闡析減速機(jī)高速齒輪軸的斷裂

楊　麗　趙雅東（北方重工集團(tuán)有限公司傳動(dòng)設(shè)備分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110860）

闡析減速機(jī)高速齒輪軸的斷裂

楊麗趙雅東
（北方重工集團(tuán)有限公司傳動(dòng)設(shè)備分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110860）

摘 要：減速機(jī)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和高速齒輪軸有著直接的關(guān)系。因此認(rèn)真的研究減速機(jī)的高速齒輪軸的性能和易出現(xiàn)故障的位置非常有必要。本文就通過(guò)闡述減速機(jī)高速齒輪軸的斷裂位置進(jìn)行具體的分析。我們要分析高速齒輪軸的斷裂裂口的宏觀特征，同時(shí)要分析齒輪軸的表面金相組織及化學(xué)成分，通過(guò)這些物理學(xué)的性質(zhì)來(lái)進(jìn)行測(cè)試。本文的數(shù)據(jù)全部是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得來(lái)的。通常減速機(jī)的高速齒輪軸的材質(zhì)為42CrMo。但是在實(shí)際的生產(chǎn)中，生產(chǎn)廠家往往會(huì)通過(guò)類似的材質(zhì)來(lái)進(jìn)行替換，為的就是節(jié)省成本。但是替代齒輪軸的材質(zhì)通過(guò)熱處理后，硬度還是達(dá)不到要求。本文就是針對(duì)這方面的內(nèi)容來(lái)進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：減速機(jī)；高速齒輪軸；斷裂；失效；魏氏體組織

本文運(yùn)用實(shí)際生產(chǎn)中的實(shí)際例子進(jìn)行說(shuō)明。一家生產(chǎn)減速機(jī)備件的廠家，在生產(chǎn)齒輪軸后的實(shí)際應(yīng)用中，出現(xiàn)了軸斷裂的現(xiàn)象。查找設(shè)計(jì)部門設(shè)計(jì)的齒輪軸的材質(zhì)和相關(guān)的技術(shù)要求，齒輪軸的生產(chǎn)材質(zhì)是42CrMo的鍛鋼件，齒輪軸的硬度在HB272-301，在進(jìn)行加工的前期要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。在調(diào)質(zhì)后，要從宏觀上觀察齒輪軸的端口位置的金相組織。認(rèn)真的進(jìn)行相應(yīng)的觀察來(lái)有效的避免類似齒輪軸的斷裂。用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)論證齒輪軸的理論支持。

關(guān)于減速機(jī)高速齒輪軸的試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果的分析和論述，本文從四個(gè)方面進(jìn)行論述。第一個(gè)方面是減速機(jī)高速齒輪軸的端口位置宏觀金相的觀察結(jié)果。第二個(gè)方面是減速機(jī)高速齒輪軸的金相的化學(xué)成分結(jié)果。第三個(gè)方面是減速機(jī)高速齒輪軸金相的金屬顯微組織。第四個(gè)方面是減速機(jī)高速齒輪軸的硬度檢測(cè)。下面進(jìn)行詳細(xì)的分析和闡述。

（1）簡(jiǎn)述減速機(jī)高速齒輪軸的端口位置宏觀金相的觀察結(jié)果。

減速機(jī)高速齒輪軸最容易發(fā)生斷裂的位置就是軸和軸之間的結(jié)構(gòu)過(guò)渡位置和連接位置。在軸和軸連接的位置是軸徑發(fā)生變化的位置，軸最容易斷裂的位置是軸徑最小的位置。軸和軸之間的連接位置的圓角由于結(jié)構(gòu)的不同會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的為題。這是由于軸的截面的形狀的改變和軸間處的位置的相對(duì)幾何位置關(guān)系一直處于一種垂直的狀態(tài)，這種結(jié)構(gòu)必然會(huì)形成應(yīng)力的響度集中問(wèn)題。齒輪軸的端口位置的常見(jiàn)的形態(tài)就是兩種，第一種是具體很高的脆度；第二種是端面的平整度較高。在實(shí)際的常見(jiàn)問(wèn)題中，集中扭轉(zhuǎn)應(yīng)力引發(fā)的齒輪軸的斷裂是較為常見(jiàn)的一種。

