12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析
作者:小編 時(shí)間:2021-07-09閱讀數(shù):人閱讀
12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析
齒輪工作條件復(fù)雜,在不同工作條件下使用,齒輪造成失效的特征是不同的。齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,在齒根產(chǎn)生彎曲應(yīng)力;在齒面產(chǎn)生接觸應(yīng)力;齒面間的相對(duì)滑動(dòng)摩擦而產(chǎn)生磨損。有時(shí)齒輪由于安裝或設(shè)計(jì)的問(wèn)題,齒側(cè)間隙過(guò)大,在嚙合過(guò)程中產(chǎn)生沖擊。齒輪由于彎曲力矩而造成齒的變形和折斷;由于接觸應(yīng)力造成表面疲勞剝落和由于摩擦作用造成磨損,從而造成齒輪失效。不同的材料、加工工藝、使用場(chǎng)合,有不同的失效形式。對(duì)于齒輪失效主要是表面接觸疲勞失效,分為:麻點(diǎn)疲勞剝落、淺層疲勞剝落、硬化層剝落三種形式;齒輪彎曲斷齒分為:疲勞斷齒、過(guò)載斷齒。齒輪磨損失效分為:磨粒磨損、腐蝕磨損、膠合磨損、齒端沖擊磨損;齒面塑性變形失效分為:塑性變形、壓痕、塑變折皺。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料統(tǒng)計(jì),35年中的931個(gè)齒輪損壞實(shí)例,失效比例如下:疲勞斷齒占32.8%;過(guò)載斷齒占19.5%;輪齒碎裂占4.3%;輪轂撕裂占4.6%;表面疲勞占20.3%;表面磨損占13.2%;齒面塑性變形占5.3%。在使用過(guò)程中由于選材、加工工藝、熱處理問(wèn)題或裝配問(wèn)題造成失效,本文針對(duì)這方面的模式進(jìn)行逐一分析。由于變形要求嚴(yán)格,為了降低心部硬度,減少花鍵、齒輪變形而降低冷卻效果,變形達(dá)到要求但齒根部位非馬氏體連片,齒輪在使用過(guò)程中造成從齒根斷裂。或由于選材不當(dāng)造成齒輪熱處理后心部硬度過(guò)高,造成沖擊韌度降低,從節(jié)圓處斷裂。1)對(duì)于花鍵要求嚴(yán)格,可以采用熱處理后硬拉,達(dá)到尺寸合格要求。2)對(duì)于心部硬度過(guò)高,可以選擇合適的材料或更換冷速緩和的淬火油。3)對(duì)于非馬氏體超標(biāo)的齒輪進(jìn)行強(qiáng)力噴丸。主要是指齒根出現(xiàn)晶間氧化及非馬氏體、碳化物不良、殘留奧氏體超差等。對(duì)于齒根出現(xiàn)晶間氧化及非馬氏體主要原因是選擇的材料淬透性太差、選用的淬火油不合適、裝夾不當(dāng)、熱處理前清洗不良、使用的淬火冷卻介質(zhì)雜質(zhì)太多等。對(duì)碳化物及殘留奧氏體超差主要是熱處理工藝不當(dāng)。7)對(duì)于非馬氏體超標(biāo)的齒輪進(jìn)行強(qiáng)力噴丸。由于熱處理不良,含有過(guò)多的殘留奧氏體、碳化物;選用的砂輪型號(hào)不合適,冷卻不充分,磨削參數(shù)不合理,使齒輪在磨削過(guò)程中造成磨削燒傷甚至磨削淬火;或齒輪由于變形造成磨削量不均勻、齒部硬化層不均,或磨齒的過(guò)程中磨削齒根。由于以上原因造成齒輪在使用過(guò)程中失效,如圖1所示。4)根據(jù)設(shè)備廠家的建議選擇合適的砂輪、合適的加工參數(shù),磨削過(guò)程對(duì)于齒輪進(jìn)行燒傷檢測(cè)。對(duì)于齒根出現(xiàn)磨削的增加強(qiáng)力噴丸。![12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖1) 12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖1)](http://www.bviltd.cn/zb_users/upload/2020/04/20200425122137_49006.png)
圖1 磨齒的失效
對(duì)于冷鍛齒輪、溫鍛齒輪、冷拉料等,正火后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)組織缺陷,滲碳淬火后組織尤其是心部組織粗大(見(jiàn)圖2),在使用過(guò)程中造成失效。![12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖2) 12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖2)](http://www.bviltd.cn/zb_users/upload/2020/04/20200425122143_14378.png)
