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齒輪軸失效分析與改進(jìn)

2018-10-29

賈云峰
（秦川機(jī)床工具集團(tuán)股份公司）

 　　齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)是機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)中重要的一種傳動(dòng)形式之一，它具有傳動(dòng)效率高、工作可靠、傳動(dòng)比準(zhǔn)確結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)床、汽車等產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用，齒輪通過(guò)輪齒嚙合傳遞扭矩和動(dòng)力，承受較大的交變彎曲應(yīng)力、接觸應(yīng)力，易產(chǎn)生齒面點(diǎn)蝕、膠合等失效，甚至是斷齒。

　　某齒輪箱中的齒輪軸（見(jiàn)圖1），工作過(guò)程中載荷較大，材料為18Cr2Ni4W，屬于高強(qiáng)度中合金滲碳鋼，強(qiáng)度高，韌性好，性能優(yōu)異，淬透性好，

　　主要工藝流程：鍛造→正火→車削→滾齒→滲碳→去碳→淬火→粗磨→磨齒→精磨。

　　熱處理要求為滲碳層深1.2mm，淬硬58HRC。零件的熱處理過(guò)程曲線如圖2所示。

　　其中一根齒輪軸使用一年后就發(fā)生斷裂，齒部完好，在φ90mm外圓與齒部之間發(fā)生斷裂。我們對(duì)斷裂的軸進(jìn)行了分析，從齒輪設(shè)計(jì)、機(jī)械加工、熱處理等方面提出改進(jìn)意見(jiàn)，以避免類似情況再次發(fā)生。

　　2.裂紋分析
　?。?）化學(xué)成分

　　斷裂零件取試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，如附表所示，成分符合標(biāo)準(zhǔn)。

18Cr2Ni4W鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

　　（2）硬度檢測(cè)
　　表面硬度59～60HRC，心部硬度42～44HRC，符合技術(shù)要求。

　　（3）斷口形態(tài)

　?。?）斷口分析
　　斷口存在典型的貝殼狀花紋，從斷口的宏觀形貌看，斷口由3個(gè)具有不同特征的區(qū)域組成，1區(qū)域?yàn)榱鸭y源，呈半月形，表面黑色，面積約為6mm2；2區(qū)域?yàn)榱鸭y擴(kuò)展區(qū)，表面呈細(xì)致的瓷狀；3區(qū)域?yàn)樗查g斷裂區(qū)，形貌粗糙，凹凸較大，具有放射狀條紋，約占總面積的50%。屬于典型的疲勞裂紋斷口。

　　該齒輪軸斷裂發(fā)生在沉割槽處，斷面上有一小塊黑色區(qū)域1，表明此處裂紋發(fā)生較早，仔細(xì)觀察零件的斷裂處，沉割槽內(nèi)光潔度很差，有很深的加工刀痕，在熱處理過(guò)程中此處產(chǎn)生了一個(gè)小裂紋，裂紋表面在加熱、冷卻過(guò)程中被氧化，因此呈黑色。裂紋處于沉割槽內(nèi)，難以被發(fā)現(xiàn)。在使用過(guò)程中，齒輪軸受交變載荷的作用，裂紋逐漸擴(kuò)展，此時(shí)擴(kuò)展速度較慢，形成區(qū)域2（擴(kuò)展區(qū)），由于18Cr2Ni4W鋼的淬透性非常高，心部淬后硬度達(dá)42～44HRC，硬度較高，因此擴(kuò)展區(qū)無(wú)明顯的年輪條紋。疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度，軸的有效截面縮小，導(dǎo)致強(qiáng)度不足，引起瞬時(shí)超載，造成斷裂，斷面具有快速斷裂的特征，由于軸的硬度高，而且工作時(shí)受力較大，因此形成的Z終斷裂區(qū)所占的面積較大，約占總面積的50%。

　　2.改進(jìn)措施
　　疲勞破壞對(duì)缺陷具有很大的敏感性，一般起源于零件高度應(yīng)力集中的部分或表面缺陷處，如表面裂紋、軟點(diǎn)、夾雜、急劇的轉(zhuǎn)角過(guò)渡及刀痕等。導(dǎo)致疲勞破壞的工作應(yīng)力很低，往往低于材料的屈服強(qiáng)度。在使用一年時(shí)間就發(fā)生斷裂，可見(jiàn)齒輪軸表面的缺陷造成了高度應(yīng)力集中，降低了抗疲勞強(qiáng)度，大大縮短了齒輪軸的使用壽命，18Cr2Ni4W鋼對(duì)應(yīng)力集中比較敏感，尤需加以注意。零件截面發(fā)生變化的地方，都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此對(duì)階梯軸來(lái)說(shuō)，在截面尺寸變化處應(yīng)采用圓角過(guò)渡，而不應(yīng)加工成易出現(xiàn)問(wèn)題的沉割槽，各段階梯外圓之間增加R3～R5mm的圓弧過(guò)渡，以降低應(yīng)力集中。圓弧過(guò)渡的加工質(zhì)量更便于控制，不易出現(xiàn)加工缺陷。提高零件的表面光潔度，也可有效降低應(yīng)力集中。

　　3.結(jié)語(yǔ)
　　齒輪軸的零件結(jié)構(gòu)、機(jī)械加工質(zhì)量、熱處理過(guò)程、材料化學(xué)成分等各方面的不良因素都會(huì)導(dǎo)致軸的失效，因此只有從改善零件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、嚴(yán)格控制原材料成分、提高機(jī)械加工精度、提高熱處理過(guò)程質(zhì)量等方面綜合考慮，才能保證軸的質(zhì)量，延長(zhǎng)軸的壽命。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后齒輪軸再無(wú)斷裂現(xiàn)象發(fā)生。