曲柄壓力機(jī)齒輪材料的選用

盛 娟，吳 強(qiáng)，馮全保

（江蘇省徐州鍛壓機(jī)床廠集團(tuán)有限公司，江蘇 徐州 221116）

1 概述

齒輪傳動(dòng)因其可傳遞大扭矩，又具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、壽命較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械壓力機(jī)和其他許多機(jī)械中獲得了廣泛應(yīng)用，其中用的最多的是圓柱齒輪傳動(dòng)。

在齒輪材料選用中，不僅要考慮材料性能能夠適應(yīng)其工作條件，使其經(jīng)久耐用，而且要考慮材料有較好的加工工藝性和經(jīng)濟(jì)性，以提高零件生產(chǎn)率，降低成本，減少消耗。如果齒輪材料選擇不當(dāng)，則會(huì)出現(xiàn)零件過早損傷，甚至失效。

齒輪傳動(dòng)一般遇到的問題有：齒面磨損、牙齒折斷、倒牙、點(diǎn)蝕和振動(dòng)噪聲等。對(duì)于一些精密機(jī)械，齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性能往往是主要的。而對(duì)于機(jī)械壓力機(jī)，由于齒輪必須承受較大的載荷，而轉(zhuǎn)速又不高，所以齒輪失效是主要矛盾，傳動(dòng)平穩(wěn)性是次要矛盾。

因此，對(duì)于機(jī)械壓力機(jī)的齒輪傳動(dòng)有如下基本要求：①足夠的承載能力。既要盡可能縮小齒輪的尺寸，采用常用的材料，又要保證能夠承受外載荷的作用，并且有足夠的使用壽命。②必要的傳動(dòng)平穩(wěn)性能。齒輪傳動(dòng)過程中產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲要在允許的范圍內(nèi)，不能過大。

圖1為機(jī)械壓力機(jī)中最為典型的一種齒輪結(jié)構(gòu)示意圖。

從圖1可看出，對(duì)于機(jī)械壓力機(jī)齒輪傳動(dòng)，齒輪為單側(cè)受載，彎曲應(yīng)力為脈沖循環(huán)。

圖1 齒輪結(jié)構(gòu)示意圖

2 機(jī)械壓力機(jī)齒輪的主要失效形式及計(jì)算校核

根據(jù)機(jī)械壓力機(jī)的齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)，通常在計(jì)算校核時(shí)不必進(jìn)行接觸強(qiáng)度計(jì)算，主要計(jì)算彎曲強(qiáng)度。但是還應(yīng)注意到，在牙齒彎曲疲勞折斷之前，由于齒輪的短時(shí)超載（在壓力機(jī)上一般允許超載10%），在齒面上可能產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力，造成表面塑性變形（對(duì)于齒面硬度HB＜350的鋼制齒輪）或脆性破壞（對(duì)于齒面硬度HB＞350的鋼制齒輪和鑄鐵齒輪）。因此，為避免上述現(xiàn)象的出現(xiàn)，應(yīng)在計(jì)算校核彎曲強(qiáng)度之后，再核驗(yàn)超載時(shí)的表面接觸應(yīng)力。

2.1 預(yù)選齒輪模數(shù)

可由下式預(yù)選齒輪模數(shù)：

式中：Mn2——大齒輪所需傳遞的扭矩（N·m），在計(jì)算低速級(jí)時(shí)，對(duì)單點(diǎn)壓力機(jī)Mn2=Mg（Mg為曲軸上公稱扭矩），對(duì)雙點(diǎn)壓力機(jī)，Mn2=0.6Mg；

ψm——齒寬系數(shù)，ψm=B/m，B為齒寬。目前國(guó)產(chǎn)壓力機(jī)，ψm在8～18范圍內(nèi)。對(duì)一級(jí)齒輪傳動(dòng)，ψm可取 13～15；對(duì)兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，ψm可取 10～13；對(duì)人字齒輪傳動(dòng)，ψm可取 17～22；

z2——大齒輪齒數(shù)。

上式中的系數(shù)（2.8～3.5）在一般情況下可取3.15，在齒輪材料及熱處理?xiàng)l件較好的情況下可取2.8，在條件較差時(shí)可取3.5。

對(duì)于斜齒輪，按式（1）算得的模數(shù)是端面模數(shù)ms，需換算成法向模數(shù)mn（mn=mscosβ，β為螺旋角），再選取模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值。