圖2 心部組織粗大
1)對(duì)于有加工余量的可以采用940~950℃高溫正火。2)對(duì)于一次正火不合格的材料進(jìn)行二次正火。3)對(duì)于表面不準(zhǔn)氧化脫碳的工件可以采用兩端抽真空的棍棒式等溫正火爐。4)對(duì)于使用滲碳淬火爐的工序增加中冷工藝,這樣可以對(duì)一次正火不合格但沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)的工件,采用中冷淬火工藝來(lái)保證組織合格。齒輪軸類零件設(shè)計(jì)有卡簧槽,由于使用的刀具不是成形刀,造成卡簧槽加工缺陷;或軸類零件滲碳淬火后變形太大,在滲碳淬火后校直壓傷,使用過(guò)程中造成斷裂,如圖3、圖4所示。![12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖3) 12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖3)](http://www.bviltd.cn/zb_users/upload/2020/04/20200425122145_40368.png)
圖3 軸類件
![12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖4) 12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖4)](http://www.bviltd.cn/zb_users/upload/2020/04/20200425122145_32195.png)
圖4 斷裂宏觀形貌
1)使用成形刀具加工,或?qū)τ诳ɑ刹弁糠罎B劑。2)使用帶有裂紋探測(cè)儀的校直設(shè)備。齒軸類產(chǎn)品端部或中間有螺紋,滲碳過(guò)程中沒(méi)有防滲,或防滲達(dá)不到客戶圖樣要求,需要增加感應(yīng)退火或鹽浴退火。由于退火工藝不當(dāng)造成螺紋二次硬化,在使用過(guò)程中造成脆性斷裂(見(jiàn)圖5)。![12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖5) 12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖5)](http://www.bviltd.cn/zb_users/upload/2020/04/20200425122147_23938.png)
圖5 螺紋齒軸類脆性斷裂
螺紋采用感應(yīng)退火,螺紋退火后放到耐火石棉中緩冷。有些齒輪與齒軸,熱處理后通過(guò)花鍵結(jié)合在一起,或采用一定的過(guò)盈量,或焊接在一起傳遞扭矩。由于齒輪壁薄或過(guò)盈量太大造成延遲裂紋,焊接時(shí)由于焊接工藝不當(dāng)或焊接部位碳層沒(méi)有完全去除,造成焊接裂紋,在使用過(guò)程中產(chǎn)生早期失效。1)對(duì)內(nèi)花鍵或內(nèi)孔采取保護(hù)措施,內(nèi)孔涂防滲劑,加堵塞降低內(nèi)孔和內(nèi)花鍵的碳層或表面硬度,來(lái)提高內(nèi)孔或內(nèi)花鍵的韌性,防止延遲裂紋。2)焊接件需在焊接部位涂防滲劑或加大余量防止焊接部位滲碳,采取焊前預(yù)熱、焊后緩冷的工藝。齒輪熱處理后由于變形太大,精度下降太多,使齒輪在運(yùn)行過(guò)程中齒部局部接觸,造成失效。1)對(duì)于大的盤(pán)類零件采取壓淬的措施,保證齒輪精度。2)對(duì)于軸類件中一些齒比較寬的工件采取熱處理后磨齒,提高齒輪接觸精度。弧齒錐齒輪熱處理后由于變形太大,齒輪精度等級(jí)降低,在使用過(guò)程中局部應(yīng)力過(guò)高造成斷齒。或在配對(duì)研磨過(guò)程中由于選用的研磨砂、研磨工藝不合適,造成工件研磨燒傷,齒輪表面硬度、耐磨性降低,齒輪在使用過(guò)程中產(chǎn)生早期磨損失效。如圖6所示,特征為嚙合齒面刀紋磨平,輪齒表面非常光滑,有磨損波紋。齒根處不形成臺(tái)階,齒厚沒(méi)有明顯變化。![12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖6) 12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖6)](http://www.bviltd.cn/zb_users/upload/2020/04/20200425122148_22205.png)
