大型弧齿锥齿轮端面掉渣的分析

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摘 要：齿轮是工业生产中应用极为广泛的一种零部件，尤其是大型弧齿锥齿轮加工难度大、应用范围广，更是需要对大型弧齿锥齿轮的生产引起足够的重视。我公司生产的弧齿锥齿轮中的从动轮，硬切后全部于齿的小端端面、在700C锐角处一侧产生掉渣。其数量达到齿数的50%，掉渣尺寸约为10×8×（1.5～0.5）。本文在完成大型弧齿锥齿轮生产工艺进行分析的基础上通过采用外观观察、金相分析等的手段对大型弧齿锥齿轮端面掉渣的原因进行分析。

关键词：工艺分析；掉渣原因；质量

中图分类号：TG115 文献标识码：A

1.大型弧齿锥齿轮生产工艺分析

1.1 大型弧齿锥齿轮生产工艺及质量检测。大型弧齿锥齿轮的生产工艺如下：毛坯件的锻造-对锻造完成后的毛坯件进行正火-对毛坯件进行粗车-将粗车完成后的毛坯件调质-半精车铣齿渗碳-热处理淬火及回火-精车-使用内圆磨磨内孔-精铣齿（硬切），大型弧齿锥齿轮的材质为20CrMnMo。大型弧齿锥齿轮在生产过程中如未经过渗碳、淬火或回火等热处理的情况下将会导致大型弧齿锥齿轮中的部分轮齿出现掉渣现象，据统计，大型弧齿锥齿轮中出现掉渣的轮齿占据到总齿数的50%以上，严重影响了公司产品外观及产品质量，给公司造成了巨大的经济损失。通过对掉渣区域进行观察分析怀疑是由于热处理不当所导致的，例如：正火或调质等也会使得大型弧齿锥齿轮轮齿的硬度无法达到生产要求，从而会使得大型弧齿锥齿轮的轮齿产生掉渣问题。

1.2 对于大型弧齿锥齿轮中的掉渣轮齿进行外观分析。通过对大型弧齿锥齿轮的轮齿掉渣断口进行外观分析判断，初步怀疑大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣主要是由于轮齿的韧性不足并产生的断裂所造成的，通过对大型弧齿锥齿轮轮齿的断口进行外观观察发现端口处的晶粒粗大，造成这一现象的原因主要是由于韧性开裂所造成的。

1.3 使用显微镜等对大型弧齿锥齿轮轮齿端口处进行微观分析。通过对大型弧齿锥齿轮轮齿的掉渣试样使用电镜进行观察，发现在试样中的白色（低碳马氏体）的基体上均匀分布着黑色团状（鞋履状）组织。通过对大型弧齿锥齿轮轮齿试样的基体硬度进行检测确定其硬度为HV478（HRC48）及HV458（HRC46.5）；黑色组织硬度为HV362（HRC38.5）。对大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣试样使用金相分析后来确定试样中的黑色组织及基体组织中的化学成分及其相对含量，通过使用金相分析来测定大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣试样中的黑色组织及基体的碳（C），铁（Fe）相对含量值，通过测定的数据表明试样中的黑色组织中的碳含量是基体中的碳含量的4倍左右，而黑色组织中的铁含量则与此相反，从而对大型弧齿锥齿轮轮齿的强度产生较大的影响。在对大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣试样使用电镜观察后，为更好地对大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣试样进行观察通过对试样进行3次抛光腐蚀后，使用光学显微镜对大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣试样进行观测后发现试样中的发现黑色团状已经消失不见，在观测中存在较多的是金属裂纹和夹杂在其中的非金属物质，通过对金属裂纹进行细致的观察后发现，金属裂纹的起始端多开始于夹杂在其中的非金属物质的尖角处的，在这些大裂纹产生的同时也会派生出一些细小的金属裂纹。通过对大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣试样的渣断口使用电镜二次成像，显示了韧性断裂的韧性断口，在电镜显示下发现大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣试样的晶粒大小不均匀，出现了混晶现象。对大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣试样使用电镜二次成像所获得的图像中可以看出其中所分布的小晶粒与大晶粒两者之间相比差3倍；对于对大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣试样断口处进行局部放大3次电子像进行分析能够更进一步表明韧性断口及穿晶断裂。

