齒輪彎曲疲勞斷裂失效分析

吳佩澤，周曉紅，閆雪俠

西安煤礦機械有限公司 陜西西安 710200

1 序言

采煤機齒輪傳動分閉式和開式兩種，閉式傳動齒輪的主要失效形式是輪齒彎曲疲勞斷裂，齒面接觸疲勞破壞，齒面膠合和塑性變形。目前，我公司齒輪產品失效的問題主要是使用中出現的斷齒現象和生產中出現的磨齒裂紋。這里主要從齒輪心部硬度、齒根硬度和齒根圓角對齒輪彎曲疲勞破壞方面進行失效分析。

2 失效分析

2.1 心部硬度

齒輪的心部硬度值是一個綜合性指標，其承載特性對強度和韌性都有嚴格要求，且心部硬度的高低也在一定程度上反映心部組織[1-2]。齒輪心部淬火后的硬度值高低受材料、尺寸和冷卻方式等因素影響。國標對材料化學成分的要求是一個范圍，因此即使同牌號的材料由于成分波動也會導致淬火后硬度高低不同。齒輪心部的提高會在一定范圍內提高彎曲疲勞強度，但當硬度超過一定值時，會使工件表面存在不利的殘余應力，反而使疲勞強度降低[3]。國內外試驗表明：為提高大模數、深滲層齒輪件綜合性能，應將心部硬度控制在33~42HRC[4]。齒根心部硬度對疲勞強度的影響如圖1所示。

目前，我公司的齒輪材料主要是18Cr2Ni4WA和20Cr2Ni4A合金滲碳鋼。對于心部硬度要求為38~42HRC，相比上述范圍要求更加嚴格。工藝層面上達到要求的硬度并不難，但國內材料如18Cr2Ni4WA鋼wC為0.13%~0.19%，20Cr2Ni4A鋼wC為0.17%~0.23%，不同進廠批次的材料化學成分也存在偏差。根據我公司多年的檢測結果來看，不論工藝如何改進，要將心部硬度控制在要求的范圍內都是有一定難度的。鑒于此種情況，應對進廠原材料的化學成分制定更為嚴格的企標。

圖1 齒根心部硬度對疲勞強度的影響

2.2 齒根硬度

我公司齒輪的熱處理工藝主要分為兩類：滲碳+整體淬火；滲碳+調質+表面淬火。對于花鍵聯結的齒輪，受花鍵加工刀具硬度制約，對此類齒輪的工藝只能采取后者。對于表面淬火的齒輪，硬化層深度不應小于齒輪模數的15%，且硬化層應包括齒根圓角部分。因此，熱處理的問題就是在表面淬火時，如不能將整個齒（包括齒的心部）完全加熱和冷卻，當齒的圓角不能淬硬時，齒根硬化層淺或沒有，其疲勞強度僅為硬化后的50%~80%。理想的加熱透熱范圍如圖2所示。

圖2 齒根加熱層范圍

根據多次斷齒檢測結果，如圖3所示斷齒的徑向截面熱透入深度宏觀圖，發現一部分齒根部沒有透熱，沒有達到有效的硬化層，其彎曲強度大打折扣。但目前的檢測手段無法直接對表面淬火齒輪齒根硬度進行準確檢測，只能通過檢測端面齒根對應部位硬度或是進行破壞性檢測。因不能實時檢測就會使個別不合格產品轉到下道工序，在實際使用中存在隱患。

圖3 齒根加熱深度

2.3 齒根圓角

齒的彎曲折斷主要是因齒根處應力過大，工作中受交變應力產生疲勞裂紋，最后在某峰值應力下斷裂。齒輪齒根圓角部位的應力集中也是影響齒輪彎曲疲勞的重要因素[5]。為了減小齒輪根部應力集中，工藝要求規范齒輪倒角，但實際倒角時常因操作不當形成了豁口，沒有達到減小應力的目的，反而會形成新的應力集中點，使齒根應力增加很多。此外，齒根過渡圓角的大小受齒根圓直徑和有效起始圓直徑的限制，必須使過渡曲線在配對齒輪齒頂的嚙合處與其齒廓相切，即切點不能高于有效起始圓直徑并與齒根圓相切，所以理想的過渡曲線應為單圓弧。

3 結束語

1）為達到較高的彎曲疲勞強度，需將齒輪心部硬度控制在一定范圍內。

2）對于表面淬火齒輪齒根透熱層應大于滲碳層并包括齒根圓角部位。

3）齒輪輪廓倒圓角時，不能產生豁口且過渡曲線應為單圓弧。