大型弧齒錐齒輪端面掉渣的分析

盧佳

摘 要：齒輪是工業生產中應用極為廣泛的一種零部件，尤其是大型弧齒錐齒輪加工難度大、應用范圍廣，更是需要對大型弧齒錐齒輪的生產引起足夠的重視。我公司生產的弧齒錐齒輪中的從動輪，硬切后全部于齒的小端端面、在700C銳角處一側產生掉渣。其數量達到齒數的50%，掉渣尺寸約為10×8×（1.5～0.5）。本文在完成大型弧齒錐齒輪生產工藝進行分析的基礎上通過采用外觀觀察、金相分析等的手段對大型弧齒錐齒輪端面掉渣的原因進行分析。

關鍵詞：工藝分析；掉渣原因；質量

中圖分類號：TG115 文獻標識碼：A

1.大型弧齒錐齒輪生產工藝分析

1.1 大型弧齒錐齒輪生產工藝及質量檢測。大型弧齒錐齒輪的生產工藝如下：毛坯件的鍛造-對鍛造完成后的毛坯件進行正火-對毛坯件進行粗車-將粗車完成后的毛坯件調質-半精車銑齒滲碳-熱處理淬火及回火-精車-使用內圓磨磨內孔-精銑齒（硬切），大型弧齒錐齒輪的材質為20CrMnMo。大型弧齒錐齒輪在生產過程中如未經過滲碳、淬火或回火等熱處理的情況下將會導致大型弧齒錐齒輪中的部分輪齒出現掉渣現象，據統計，大型弧齒錐齒輪中出現掉渣的輪齒占據到總齒數的50%以上，嚴重影響了公司產品外觀及產品質量，給公司造成了巨大的經濟損失。通過對掉渣區域進行觀察分析懷疑是由于熱處理不當所導致的，例如：正火或調質等也會使得大型弧齒錐齒輪輪齒的硬度無法達到生產要求，從而會使得大型弧齒錐齒輪的輪齒產生掉渣問題。

1.2 對于大型弧齒錐齒輪中的掉渣輪齒進行外觀分析。通過對大型弧齒錐齒輪的輪齒掉渣斷口進行外觀分析判斷，初步懷疑大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣主要是由于輪齒的韌性不足并產生的斷裂所造成的，通過對大型弧齒錐齒輪輪齒的斷口進行外觀觀察發現端口處的晶粒粗大，造成這一現象的原因主要是由于韌性開裂所造成的。

1.3 使用顯微鏡等對大型弧齒錐齒輪輪齒端口處進行微觀分析。通過對大型弧齒錐齒輪輪齒的掉渣試樣使用電鏡進行觀察，發現在試樣中的白色（低碳馬氏體）的基體上均勻分布著黑色團狀（鞋履狀）組織。通過對大型弧齒錐齒輪輪齒試樣的基體硬度進行檢測確定其硬度為HV478（HRC48）及HV458（HRC46.5）；黑色組織硬度為HV362（HRC38.5）。對大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣使用金相分析后來確定試樣中的黑色組織及基體組織中的化學成分及其相對含量，通過使用金相分析來測定大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣中的黑色組織及基體的碳（C），鐵（Fe）相對含量值，通過測定的數據表明試樣中的黑色組織中的碳含量是基體中的碳含量的4倍左右，而黑色組織中的鐵含量則與此相反，從而對大型弧齒錐齒輪輪齒的強度產生較大的影響。在對大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣使用電鏡觀察后，為更好地對大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣進行觀察通過對試樣進行3次拋光腐蝕后，使用光學顯微鏡對大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣進行觀測后發現試樣中的發現黑色團狀已經消失不見，在觀測中存在較多的是金屬裂紋和夾雜在其中的非金屬物質，通過對金屬裂紋進行細致的觀察后發現，金屬裂紋的起始端多開始于夾雜在其中的非金屬物質的尖角處的，在這些大裂紋產生的同時也會派生出一些細小的金屬裂紋。通過對大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣的渣斷口使用電鏡二次成像，顯示了韌性斷裂的韌性斷口，在電鏡顯示下發現大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣的晶粒大小不均勻，出現了混晶現象。對大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣使用電鏡二次成像所獲得的圖像中可以看出其中所分布的小晶粒與大晶粒兩者之間相比差3倍；對于對大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣斷口處進行局部放大3次電子像進行分析能夠更進一步表明韌性斷口及穿晶斷裂。