圖6 輕度磨損
產(chǎn)生原因:由于使用不當(dāng)而造成的損壞。1)潤(rùn)滑油黏度差,從而造成潤(rùn)滑油膜厚度不夠。3)裝配不當(dāng),如主動(dòng)齒輪軸頸預(yù)緊力不夠、軸承間隙大等,造成齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)軸向竄動(dòng),使嚙合齒面逐漸磨損從而導(dǎo)致齒輪失效。如圖7所示,特征為工作齒面材料大量磨掉,輪齒齒廓形狀破壞,如齒頂磨尖、齒根變瘦、輪齒根部磨成臺(tái)階、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲加劇以及齒輪早期失效。產(chǎn)生原因:系統(tǒng)嚴(yán)重振動(dòng),潤(rùn)滑油系統(tǒng)和密封裝置不良,齒輪常在邊界潤(rùn)滑或接近邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下工作,油膜建立不起來(lái)或油膜厚度不夠,導(dǎo)致嚙合齒面大量磨損。![12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖7) 12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖7)](http://www.bviltd.cn/zb_users/upload/2020/04/20200425122149_76470.png)
圖7 嚴(yán)重磨損
如圖8所示,特征為由于摩擦,嚙合齒面沿滑動(dòng)的方向形成較均勻條狀摩擦痕跡,齒輪不能平穩(wěn)運(yùn)行。產(chǎn)生原因:由于角齒預(yù)緊力不夠,軸向間隙過(guò)大,齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)不平衡;或潤(rùn)滑油被污染,外來(lái)的硬質(zhì)顆粒在潤(rùn)滑過(guò)程中侵入到相嚙合的齒面之間,由于磨粒的切削作用,將輪齒表面材料刮掉,造成兩接觸齒面的擦傷條紋。![12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖8) 12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖8)](http://www.bviltd.cn/zb_users/upload/2020/04/20200425122151_82847.png)
圖8 齒面磨損條紋
如圖9所示,特征為輪齒嚙合面由于嚴(yán)重摩擦而磨損,齒面局部金屬過(guò)熱,沿運(yùn)動(dòng)方向出現(xiàn)明顯的撕裂溝槽。產(chǎn)生原因:潤(rùn)滑系統(tǒng)嚴(yán)重缺油,潤(rùn)滑不充分致使齒面溫度急劇上升,金屬熔化,相互粘合,在隨后的滑動(dòng)中又被撕開(kāi),在齒面形成撕裂溝槽,造成齒輪失效。這也是由于使用問(wèn)題所造成的。![12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖9) 12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖9)](http://www.bviltd.cn/zb_users/upload/2020/04/20200425122152_92117.png)
圖9 齒面膠合
如圖10所示,特征為齒面磨光,齒面呈麻點(diǎn)狀疲勞剝落凹坑。剝落坑比較淺小,呈針眼狀或芝麻狀,深度0.1~0.2mm,截面呈不對(duì)稱的“V”字形,此類疲勞裂紋首先從齒表面產(chǎn)生,然后向里層擴(kuò)展,最后剝落形成麻點(diǎn)。產(chǎn)生原因:早期點(diǎn)蝕是由于產(chǎn)品加工質(zhì)量缺陷造成,切削加工時(shí)齒形誤差大、齒面表面粗糙度差、輪齒節(jié)圓與內(nèi)孔不同軸而使輪齒嚙合狀態(tài)差,造成運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)齒面局部區(qū)域早期疲勞損壞;或由于齒面硬度、接觸疲勞強(qiáng)度低,從而引起的失效現(xiàn)象。![12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖10) 12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖10)](http://www.bviltd.cn/zb_users/upload/2020/04/20200425122153_36356.png)