2.大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣原因的分析与讨论

2.1 大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣试样中的黑色组织及其形成。对大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣试样进行金相分析后发现，大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣试样中的黑色组织其主要化学成分是碳，其所形成的物质是纯碳而不是碳的化合物等，由于纯碳的硬度不高，通过对大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣试样中的黑色组织进行硬度测定后发现其硬度仅有HRC38.5，远远无法达到大型弧齿锥齿轮轮齿所需要的硬度，碳化合物的硬度较高，如其所形成的是碳化合物则对其进行硬度测定后硬度测量数据要远远高于HRC38.5这一硬度数据，此外，在后续对大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣试样进行观测中，通过对其进行3次抛光后发现其已消失不不见，造成大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣试样中所产生的黑色组织主要是由于在渗碳处理的过程中，炉气渗入所形成的，对大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣试样进行3次抛光后黑色组织消失则说明所形成的黑色组织层很薄。

2.2 大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣试样中裂纹的产生原因分析。通过对大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣试样进行电镜观测后发现造成大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣试样裂纹产生主要来自于大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣试样中所含有的非金属夹杂物的尖端，这些尖端所产生的裂纹在经过后期的热处理后在热应力的作用下会使得裂纹扩展，大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣试样中的大裂纹及小裂缝充分说明了这一问题，此外，在大型弧齿锥齿轮轮齿的机械加工过程中，外界机械作用力也使得裂纹得到扩展，大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣处于临界状态，其强度会受到较大的影响，最终只要用手触摸便脱落下来。

2.3 锻件质量缺陷是造成大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣问题的主要原因。在大型弧齿锥齿轮的制造过程中，大型弧齿锥齿轮齿坯锻件的利用率过高时，锻造时将冒口内的非金属夹杂物锻打到了齿坯中，在锻造的过程中粗墩加工仅仅是将钢锭中心部位都打到齿坯内孔周围，从而使得大型弧齿锥齿轮的小端中含有较多的非金属杂质，在大型弧齿锥齿轮毛坯件的加工过程中如仍采用原先的锻造工艺将无法将这些非金属杂质打碎，疏松未有焊合，形成了大量的显微裂纹策源地，这些非金属杂质周边在锻造的过程中会产生严重的应力积聚，当毛坯件完成锻造后这些积聚的应力释放后将会产生显微裂纹。

2.4 大型弧齿锥齿轮轮齿中的晶粒不均匀现象是导致掉渣现象的另一个主要原因。大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣试样中的混晶是渗碳齿轮锻件加工生产中必然会产生的缺陷，为消除这一缺陷需要对大型弧齿锥齿轮毛坯件进行相应的热处理（等温正火或高温正火+高温回火加以消除），通过上述热处理措施使得晶粒获得等轴晶粒的细片状珠光体。热处理不到位未能形成均匀的晶粒结构是造成大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣的另一个主要原因之一。

大型弧齿锥齿轮轮齿掉渣的主要原因是由于毛坯件在锻造不到位且在进厂后并未采取热处理措施来消除其中的混晶现象，致使锻件的强度降低，同时由于锻造比设置不合理为大型弧齿锥齿轮形成黑色组织埋下了隐患。掉渣时由于齿坯先天性裂纹引起的，而此裂纹起源于夹杂物的尖角及疏松未焊合处的显微裂纹。黑色组织是游离碳，不是化合碳（Fe3c），它来自于渗碳气氛中碳原子。

结语

大型弧齿锥齿轮的加工制造是一项复杂的工作，需要各加工环节紧密配合，其需是热处理是大型弧齿锥齿轮加工中的重要一环，为提高大型弧齿锥齿轮的加工质量，需要严把质量关，做好大型弧齿锥齿轮加工中的各个环节的质量把控，尤其是要对大型弧齿锥齿轮加工中的热处理工艺引起足够的重视。

参考文献

[1]虞忠顺，辛爱平，李宝峰，等.成形法加工弧齿锥齿轮的齿廓误差计算[J].机械传动，2007，31（3）：97-99.

[2]徐彦伟，肖铁岭，魏巍，等.弧齿锥齿轮大轮齿顶倒角加工模型与虚拟加工[J].农业机械学报，2008，39（9）：161-165.