键词】齿轮;有效硬化层深度;弯冲试验
【作 者】李光瑾;叶俭;祝兵寿;陈德华;哈胜男;祖庆川;王伟;薛耀先
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【作者单位】上海市机械制造工艺研究所有限公司,上海,200070;上海市机械制造工艺研究所有限公司,上海,200070;常州减速机总厂有限公司,常州,213149;上海市机械制造工艺研究所有限公司,上海,200070;上海市机械制造工艺研究所有限公司,上海,200070;常州减速机总厂有限公司,常州,213149;常州减速机总厂有限公司,常州,213149;常州减速机总厂有限公司,常州,213149
【正文语种】中 文
静电纺丝装置【中图分类】TK4
1 引言
卷帘门锁齿轮是一种应用广泛的机械传动零件，在机械装备中起着传递动力、改变转速和旋转方向的重要作用。按齿轮的传动形式，一般将其分为三类：（1）圆柱齿轮用于平行两轴之间的传动；（2）锥齿轮用于相交两轴之间的传动；（3）蜗轮与蜗杆用于交叉两轴之间的传动。与依靠摩擦力传递动力的带传动、通过链条与链轮齿啮合传递运动的链传动相比，齿轮传动具有结构简单、传动比相对固定、传动比精准、传递负荷大等优点。
统计分析表明，齿轮的失效，主要是轮齿表面的接触疲劳和齿根部的弯曲疲劳，所有关于材料以及组织性能的试验研究，基本都紧密围绕这一主题。其中，对于已经选定的材料，选择并实施合适的热处理，对于确保齿轮在工况下的可靠性，热处理工艺过程的节能减排，有着显著的效益。
水泥磨2 渗碳齿轮常用材料与热处理工艺方法的选择
以柴油机齿轮和重载齿轮为例，不同产品、不同用途与工况，选用不同的齿轮用钢和热处理工艺方法，见表1[1]。
3 齿轮渗碳淬火有效硬化层深度的确定
3.1 参与齿轮强度设计的材料特征参数
在GBT 3480《渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法》等标准中，齿轮度设计计算所使用的材料特征参数如下：弹性模量E、切变模量G、泊松比ν、许用齿根应力、弯曲疲劳极限、许接触应力、接触疲劳极限、抗拉强度、硬度等。这些参数中，除强度、硬度和疲劳极限等指标与材料和热处理有关，金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标。材
料的合金化、显微组织、冷塑性变形对弹性模量的影响较小[2]。
在几种齿轮的承载能力计算方法中，仅提出应“保证适当的有效硬化层深度”，但未规定任何参与强度设计计算的有效硬化层深度数据。
3.2 确定不同用途齿轮渗碳淬火后的有效硬化层深度传统方法
如何确定不同用途齿轮渗碳淬火后的有效硬化层深度，均依据长期的制造和运行的经验，提炼出多种经验公式和方法，给齿轮尤其是重载大模数齿轮渗碳淬火后有效硬化层深度的确定留下了较大的自由度。部分齿轮渗碳淬火有效硬化层深度估算经验公式与方法参见表2。
表2中列出的齿轮渗碳淬火后有效硬化层深度的若干选择方法，产生于过去相当长的历史阶段，出自各国的汽车、铁道、重载装备等行业。通过比较可以看出以下特点：
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有效硬化层深度的上、下限要求值相差20%～66.7%，有的仅推荐一个起点值，所提出的技术要求参数不精准，反映出对齿轮性能的认识水平有差异。
受制于各个时期齿轮制造技术装备的保障能力，使同一件齿轮产品有如此广泛的有效硬化层深度要求。由此，在全部能保证齿轮可靠性的前提下，导致齿轮在高温下长时间加热变形程度加剧；导致齿轮渗碳工艺过程的时间长短和设备利用率差异很大；导致齿轮渗碳过程能源消耗水平差异很大；导致齿轮渗碳过程的成本差异很大。
重载齿轮采用深层渗碳淬火的方法。按照JB/T 8929－2008《深层渗碳》标准的界定，有效硬化层深度达到3mm以上即为“深层渗碳”。深层渗碳可以保证大型重载齿轮齿面到心部有较高的强度，防止在高接触应力下齿面剥落。根据理论计算，齿轮模数越大，即节圆直径越大，齿面曲率半径越大，剪切应力分布越深。为了防止齿面表层压碎，最大的剪切应力与剪切强度之比不应大于0.55，即材料的剪切强度大于1.82倍剪切应力，从齿表面到心部的任何一层，均应满足这个要求。因此大型重载齿轮渗碳必须有足够的层深，才能抵抗里层高的剪切应力，发挥硬齿面的高承载能力。但是，渗层深度大于4mm，每增加1mm深度约需渗碳30 h；渗层深度大于6mm，每增加1mm深度则月需50 h[9]。以500 kW功率的中型井式渗碳炉计算，每增加1mm渗层，仅渗碳炉的电能消耗就将分别增加约1.5万kW·h和2.5万kW·h。
表2中部分“按产品图纸折算”的数据，源于新近设计制造的较大模数的重载齿轮产品，如果沿用（t=系数×模数）关系式，可以看出“系数”在减小，有效硬化层深度的上、下限值差异控制在20%～45%之间，与传统估算方法有明显的压缩，但是否已经是最佳状态尚无法评价，各种产品之间对有效硬化层深度的选定仍有明显的随意性。目前人们关注的问题是在保证齿轮具有同样承载能力下，选择较浅的渗层深度，而不是采用统一的模数与深度简单对应的计算方法。
4 齿轮的疲劳性能试验方法
我国在上世纪70年代，齿轮制造以软齿面调质工艺为主，齿轮的设计参数指标较低。从上世纪80年代开始，随着机械装备对齿轮质量和承载能力的要求不断提高，齿轮材料和制造技术及工艺而得到迅速发展。主要表现在先进的齿轮用钢及其系列化，硬齿面热处理装备和工艺技术，齿轮弯曲疲劳和接触疲劳性能和抗胶合性能的试验研究等[10]。
汽车齿轮、高速发动机齿轮，基本都是小模数齿轮（模数＜8）。不论是齿面接触疲劳还是齿根弯曲疲劳，试验方法通常仅适用于小模数齿轮，对于大模数重载齿轮很难进行类似试验，重载的大模数齿轮一般不进行疲劳试验。
4.1 小模数齿轮的接触疲劳试验
小模数齿轮的接触疲劳试验，按 GB/T 14299－1993《齿轮接触疲劳试验方法》中的规定进行。将齿轮装在齿轮试验机上，进行一对啮合齿轮的负荷运转试验。当齿面出现接触疲劳失效或齿面应力循环达到规定的循环基数N0而未失效（称为“超越”，有具体失效判别准则）时，终止试验并获得齿面在试验应力下的一个寿命数据。试验过程中，用10倍放大镜观察齿面出现点蚀损伤的形貌，必要时进行复膜或照相。当试验齿轮及试验过程均无异常时，通常将该数据称为“试验点”。根据不同的试验目的，选择不同的试验组合，最后经试验数据的统计处理，获得试验的接触疲劳特性曲线和接触疲劳极限应力。
4.2 小模数齿轮的弯曲疲劳试验
小模数齿轮的弯曲疲劳试验，按 GB/T 14230－1993《齿轮弯曲疲劳强度试验方法》中的规定进行。该标准提供了两种试验方法。
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