圖10 麻點(diǎn)剝落
如圖11所示,特征為破壞性點(diǎn)蝕的剝落坑比早期點(diǎn)蝕的相對(duì)大而深,首先出現(xiàn)在靠近節(jié)圓的齒面上,然后不斷擴(kuò)展,最后導(dǎo)致輪齒失效。產(chǎn)生原因:由于材料或加工及熱處理質(zhì)量問(wèn)題造成疲勞強(qiáng)度顯著降低,齒面承受的應(yīng)力大于材料強(qiáng)度。隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增多,點(diǎn)蝕不斷擴(kuò)展形成點(diǎn)蝕坑。![12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖11) 12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖11)](http://www.bviltd.cn/zb_users/upload/2020/04/20200425122155_70707.png)
圖11 破壞性點(diǎn)蝕
如圖12所示,特征為齒面上的材料成片剝離。剝落的金屬比點(diǎn)蝕大,齒面剝落的厚度約等于產(chǎn)品滲碳淬火有效層厚度,形成的剝落坑底部與齒面基本保持平行,側(cè)面垂直于表面。產(chǎn)生原因:經(jīng)表面硬化的輪齒,由于材料缺陷、熱處理后金相組織超級(jí)、有效硬化層淺、硬度梯度過(guò)陡等原因,使輪齒表面層和次表面層材料的接觸疲勞強(qiáng)度顯著降低。由于運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)齒面的次表層所承受的外應(yīng)力較高,裂紋首先在次表層內(nèi)產(chǎn)生,再向表面延伸和擴(kuò)展,最后形成剝落坑。![12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖12) 12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖12)](http://www.bviltd.cn/zb_users/upload/2020/04/20200425122157_71789.png)
圖12 齒面剝落
如圖13所示,特征為齒面有明顯的波紋痕跡,齒面上的材料成片脫落,形成點(diǎn)蝕坑或剝落坑,齒根有磨損臺(tái)階,部分齒輪還有塑性變形現(xiàn)象。產(chǎn)生原因:齒輪在交變應(yīng)力的作用下,齒面先出現(xiàn)磨損,使得齒面硬度下降,然后金屬產(chǎn)生剝落而失效。![12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖13) 12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖13)](http://www.bviltd.cn/zb_users/upload/2020/04/20200425122159_55112.png)
圖13 使用性疲勞
如圖14所示,特征為齒面出現(xiàn)鱗狀皺紋或塑性變形,鱗紋垂直于輪齒滑動(dòng)方向而沿齒形分布。產(chǎn)生原因:齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,潤(rùn)滑不良,油膜厚度不足,齒輪系統(tǒng)振動(dòng)面在工作齒面間產(chǎn)生“爬行”(黏附滑動(dòng)現(xiàn)象)的結(jié)果。![12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖14) 12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖14)](http://www.bviltd.cn/zb_users/upload/2020/04/20200425122201_13548.png)
圖14 鱗狀皺紋
如圖15所示,表現(xiàn)為由于其他零部件損壞,造成輪齒早期失效。![12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖15) 12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖15)](http://www.bviltd.cn/zb_users/upload/2020/04/20200425122202_43651.png)
