12種模式的齒輪傳動部件的失效分析
2種模式的齒輪傳動部件的失效分析
齒輪工作條件復雜，在不同工作條件下使用，齒輪造成失效的特征是不同的。齒輪在運轉過程中，在齒根產(chǎn)生彎曲應力；在齒面產(chǎn)生接觸應力；齒面間的相對滑動摩擦而產(chǎn)生磨損。有時齒輪由于安裝或設計的問題，齒側間隙過大，在嚙合過程中產(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、使用場合，有不同的失效形式。對于齒輪失效主要是表面接觸疲勞失效，分為：麻點疲勞剝落、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)相關文獻資料統(tǒng)計，35年中的931個齒輪損壞實例，失效比例如下：疲勞斷齒占32.8%；過載斷齒占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%。在使用過程中由于選材、加工工藝、熱處理問題或裝配問題造成失效，本文針對這方面的模式進行逐一分析。
由于變形要求嚴格，為了降低心部硬度，減少花鍵、齒輪變形而降低冷卻效果，變形達到要求但齒根部位非馬氏體連片，齒輪在使用過程中造成從齒根斷裂。或由于選材不當造成齒輪熱處理后心部硬度過高，造成沖擊韌度降低，從節(jié)圓處斷裂。1）對于花鍵要求嚴格，可以采用熱處理后硬拉，達到尺寸合格要求。2）對于心部硬度過高，可以選擇合適的材料或更換冷速緩和的淬火油。
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、熱處理前清洗不良、使用的淬火冷卻介質雜質太多等。對碳化物及殘留奧氏體超差主要是熱處理工藝不當。
由于熱處理不良，含有過多的殘留奧氏體、碳化物；選用的砂輪型號不合適，冷卻不充分，磨削參數(shù)不合理，使齒輪在磨削過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，或磨齒的過程中磨削齒根。由于以上原因造成齒輪在使用過程中失效，如圖1所示。4）根據(jù)設備廠家的建議選擇合適的砂輪、合適的加工參數(shù)，磨削過程對于齒輪進行燒傷檢測。對于齒根出現(xiàn)磨削的增加強力噴丸。
圖1 磨齒的失效
對于冷鍛齒輪、溫鍛齒輪、冷拉料等，正火后沒有發(fā)現(xiàn)組織缺陷，滲碳淬火后組織尤其是心部組織粗大（見圖2），在使用過程中造成失效。
圖2 心部組織粗大
1）對于有加工余量的可以采用940~950℃高溫正火。3）對于表面不準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）對于使用滲碳淬火爐的工序增加中冷工藝，這樣可以對一次正火不合格但沒有被發(fā)現(xiàn)的工件，采用中冷淬火工藝來保證組織合格。
齒輪軸類零件設計有卡簧槽，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，使用過程中造成斷裂，如圖3、圖4所示。
圖3 軸類件
圖4 斷裂宏觀形貌
齒軸類產(chǎn)品端部或中間有螺紋，滲碳過程中沒有防滲，或防滲達不到客戶圖樣要求，需要增加感應退火或鹽浴退火。由于退火工藝不當造成螺紋二次硬化，在使用過程中造成脆性斷裂（見圖5）。
圖5 螺紋齒軸類脆性斷裂
有些齒輪與齒軸，熱處理后通過花鍵結合在一起，或采用一定的過盈量，或焊接在一起傳遞扭矩。由于齒輪壁薄或過盈量太大造成延遲裂紋，焊接時由于焊接工藝不當或焊接部位碳層沒有完全去除，造成焊接裂紋，在使用過程中產(chǎn)生早期失效。1）對內花鍵或內孔采取保護措施，內孔涂防滲劑，加堵塞降低內孔和內花鍵的碳層或表面硬度，來提高內孔或內花鍵的韌性，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，使齒輪在運行過程中齒部局部接觸，造成失效。1）對于大的盤類零件采取壓淬的措施，保證齒輪精度。2）對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，齒輪精度等級降低，在使用過程中局部應力過高造成斷齒。或在配對研磨過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。齒根處不形成臺階，齒厚沒有明顯變化。
圖6 輕度磨損
3）裝配不當，如主動齒輪軸頸預緊力不夠、軸承間隙大等，造成齒輪運轉時軸向竄動，使嚙合齒面逐漸磨損從而導致齒輪失效。
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、輪齒根部磨成臺階、運轉時噪聲加劇以及齒輪早期失效。產(chǎn)生原因：系統(tǒng)嚴重振動，潤滑油系統(tǒng)和密封裝置不良，齒輪常在邊界潤滑或接近邊界潤滑狀態(tài)下工作，油膜建立不起來或油膜厚度不夠，導致嚙合齒面大量磨損。
圖7 嚴重磨損