2.大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣原因的分析與討論

2.1 大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣中的黑色組織及其形成。對大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣進行金相分析后發現，大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣中的黑色組織其主要化學成分是碳，其所形成的物質是純碳而不是碳的化合物等，由于純碳的硬度不高，通過對大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣中的黑色組織進行硬度測定后發現其硬度僅有HRC38.5，遠遠無法達到大型弧齒錐齒輪輪齒所需要的硬度，碳化合物的硬度較高，如其所形成的是碳化合物則對其進行硬度測定后硬度測量數據要遠遠高于HRC38.5這一硬度數據，此外，在后續對大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣進行觀測中，通過對其進行3次拋光后發現其已消失不不見，造成大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣中所產生的黑色組織主要是由于在滲碳處理的過程中，爐氣滲入所形成的，對大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣進行3次拋光后黑色組織消失則說明所形成的黑色組織層很薄。

2.2 大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣中裂紋的產生原因分析。通過對大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣進行電鏡觀測后發現造成大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣裂紋產生主要來自于大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣中所含有的非金屬夾雜物的尖端，這些尖端所產生的裂紋在經過后期的熱處理后在熱應力的作用下會使得裂紋擴展，大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣中的大裂紋及小裂縫充分說明了這一問題，此外，在大型弧齒錐齒輪輪齒的機械加工過程中，外界機械作用力也會使得裂紋得到擴展，大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣處于臨界狀態，其強度會受到較大的影響，最終只要用手觸摸便脫落下來。

2.3 鍛件質量缺陷是造成大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣問題的主要原因。在大型弧齒錐齒輪的制造過程中，大型弧齒錐齒輪齒坯鍛件的利用率過高時，鍛造時將冒口內的非金屬夾雜物鍛打到了齒坯中，在鍛造的過程中粗墩加工僅僅是將鋼錠中心部位都打到齒坯內孔周圍，從而使得大型弧齒錐齒輪的小端中含有較多的非金屬雜質，在大型弧齒錐齒輪毛坯件的加工過程中如仍采用原先的鍛造工藝將無法將這些非金屬雜質打碎，疏松未有焊合，形成了大量的顯微裂紋策源地，這些非金屬雜質周邊在鍛造的過程中會產生嚴重的應力積聚，當毛坯件完成鍛造后這些積聚的應力釋放后將會產生顯微裂紋。

2.4 大型弧齒錐齒輪輪齒中的晶粒不均勻現象是導致掉渣現象的另一個主要原因。大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣試樣中的混晶是滲碳齒輪鍛件加工生產中必然會產生的缺陷，為消除這一缺陷需要對大型弧齒錐齒輪毛坯件進行相應的熱處理（等溫正火或高溫正火+高溫回火加以消除），通過上述熱處理措施使得晶粒獲得等軸晶粒的細片狀珠光體。熱處理不到位未能形成均勻的晶粒結構是造成大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣的另一個主要原因之一。

大型弧齒錐齒輪輪齒掉渣的主要原因是由于毛坯件在鍛造不到位且在進廠后并未采取熱處理措施來消除其中的混晶現象，致使鍛件的強度降低，同時由于鍛造比設置不合理為大型弧齒錐齒輪形成黑色組織埋下了隱患。掉渣時由于齒坯先天性裂紋引起的，而此裂紋起源于夾雜物的尖角及疏松未焊合處的顯微裂紋。黑色組織是游離碳，不是化合碳（Fe3c），它來自于滲碳氣氛中碳原子。

結語

大型弧齒錐齒輪的加工制造是一項復雜的工作，需要各加工環節緊密配合，其需是熱處理是大型弧齒錐齒輪加工中的重要一環，為提高大型弧齒錐齒輪的加工質量，需要嚴把質量關，做好大型弧齒錐齒輪加工中的各個環節的質量把控，尤其是要對大型弧齒錐齒輪加工中的熱處理工藝引起足夠的重視。

參考文獻

[1]虞忠順，辛愛平，李寶峰，等.成形法加工弧齒錐齒輪的齒廓誤差計算[J].機械傳動，2007，31（3）：97-99.

[2]徐彥偉，肖鐵嶺，魏巍，等.弧齒錐齒輪大輪齒頂倒角加工模型與虛擬加工[J].農業機械學報，2008，39（9）：161-165.