圖15 異物打壞
如圖16所示,特征為呈半齒斷裂,斷口呈斜面,粗糙不平。斷口沒(méi)有疲勞斷口的特征,沒(méi)有疲勞擴(kuò)展區(qū),斷口呈瞬時(shí)折斷的形貌。產(chǎn)生原因:由于操作不當(dāng)而產(chǎn)生巨大的瞬間沖擊載荷造成損壞。軸承損壞,較大的硬質(zhì)異物進(jìn)入嚙合處都會(huì)造成過(guò)載折斷。![12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖16) 12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖16)](http://www.bviltd.cn/zb_users/upload/2020/04/20200425122204_40193.png)
圖16 過(guò)載折斷
改善方法:優(yōu)化材料,優(yōu)化熱處理工藝,減少變形,對(duì)于變形大的產(chǎn)品對(duì)研磨后的齒輪進(jìn)行燒傷及表面粗糙度檢測(cè)。對(duì)于變形較大的盤(pán)齒進(jìn)行壓淬處理,提高齒輪精度。對(duì)于一些齒軸類鍛件產(chǎn)品由于齒部與軸部尺寸相差太大,局部位置鍛造比太大,造成裂紋。在精加工時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋(見(jiàn)圖17),一些楔橫札類軸類也容易在軸心出現(xiàn)裂紋(見(jiàn)圖18)。改善方法:對(duì)于此類齒輪在粗車后100%進(jìn)行超聲波檢測(cè)。![12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖17) 12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖17)](http://www.bviltd.cn/zb_users/upload/2020/04/20200425122206_65777.png)
圖17 精加工裂紋 圖18 軸心裂紋
對(duì)于一些盤(pán)類齒輪進(jìn)行感應(yīng)淬火,由于頻率選擇不合適,感應(yīng)器設(shè)計(jì)精度低,機(jī)床精度不夠,造成齒輪硬化層不均,齒輪淬火后出現(xiàn)裂紋,臺(tái)架試驗(yàn)失敗。1)選擇合適的頻率,采用機(jī)加工感應(yīng)器,保證機(jī)床精度。2)齒輪感應(yīng)淬火后先對(duì)齒輪進(jìn)行縱剖(見(jiàn)圖19a),檢測(cè)硬化層形狀,根據(jù)形狀對(duì)上下位置進(jìn)行調(diào)整;在齒輪圓周方向按照90°方向切割4塊,檢測(cè)硬化層均勻性(見(jiàn)圖19b)。對(duì)于齒輪上中下3個(gè)位置檢測(cè)硬化層及硬度的均勻性。3)當(dāng)頻率高時(shí)盡量加強(qiáng)檢測(cè)齒根,當(dāng)頻率低時(shí)盡量檢測(cè)齒頂。4)對(duì)于感應(yīng)淬火工件要全部進(jìn)行磁粉檢測(cè),防止裂紋件流到下一工序。![12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖18) 12種模式的齒輪傳動(dòng)部件的失效分析(圖18)](http://www.bviltd.cn/zb_users/upload/2020/04/20200425122207_61116.png)
圖19 硬化層檢測(cè)
對(duì)于一些軸類零件采用掃描感應(yīng)淬火,由于感應(yīng)器設(shè)計(jì)問(wèn)題,工藝不當(dāng)造成一些R角位置硬化層不夠,甚至斷開(kāi)。對(duì)于軸類采用整體感應(yīng)淬火,對(duì)于一些孔口位置、凸臺(tái)等由于尖角效應(yīng)淬火容易出現(xiàn)裂紋,有時(shí)也由于回火不及時(shí)產(chǎn)生延遲裂紋。1)對(duì)于軸類齒輪感應(yīng)淬火后進(jìn)行縱剖,檢測(cè)硬化層形狀及硬化層均勻性。2)對(duì)于感應(yīng)淬火后的工件進(jìn)行及時(shí)回火。3)對(duì)于所有齒輪進(jìn)行磁粉檢測(cè)。以上是筆者在工作期間接觸到比較常見(jiàn)的齒輪的幾種失效情況,希望對(duì)從事齒輪生產(chǎn)設(shè)計(jì)的同行有借鑒作用。
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