張晨 王海濤

摘 要 為了研究直齒圓柱齒輪的加工方法，探討真實(shí)工況下的輪齒的失效形式。本文筆者以多年一線(xiàn)工作經(jīng)驗(yàn)，在理論結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的情況下針對(duì)相關(guān)業(yè)務(wù)展開(kāi)探討，系統(tǒng)介紹了齒面疲勞點(diǎn)蝕失效、齒面磨損失效、齒面塑性變形失效等三種形式。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工作中遇到的加工任務(wù)和齒輪加工精度要求，在材料選擇和加工方法層面為同行提供建設(shè)性意見(jiàn)。研究得出：鑄鐵經(jīng)過(guò)淬火和打磨處理后的相關(guān)元件在潤(rùn)滑良好的環(huán)境下可以承受更大載荷和轉(zhuǎn)速。

關(guān)鍵詞 齒輪材料 加工方法 齒輪傳動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TG3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2021）09-0019-02

1 前言

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)需要多重手段進(jìn)行動(dòng)力設(shè)備傳遞。而傳統(tǒng)的鏈條傳遞、皮帶傳遞都各有優(yōu)缺點(diǎn)。但是需要零部件鑒于間隙、變數(shù)和多功能性。運(yùn)用齒輪進(jìn)行傳遞動(dòng)力前景較大，工作適應(yīng)面更廣。而特種設(shè)備范疇下不同材料和不同加工方式能獲得不同種類(lèi)和質(zhì)量的齒輪。本文針對(duì)直齒圓柱齒輪的加工方法展開(kāi)探討，為同行提供建設(shè)性意見(jiàn)。

2 齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)

齒輪傳動(dòng)是一種有效而精確的傳動(dòng)方式，具有傳動(dòng)比精確，相應(yīng)傳動(dòng)比變化區(qū)間較大，圓周速度范圍大、相應(yīng)功率較大技術(shù)范疇的機(jī)械承載能力高，相關(guān)效率和壽命均衡等特點(diǎn)。但是工作過(guò)程中需要強(qiáng)制潤(rùn)滑并且噪聲較大。具體有：適應(yīng)性廣，發(fā)射功率范圍為0.1W至10kW以上;外圍傳輸速度可達(dá)300m/s以上;直徑可達(dá)25m左右恒速比，齒輪傳動(dòng)可以保證兩個(gè)車(chē)輪的瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定。效率高齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率一般在95%以上工作可靠，壽命長(zhǎng)可在空間任意兩軸之間傳遞運(yùn)動(dòng)。齒輪傳動(dòng)的不足之處是精度要求高，制造安裝成本高，成本不適合長(zhǎng)距離兩軸間傳輸[1]。

3 齒輪材料的選擇

不同的工作條件和功能需求對(duì)齒輪性能及材質(zhì)的要求也各不相同。例如，低速和重載條件下的齒輪其傳動(dòng)必須采用強(qiáng)度和韌性特別好的材料;高速齒輪傳動(dòng)條件和功能需求必須由齒面硬度較大的材料制成;耐沖擊齒輪傳動(dòng)裝置應(yīng)由韌性較好的材料制成。鍛鋼、鑄鋼和鑄鐵是工業(yè)生產(chǎn)中使用最多的三種材料。鍛鋼具有高強(qiáng)度和抗沖擊性。熱處理工藝能夠很好地提高其機(jī)械的工作性能，提高其使用壽命。常用的鑄鋼有ZG40和ZG45。