齒輪軸出現(xiàn)斷裂的最根本的原因是受到了外力的影響，同時(shí)齒輪軸的鍵槽位置也是一個(gè)非常重要的斷裂原因。根據(jù)試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)可知，軸的受力和軸的半徑的尺寸大小呈現(xiàn)出一種反比例的關(guān)系。這也就是說(shuō)，軸的軸徑越小會(huì)承受較大的外部應(yīng)力。齒輪軸的鍵槽的根部是整個(gè)軸的軸徑最小的位置，因此這個(gè)位置會(huì)常常出現(xiàn)外部應(yīng)力相對(duì)集中的現(xiàn)象，承受的拉力過(guò)大就導(dǎo)致了齒輪軸的鍵槽位置發(fā)生斷裂。齒輪軸的鍵槽位置一旦沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)的熱處理工藝，就會(huì)出現(xiàn)由于應(yīng)力疲勞產(chǎn)生的裂紋，這種情況對(duì)于齒輪軸的危害是非常大的，這樣會(huì)導(dǎo)致齒輪軸的提前失效，大大的減小了齒輪軸的使用壽命，進(jìn)而影響了整個(gè)減速機(jī)的使用性能。齒輪軸的斷裂位置外部表現(xiàn)為裂紋的位置較為光滑，同時(shí)裂紋的延伸位置面積較大，常見(jiàn)的裂紋延伸面積可能達(dá)到了整個(gè)齒輪軸的2/3。在靠近裂紋的瞬間斷裂位置，常常位于軸和軸連接軸徑發(fā)生變化的位置，這種瞬間斷裂的區(qū)間，面積不大，同時(shí)齒輪軸的表面不光滑。通過(guò)這種現(xiàn)象我們可以初步斷定，齒輪軸的斷裂現(xiàn)象是由于應(yīng)力疲勞引發(fā)的。

（2）簡(jiǎn)述減速機(jī)高速齒輪軸的金相的化學(xué)成分結(jié)果。

針對(duì)齒輪軸的金相的化學(xué)成分的分析，我們?cè)谠囼?yàn)中使用的測(cè)量?jī)x器是直讀光譜儀，其型號(hào)是ARC-MET8000。通過(guò)直讀光譜儀的數(shù)據(jù)研究，我們就會(huì)得出相應(yīng)的金相結(jié)果并整理出相應(yīng)的金相數(shù)據(jù)表格。根據(jù)試驗(yàn)得出，此次斷裂的齒輪軸采用的材質(zhì)不是設(shè)計(jì)圖紙中要求的42CrMo，而是采用的50號(hào)鋼，這種調(diào)質(zhì)鋼的硬度和各種物理性能都沒(méi)有42CrMo的材質(zhì)性能好。

（3）簡(jiǎn)述減速機(jī)高速齒輪軸金相的金屬顯微組織。

關(guān)于這部分的金屬顯微組織的觀察，我們首先要進(jìn)行齒輪軸的取樣處理，將取樣的齒輪軸樣品用硝酸溶液進(jìn)行腐蝕處理，試驗(yàn)中使用的硝酸溶液的濃度為4.2%。在硝酸溶液的使用中搭配酒精，這兩者的混合溶液的腐蝕效果是非常好的。在腐蝕處理一段時(shí)間后，我們使用金相顯微鏡進(jìn)行齒輪軸樣品的觀察。斷裂的齒輪軸的顯微組織顯示的物理結(jié)構(gòu)是網(wǎng)狀分布的鐵素體，同時(shí)還伴有片狀的珠光體。這些現(xiàn)象和42CrMo的物理現(xiàn)象是非常不符的。42CrMo的顯微鏡顯示是回火索氏體，同時(shí)伴有少量的鐵素體，這種現(xiàn)象就表明了本次使用的齒輪軸的生產(chǎn)材質(zhì)并不是圖紙中要求的42CrMo，而是普通鍛鋼50號(hào)鋼，同時(shí)還沒(méi)有按照?qǐng)D紙的技術(shù)要求進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)質(zhì)處理。

索氏體經(jīng)過(guò)相應(yīng)的調(diào)質(zhì)處理后，顯示出較高的強(qiáng)度，同時(shí)韌性也是非常好的。這種性能就決定了齒輪軸加工后的零件具有非常好的韌性和強(qiáng)度。高韌性和高強(qiáng)度就決定了齒輪軸的抗斷裂性非常好，有保障。鋼的抗拉強(qiáng)度并不會(huì)由于魏氏組織的存在而發(fā)生顯著地變化，但是對(duì)于鋼的塑性的降低卻有著很明顯的影響。尤其是抗沖擊的韌度，在很大程度上有所降低。經(jīng)常伴隨魏氏組織共同出現(xiàn)的便是體積很大的奧氏體晶粒，對(duì)于鋼的力學(xué)性能也有很大程度的影響。魏氏組織是由于在加熱過(guò)程中沒(méi)有進(jìn)行好對(duì)于溫度的控制操作，溫度過(guò)于高所導(dǎo)致的。

魏氏體的組織會(huì)通過(guò)不同的溫度產(chǎn)生不同的性能，一旦溫度處理的過(guò)高就會(huì)導(dǎo)致齒輪軸的性能中的韌性降低，從而導(dǎo)致了齒輪軸容易出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。

（4）簡(jiǎn)述減速機(jī)高速齒輪軸的硬度檢測(cè)。

通過(guò)一系列的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，斷裂的齒輪中的硬度是210HB，這種硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙要求的齒輪軸的硬度在HB272-301的范圍內(nèi)，這種硬度條件就從側(cè)面上印證了斷裂的齒輪軸沒(méi)有按照設(shè)計(jì)圖紙中要求的調(diào)質(zhì)熱處理進(jìn)行生產(chǎn)，還有可能直接忽視了調(diào)質(zhì)處理這一工藝過(guò)程。

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