2.2 校核齒輪彎曲強(qiáng)度

其計(jì)算式為：

式中：σw——齒輪齒根處彎曲應(yīng)力；

Mn1——小齒輪所受扭矩，i傳動(dòng)速比；

Cw——彎曲應(yīng)力系數(shù)，，z1為小齒輪齒數(shù)，α為齒輪壓力角；

Y——齒形系數(shù)；

M——齒輪模數(shù)；

B——齒寬；

Kj——載荷集中系數(shù)；

Kd——?jiǎng)虞d系數(shù)；

[σw]——許用彎曲應(yīng)力，參見表1、表2。

表1 許用應(yīng)力表

表2 現(xiàn)有壓力機(jī)齒輪常用材料和計(jì)算彎曲應(yīng)力

2.3 接觸強(qiáng)度校核

在閉式傳動(dòng)中的齒輪，需要核算一下接觸強(qiáng)度，特別是對(duì)軟齒面的閉式傳動(dòng)齒輪，容易產(chǎn)生點(diǎn)蝕破壞。

齒輪齒面的接觸強(qiáng)度公式為：

式中：B——齒寬；

A——兩齒輪中心距；

Cjc——接觸應(yīng)力系數(shù)，，i傳動(dòng)速比，Ed為當(dāng)量彈性模量；α為齒輪壓力角；

a——齒形系數(shù)，直齒圓柱齒輪，a=1；斜齒圓柱齒輪，a=0.88～0.93（對(duì)應(yīng)于螺旋角β=20～6°）；

σjc——計(jì)算接觸應(yīng)力；

[σjc]——許用接觸應(yīng)力。

3 壓力機(jī)齒輪材料選擇要求

根據(jù)機(jī)械壓力機(jī)齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)，對(duì)其齒輪要求為齒面硬、芯部韌。

常用齒輪材料分為鋼件及鑄鐵件，其中若采用鑄鋼件，通常為了改善性能采用合金鋼。

鋼材韌性好，耐沖擊，可通過熱處理和化學(xué)處理來改善其機(jī)械性能，最適于用來制造齒輪。

考慮工作條件、載荷性質(zhì)、經(jīng)濟(jì)性、制造方法等篩選出如下齒輪材料供選擇參考。

表3 許用接觸應(yīng)力

圖2 機(jī)械壓力機(jī)齒輪材料

4 機(jī)械壓力機(jī)齒輪熱處理工藝

選擇適當(dāng)?shù)牟牧希瑫r(shí)要選擇適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚒凝X輪特性來說可分成兩種狀態(tài)，一種是軟齒面，一種是硬齒面，下面分別介紹。

（1）軟齒面。①調(diào)質(zhì)：用于中碳或中碳合金鋼，如45、40Cr、35SiMn等。因?yàn)橛捕炔桓撸士稍跓崽幚砗缶旋X形，且在使用中易于跑合。②正火：能消除內(nèi)應(yīng)力、細(xì)化晶粒、改善力學(xué)性能和切削性能。機(jī)械強(qiáng)度要求不高的齒輪可用中碳鋼正火處理。大直徑的齒輪可用鑄鋼正火處理。

（2）硬齒面。①表面淬火：用于中碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr等。表面淬火后輪齒變形小，可不磨齒，硬度可達(dá)52～56HRC，面硬芯軟，能承受一定沖擊載荷。②滲碳淬火：滲碳鋼為含碳量0.15%～0.25%的低碳鋼和低碳合金鋼，如20、20Cr等。齒面硬度達(dá)56～62HRC，齒面接觸強(qiáng)度高，耐磨性好，齒芯韌性高。常用于受沖擊載荷的重要傳動(dòng)。通常滲碳淬火后要磨齒。③表面氮化：一種化學(xué)處理方法。滲氮后齒面硬度可達(dá)60～62HRC。氮化處理溫度低，輪齒變形小，適用于難以磨齒的場(chǎng)合，如內(nèi)齒輪。材料為38CrMoAlA。

注意：當(dāng)大小齒輪都是軟齒面時(shí)，因小輪齒根薄，彎曲強(qiáng)度低，故在選材和熱處理時(shí)，小輪比大輪硬度高30～50HBS。表面淬火、滲碳淬火、滲氮處理后齒面硬度高，屬硬齒面。其承載能力高，但一般需要磨齒。常用于結(jié)構(gòu)緊湊的場(chǎng)合。

5 某公司幾種典型曲柄壓力機(jī)齒輪校核數(shù)據(jù)（表4）

表4 J21系列產(chǎn)品大齒輪校核數(shù)據(jù)

材料：ZG35SiMn

熱處理：正火，表面淬火，回火。

6 總結(jié)及建議

通過理論計(jì)算，參考實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)一般曲柄壓力機(jī)，小齒輪可選擇45號(hào)鋼或40Cr，熱處理方面進(jìn)行調(diào)質(zhì)+淬火；大齒輪可選擇較為經(jīng)濟(jì)的ZG45或ZG35SiMn，熱處理工藝可以正火或者調(diào)質(zhì)。對(duì)于要求較高的精密壓力機(jī)，大齒輪可進(jìn)行淬火+磨齒工藝，提高齒輪的承載能力，同時(shí)提高其傳動(dòng)的平穩(wěn)性。

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