4 齒輪輪齒的失效形式

4.1 齒面疲勞點(diǎn)蝕失效形式

齒面疲勞點(diǎn)蝕：不同載荷運(yùn)行條件下齒面接觸應(yīng)力受到不穩(wěn)定波動(dòng)，其脈動(dòng)周期導(dǎo)致的齒面接觸點(diǎn)增加或者縮小，在高負(fù)荷反復(fù)變換下齒輪表面的強(qiáng)度會(huì)受到損害，以至于一定范圍和深度的齒裂紋裂紋因?yàn)榻饘倨诙a(chǎn)生不穩(wěn)定裂紋，最終以坑狀凹坑形式逐步展現(xiàn)，會(huì)全面損害工件。而當(dāng)潤(rùn)滑良好的情況下其點(diǎn)腐蝕和后續(xù)的傳動(dòng)失效會(huì)得到規(guī)避，但是由于磨粒磨損比點(diǎn)腐蝕發(fā)展得更快使用需要進(jìn)行全方位的預(yù)控，例如降低運(yùn)行負(fù)荷。產(chǎn)生原因：發(fā)生點(diǎn)蝕后，因?yàn)榻佑|面的不光滑性，其齒形會(huì)被破壞，導(dǎo)致傳動(dòng)效應(yīng)失穩(wěn)，在運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)發(fā)出噪音，最終導(dǎo)致齒輪失去工作機(jī)制，而陷入傳動(dòng)失靈[2]?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)工況告訴我們，疲勞點(diǎn)蝕經(jīng)常出現(xiàn)的地方是齒面節(jié)線(xiàn)旁邊的齒根位置。其主要原因就是靠近節(jié)線(xiàn)的齒面相對(duì)滑動(dòng)速度偏低，潤(rùn)滑期間油膜不適合形成，摩擦力足夠大，而且節(jié)線(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)定參與到輪子嚙合中，齒對(duì)數(shù)為小而接觸應(yīng)力大，最終導(dǎo)致點(diǎn)蝕。解決措施：（1）設(shè)計(jì)時(shí)必須計(jì)算齒面的接觸疲勞抗力;（2）提高齒輪表面的硬度，降低齒輪表面粗糙度;（3）減少動(dòng)態(tài)負(fù)載;（4）調(diào)整潤(rùn)滑油粘度避免低粘度導(dǎo)致的滲入裂紋，點(diǎn)蝕增長(zhǎng)越快。因此，需要合理選擇潤(rùn)滑油的粘度，使用粘度較高的潤(rùn)滑油;（5）采用容積式齒輪傳動(dòng)，增加整體彎曲半徑[3]。

4.2 齒面磨損失效形式

不同的工作環(huán)境對(duì)齒輪表面造成的磨損程度也不相同。當(dāng)鐵屑、沙子、非金屬材料和其他磨料落在齒面之間或由于粗糙齒面的摩擦而產(chǎn)生磨粒磨損。一旦齒面磨損，齒的形狀就會(huì)變形，從而引起振動(dòng)、沖擊和噪音。當(dāng)磨損嚴(yán)重時(shí)，牙齒會(huì)因較薄的牙齒而斷裂。新的一對(duì)齒輪，由于機(jī)器表面粗糙，實(shí)際上只是負(fù)載最大接觸的部分。接觸點(diǎn)處的壓力非常高，所以在操作開(kāi)始時(shí)，磨損率和磨損量都比較大。磨損到一定程度后，摩擦面逐漸變得光滑，壓力減小，磨損率降低，這種磨損就變成磨合。人們故意在新的輕載齒輪上運(yùn)行，為正常磨損創(chuàng)造條件。磨合后，必須清潔和更換潤(rùn)滑劑。牙齒磨損有兩種類(lèi)型：磨粒磨損和磨合磨損。解決方法：（1）對(duì)齒輪運(yùn)行過(guò)程中的潤(rùn)滑條件進(jìn)行優(yōu)化，在其運(yùn)行期間施加減摩添加劑，同時(shí)確保潤(rùn)滑油的清潔;（2）提高齒面硬度;（3）采用封閉式傳動(dòng)代替敞開(kāi)式傳動(dòng)或增加保護(hù)裝置以?xún)?yōu)化密封條件。

