齒輪抗疲勞制造技術現狀及發展趨勢分析

母庚禮

摘要：對近年來國內外在杭疲勞制造技術方面的研究和進展作了綜述，分析了各種抗疲勞制造含技術的特點，指出了杭疲勞制造技術在現代工業制造技術中的重要作用，并對今后抗疲勞制造技術研究的重點進行了梳理。

關鍵詞：抗疲勞制造 ?深冷處理 ?表面涂層

1.國內外齒輪抗疲勞技術發展及應用現狀

隨著我國經濟的不斷發展，應用于航空、軍工、風電、艦船、煤炭及石化等行業的高性能齒輪數量呈快速增長之勢，其應用性能方面的要求不僅包括了高速、高承載能力、高可靠性、長壽命等特征，而且在一些特殊應用條件下還要求其具有良好的高、低溫性能和短時間的缺油運行能力，這就要求此類齒輪不僅在材料的開發和選擇上要有良好的適應性能，而且在制造過程中的熱處理技術方面也要有新的思路和突破。多年來，國內外在對高端齒輪的關鍵制造技術方面進行了多方面的研究和探索，取得了許多積極的進展。尤其在國外，許多高端熱處理應用技術已十分成熟，并已廣泛應用于高性能齒輪的制造過程，產品性能也都有了十分明顯的改進和提高。

2.齒輪抗疲勞制造技術發展的必要性

2012年2月24日，中國齒輪產業發展大會在天津召開。在這次大會上，中國工程院院士趙振業作了題為“發展抗疲勞制造技術，建設齒輪強國”的主題報告。他指出：“抗疲勞制造技術是高端齒輪的核心技術。抗疲勞制造是一場革命。中國要成為裝備制造業強國，必須先成為齒輪工業強國。要成為齒輪工業強國，非攻克抗疲勞制造技術難關不可。”齒輪是汽車變速器等高端機械裝備的關鍵構件。

3.齒輪抗疲勞制造關鍵技術分析

3.1齒輪深冷處理技術

齒輪材料的深冷處理是高性能齒輪材料熱處理的重要延續和補充，是提升其綜合性能的重要手段，目前在國外高速齒輪及航空航天齒輪制造中應用已十分普遍。國內一些單位也進行了許多探索，但由于缺乏系統性及指導性的工藝數據，其應用尚不夠普遍。眾多的機理性試驗研究已表明，在對經過滲碳、淬火處理的齒輪再進行一次或多次的溫度最低可達零下190℃的低溫處理，可有效促進齒面殘余奧氏體向馬氏體的轉變，同時使得馬氏體組織中分解析出彌散狀超細碳化物組織，因而使得齒輪齒面金相組織更為細密、均勻、穩定，表面強度及硬度提高，耐磨性也明顯改善，有害殘余應力大大減小，精度穩定性提高，可大大延長齒輪使用壽命。為使該項處理技術能更為廣泛得以推廣應用，除進一步深入研究冷處理的各項作用機理外，尚應加強其應用性方面的系統研究，如應對常用齒輪材料的冷處理工藝參數和處理程序進行全面試驗研究，以確定不同材料適用的處理工藝參數和方法，明確冷處理后金相組織的評定標準及要求。

3.2齒面離子注入改性技術

為提高傳動齒面的綜合性能，如提高其抗腐蝕、抗氧化及抗疲勞性能，提高表面硬度和耐磨性能，降低齒面摩擦系數，改善齒面微觀結構的低溫或高溫性能等，目前已證明行之有效的方法之一是采用齒面的各類離子注入技術。注入的元素類別視具體要求的不同，可選擇一種或多種不同的元素。齒面通過各類離子的注入，可有助于析出金屬化合物和合金相，形成離散強化相，減少粘著和互擴散，增強氧化膜，提高潤滑性能。

應加強對各類常用齒輪材料在不同應用環境和使用要求下的各種適用性應用研究，以便為實際應用操作提供技術指導。如為提高齒面的抗膠合、抗微點蝕、抗疲勞性能等不同要求時，各種相應離子注入類別的操作工藝參數和處理結果評定的研究，各種不同的離子注入方法及相應硬件手段的開發等，均應系統全面籌劃并盡快進行。

3.3齒面磷化、硫化、鍍鎳及沉積涂層技術

為改善齒面的摩擦潤滑特性，提高齒面抗冷、熱膠合和微點蝕能力，多年來在高性能齒輪齒面的處理中還采用了鋅系或錳系磷化處理、表面鍍鎳、低溫電解滲硫及表面沉積涂層技術等，這些也都在不同程度上取得了一定效果。目前表面涂層技術在風電軸承中已開始被采用，我國汽車齒輪生產中目前也有采用齒面磷化技術來改善其齒面摩擦性能，但范圍還很有限。上述幾種方法的一個共同點是均涉及到新生的表面層問題，因而對其表面層與母體的結合力、組織致密性、應力狀況、硬度、抗疲勞性能、耐溫性能、耐沖擊能力、耐磨性、耐蝕性等，均應在不同的環境與載荷條件及不同的轉速條件下進行系統全面的試驗研究，確定出其適宜的應用條件及驗收或檢驗方法，以便能更廣泛的推廣應用。

4.齒輪抗疲勞制造技術發展趨勢

我們必須結合實際需要從以下幾個方面進行深入系統的抗疲勞制造技術研究。

（l）開展齒輪斷裂力學、彈塑性斷裂力學以及損傷容限設計的應用研究;

（2）加強對齒輪疲勞損傷機理的研究，利用現代分析于段，深人研究疲勞損傷的機理、根據機械零部件的材質工作環境、工作狀態等狀況，有針對性地采用抗疲勞制造技術，提高經濟效益;

（3）開展齒輪復雜工作條件下的疲勞壽命研究，如齒面腐蝕疲勞、接觸疲勞、微動疲勞、隨機疲勞、高低溫疲勞、低溫及多軸應力狀態等特殊工況下的疲勞問題;

（4）開展疲勞損傷的計算機模擬與計算;

（5）開展對高分子材料、復合材料、先進陶瓷的微動損傷規律的研究。

5.齒輪抗疲勞制造技術發展前景及意義

20世紀80年代，國內以飛機起落架為典型產品開始抗疲勞制造技術研究，實現了抗疲勞飛機起落架技術趕超發達國家先進水平的突破。然而，在抗疲勞齒輪制造技術的研究、應用、推廣方面，國內至今依然是一片空白。發展抗疲勞齒輪制造技術，關系齒輪行業技術進步的全局，對提升齒輪行業核心競爭力、促進齒輪行業可持續發展、建設齒輪工業強國具有重大的現實意義和長遠的歷史意義。

其意義在于：一是突破抗疲勞性能，掌握核心技術，達到世界水平;二是攻克齒輪制造前沿技術，突破工藝難點;三是培養一批專業技術骨干，壯大創新團隊;四是整合齒輪產業鏈，提升材料、裝備、工藝上水平，占領國際市場;五是齒輪標準與國際接軌，培育國際知名品牌。

參考文獻：

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[2]高玉魁.齒輪的疲勞失效與預防.材料工程.2003.2;

[3]高玉魁，趙振業.齒輪的表面完整性與抗疲勞制造技術的發展趨勢.金屬熱處理.2014.11;

[4]王珉.抗疲勞制造原理與技術.江蘇科學技術出版社.1999;