如圖8所示，特征為由于摩擦，嚙合齒面沿滑動的方向形成較均勻條狀摩擦痕跡，齒輪不能平穩(wěn)運行。產(chǎn)生原因：由于角齒預緊力不夠，軸向間隙過大，齒輪運轉不平衡；或潤滑油被污染，外來的硬質顆粒在潤滑過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。
圖8 齒面磨損條紋
如圖9所示，特征為輪齒嚙合面由于嚴重摩擦而磨損，齒面局部金屬過熱，沿運動方向出現(xiàn)明顯的撕裂溝槽。產(chǎn)生原因：潤滑系統(tǒng)嚴重缺油，潤滑不充分致使齒面溫度急劇上升，金屬熔化，相互粘合，在隨后的滑動中又被撕開，在齒面形成撕裂溝槽，造成齒輪失效。這也是由于使用問題所造成的。
圖9 齒面膠合
如圖10所示，特征為齒面磨光，齒面呈麻點狀疲勞剝落凹坑。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，然后向里層擴展，最后剝落形成麻點。產(chǎn)生原因：早期點蝕是由于產(chǎn)品加工質量缺陷造成，切削加工時齒形誤差大、齒面表面粗糙度差、輪齒節(jié)圓與內孔不同軸而使輪齒嚙合狀態(tài)差，造成運轉時齒面局部區(qū)域早期疲勞損壞；或由于齒面硬度、接觸疲勞強度低，從而引起的失效現(xiàn)象。
圖10 麻點剝落
如圖11所示，特征為破壞性點蝕的剝落坑比早期點蝕的相對大而深，首先出現(xiàn)在靠近節(jié)圓的齒面上，然后不斷擴展，最后導致輪齒失效。產(chǎn)生原因：由于材料或加工及熱處理質量問題造成疲勞強度顯著降低，齒面承受的應力大于材料強度。隨著應力循環(huán)次數(shù)的增多，點蝕不斷擴展形成點蝕坑。
圖11 破壞性點蝕
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、有效硬化層淺、硬度梯度過陡等原因，使輪齒表面層和次表面層材料的接觸疲勞強度顯著降低。由于運轉時齒面的次表層所承受的外應力較高，裂紋首先在次表層內產(chǎn)生，再向表面延伸和擴展，最后形成剝落坑。
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，形成點蝕坑或剝落坑，齒根有磨損臺階，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。
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方向而沿齒形分布。產(chǎn)生原因：齒輪運轉過程中，潤滑不良，油膜厚度不足，齒輪系統(tǒng)振動面在工作齒面間產(chǎn)生“爬行”（黏附滑動現(xiàn)象）的結果。
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。
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。斷口沒有疲勞斷口的特征，沒有疲勞擴展區(qū)，斷口呈瞬時折斷的形貌。產(chǎn)生原因：由于操作不當而產(chǎn)生巨大的瞬間沖擊載荷造成損壞。軸承損壞，較大的硬質異物進入嚙合處都會造成過載折斷。
圖16 過載折斷
改善方法：優(yōu)化材料，優(yōu)化熱處理工藝，減少變形，對于變形大的產(chǎn)品對研磨后的齒輪進行燒傷及表面粗糙度檢測。對于變形較大的盤齒進行壓淬處理，提高齒輪精度。
對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。在精加工時發(fā)現(xiàn)裂紋（見圖17），一些楔橫札類軸類也容易在軸心出現(xiàn)裂紋（見圖18）。改善方法：對于此類齒輪在粗車后100%進行超聲波檢測。
圖17 精加工裂紋 圖18 軸心裂紋
對于一些盤類齒輪進行感應淬火，由于頻率選擇不合適，感應器設計精度低，機床精度不夠，造成齒輪硬化層不均，齒輪淬火后出現(xiàn)裂紋，臺架試驗失敗。1）選擇合適的頻率，采用機加工感應器，保證機床精度。2）齒輪感應淬火后先對齒輪進行縱剖（見圖19a），檢測硬化層形狀，根據(jù)形狀對上下位置進行調整；在齒輪圓周方向按照90°方向切割4塊，檢測硬化層均勻性（見圖19b）。對于齒輪上中下3個位置檢測硬化層及硬度的均勻性。3）當頻率高時盡量加強檢測齒根，當頻率低時盡量檢測齒頂。4）對于感應淬火工件要全部進行磁粉檢測，防止裂紋件流到下一工序。
圖19 硬化層檢測
對于一些軸類零件采用掃描感應淬火，由于感應器設計問題，工藝不當造成一些R角位置硬化層不夠，甚至斷開。對于軸類采用整體感應淬火，對于一些孔口位置、凸臺等由于尖角效應淬火容易出現(xiàn)裂紋，有時也由于回火不及時產(chǎn)生延遲裂紋。1）對于軸類齒輪感應淬火后進行縱剖，檢測硬化層形狀及硬化層均勻性。以上是筆者在工作期間接觸到比較常見的齒輪的幾種失效情況，希望對從事齒輪生產(chǎn)設計的同行有借鑒作用。
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