4.3 齒面塑性變形失效形式

當(dāng)在制作齒輪的材質(zhì)比較軟，并且齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中所需要承載的負(fù)荷較大的情況下，齒輪表面的油膜就會(huì)被很快破壞，從而加大的摩擦力，塑性流動(dòng)方向與摩擦方向一致作用于牙齒表面和牙齒表面表層的力。材料將在整個(gè)摩擦力中發(fā)生塑性變形。塑性變形屬于輪齒的永久變形，是輪齒材料在過(guò)大應(yīng)力作用下處于蠕變狀態(tài)時(shí)，塑性從齒面或齒體流出而形成的。驅(qū)動(dòng)齒輪齒上的摩擦力偏離節(jié)線(xiàn)，分別作用于齒尖和齒根，使齒面發(fā)生塑性變形后沿通道線(xiàn)形成凹槽。在從動(dòng)輪齒運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生方向相反的摩擦力，等待塑性變形以后，齒輪表面就會(huì)沿著節(jié)線(xiàn)形成脊?fàn)?。齒面的塑性變形經(jīng)常發(fā)生在使用軟質(zhì)、低速、重質(zhì)齒面材料的驅(qū)動(dòng)器中。解決措施：（1）使用高粘度潤(rùn)滑油;（2）適當(dāng)增加齒面硬度。

5 齒輪加工的常用方法

齒輪加工是基于機(jī)械構(gòu)架下的材料力學(xué)和精度差異，在確保齒輪傳動(dòng)靈活、潤(rùn)滑可靠、失效形式可控的基礎(chǔ)上進(jìn)行全過(guò)程多道加工的。

1.滾齒。機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行需要齒輪大扭矩高負(fù)荷的進(jìn)行功率輸出與傳遞。而滾齒作為這種能高速旋轉(zhuǎn)且進(jìn)行無(wú)嚙合間隙的齒輪與齒條傳動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)制作等級(jí)可以合適歸并為8-9級(jí)精度齒輪加工，鑒于成本考量和加工生產(chǎn)速度所限，也可以在預(yù)定情況進(jìn)行7級(jí)以上齒輪粗加工或者半精密加工，在運(yùn)行過(guò)程中需要注意毛刺處理，并且在較高運(yùn)動(dòng)精度確定的同時(shí)合適使用加工材料。

2.插齒。該種結(jié)構(gòu)多用于低速高扭矩的車(chē)床或者特征傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，當(dāng)加工手段合適并且處于雙聯(lián)或者三聯(lián)齒輪度量時(shí)，其兩輪間由于相對(duì)距離較小，加工精度和速度都需要根據(jù)不同插齒使用情況和材料硬度做歸并數(shù)據(jù)分析，非特殊情況下嚴(yán)禁使用成形銑或滾齒進(jìn)行構(gòu)件的60%以上工作量加工。而后續(xù)的生產(chǎn)實(shí)踐表面，更加大型的構(gòu)件還可以運(yùn)用鍍膜或者局部硬化的方式進(jìn)行更加經(jīng)濟(jì)的加工。需要注意插齒刀通常有一定弧度和硬度的，所以基于使用環(huán)節(jié)考慮，單個(gè)牙齒的研磨加工前后單位后角產(chǎn)生的刀刃齒輪需要進(jìn)行長(zhǎng)效測(cè)定以確保最終加工精度合規(guī)。具體插齒制作時(shí)要求插齒刀以一定額定速度作上下往復(fù)的切削運(yùn)動(dòng)，并且強(qiáng)制性要求插齒刀和齒坯之間時(shí)刻嚴(yán)格保持間開(kāi)狀態(tài)的單一漸開(kāi)線(xiàn)齒輪的合并嚙合關(guān)系，并且嚴(yán)格狀態(tài)形式。

3.剃齒。剃齒制作精度高，硬度要求大，通過(guò)研磨材料礦化硬粉或者合金鋼瞬間淬火硬化技術(shù)進(jìn)行獲得。具體工藝手段通俗來(lái)講即為運(yùn)用已經(jīng)制作完畢并具備精確等級(jí)的高速斜齒輪鋼面進(jìn)行角度測(cè)定后沿著漸開(kāi)方向線(xiàn)進(jìn)行開(kāi)槽并最終完成額定刀刃的制作，在齒輪處硬化后最終成型完成剃齒刀制作。通過(guò)數(shù)控車(chē)床進(jìn)行滾、插后齒面進(jìn)行多維額定富裕量的加工齒輪預(yù)留，最終使用過(guò)程中的定速比嚙合達(dá)到最佳。注意要確保加工齒輪齒面上的絕對(duì)光滑可以通過(guò)剃齒刀的刀刃沿齒寬方向進(jìn)行低速定額加工齒輪滑動(dòng)式研磨，以逐漸刮削掉富余量材料。如果遇到材料特殊，還可以用特殊打磨裝置進(jìn)行精確式打磨，使齒面光潔度達(dá)標(biāo)。

4.珩齒。由于不同齒輪材料不同，其力學(xué)和化學(xué)性質(zhì)限定了淬火后的不同程度變形和精度超標(biāo)。此外金屬材料淬火導(dǎo)致的黑皮殘留和熱膨脹在所難免，初加工的齒輪構(gòu)件直接進(jìn)行剃齒刀刮削是不可信的，強(qiáng)行施工只會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件應(yīng)力受損，所以必須進(jìn)行刀具改良，運(yùn)用金剛砂磨料和加進(jìn)環(huán)氧樹(shù)脂等材料澆鑄或熱壓成斜齒輪或者其他構(gòu)型工具進(jìn)行工件預(yù)處理，多維導(dǎo)向下的通用工序珩磨輪代替剃齒刀加工淬火完成齒輪硬化，就可以完成珩齒加工。需要注意珩齒工藝下的機(jī)床多維運(yùn)動(dòng)軌跡和剃齒時(shí)完全一樣，只是需要更換不同的刀具完成不同精度的加工。

6 齒輪加工精度要求

齒輪傳動(dòng)的主要功能是傳遞動(dòng)力，了解齒輪的用途后，選擇適合用途的齒輪產(chǎn)品。機(jī)器工作性能的大小、運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生噪音的大小以及機(jī)器運(yùn)行中所能夠承載重力的大小均與齒輪 生產(chǎn)制造精度有關(guān)。依據(jù)齒輪在不同環(huán)境中的功能實(shí)現(xiàn)要求，對(duì)其建立了四個(gè)精度方面的要求：一是齒輪傳動(dòng)間隙大小的合理性要求。在齒輪的嚙合輪齒面之間的間隙必須符合相應(yīng)的工作標(biāo)準(zhǔn)要求，合理的間隙;利于潤(rùn)滑油的儲(chǔ)存，用以彈性變形和熱變形的補(bǔ)償，減小齒輪在生產(chǎn)制造安裝過(guò)程中產(chǎn)生誤差;二是齒輪載荷分布的均勻性要求。要想使齒輪在運(yùn)行過(guò)程中保持良好的齒面接觸就一定要保證接觸位置和接觸面積的標(biāo)準(zhǔn)要求，這樣可以很好地保證齒輪載荷分布的均勻性，同時(shí)還可以減小齒面磨損，提高齒輪使用年限;三是傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性要求。要保證齒輪在齒廓角處的最大角度誤差保持在規(guī)定的范圍以?xún)?nèi)。確保瞬時(shí)齒輪的副比變化幅度較小，這樣既可以使齒輪運(yùn)行穩(wěn)定，還可以降低噪音;四是傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)的精度要求。要確保齒輪一轉(zhuǎn)的角度誤差保持在合理的范圍以?xún)?nèi)。同時(shí)確保齒輪副傳動(dòng)比較小，保證傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確。

7 結(jié)語(yǔ)

齒輪的加工需要多重施工工藝的配合，將產(chǎn)地和材料進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，確保源頭可查。齒輪的失效形式也需要根據(jù)不同的工況和加工精度科學(xué)分析，以最終進(jìn)行反演式提高齒輪加工質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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