關(guān)于齒輪傳動(dòng)部件的失效分析

郝豐林，宋東野

江蘇雙環(huán)齒輪有限公司 江蘇淮安 223200

齒輪工作條件復(fù)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(yùn)轉(zhuǎn)過程中，在齒根產(chǎn)生彎曲應(yīng)力；在齒面產(chǎn)生接觸應(yīng)力；齒面間的相對(duì)滑動(dòng)摩擦而產(chǎn)生磨損。有時(shí)齒輪由于安裝或設(shè)計(jì)的問題，齒側(cè)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(yīng)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(chǎng)合，有不同的失效形式。對(duì)于齒輪失效主要是表面接觸疲勞失效，分為：麻點(diǎn)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(guān)文獻(xiàn)資料統(tǒng)計(jì)，35年中的931個(gè)齒輪損壞實(shí)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(duì)這方面的模式進(jìn)行逐一分析。

1 熱處理后心部硬度或高或低

由于變形要求嚴(yán)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(dá)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?；蛴捎谶x材不當(dāng)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。

改善辦法：

1）對(duì)于花鍵要求嚴(yán)格，可以采用熱處理后硬拉，達(dá)到尺寸合格要求。

2）對(duì)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。

3）對(duì)于非馬氏體超標(biāo)的齒輪進(jìn)行強(qiáng)力噴丸。

2 表面組織不良

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(duì)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(dāng)、熱處理前清洗不良、使用的淬火冷卻介質(zhì)雜質(zhì)太多等。對(duì)碳化物及殘留奧氏體超差主要是熱處理工藝不當(dāng)。

改善辦法：

1）選擇合適淬透性的材料。

2）選用冷速合適的淬火油。

3）使用專用熱處理工裝。

4）使用有機(jī)清洗劑。

5）使用合格的淬火冷卻介質(zhì)。

6）優(yōu)化熱處理工藝。

7）對(duì)于非馬氏體超標(biāo)的齒輪進(jìn)行強(qiáng)力噴丸。

3 齒輪熱處理后磨齒

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(hào)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。

改善辦法：

1）優(yōu)化熱處理工藝。

2）優(yōu)化組織。

3）減少變形。

4）根據(jù)設(shè)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(duì)于齒輪進(jìn)行燒傷檢測(cè)。對(duì)于齒根出現(xiàn)磨削的增加強(qiáng)力噴丸。

圖1 磨齒的失效

4 滲碳淬火后心部組織粗大

對(duì)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

改善辦法：

1）對(duì)于有加工余量的可以采用940～950℃高溫正火。

2）對(duì)于一次正火不合格的材料進(jìn)行二次正火。

3）對(duì)于表面不準(zhǔn)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(duì)于使用滲碳淬火爐的工序增加中冷工藝，這樣可以對(duì)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。

5 齒輪軸類件卡簧槽加工缺陷

齒輪軸類零件設(shè)計(jì)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

改善辦法：

1）使用成形刀具加工，或?qū)τ诳ɑ刹弁糠罎B劑。

2）使用帶有裂紋探測(cè)儀的校直設(shè)備。

6 螺紋齒軸類脆性斷裂

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(dá)不到客戶圖樣要求，需要增加感應(yīng)退火或鹽浴退火。由于退火工藝不當(dāng)造成螺紋二次硬化，在使用過程中造成脆性斷裂（見圖5）。

改善方法：螺紋采用感應(yīng)退火，螺紋退火后放到耐火石棉中緩冷。

圖5 螺紋齒軸類脆性斷裂

7 延遲裂紋和焊接裂紋

有些齒輪與齒軸，熱處理后通過花鍵結(jié)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(shí)由于焊接工藝不當(dāng)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。

改善方法：

1）對(duì)內(nèi)花鍵或內(nèi)孔采取保護(hù)措施，內(nèi)孔涂防滲劑，加堵塞降低內(nèi)孔和內(nèi)花鍵的碳層或表面硬度，來提高內(nèi)孔或內(nèi)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(yù)熱、焊后緩冷的工藝。

8 變形太大導(dǎo)致局部接觸

齒輪熱處理后由于變形太大，精度下降太多，使齒輪在運(yùn)行過程中齒部局部接觸，造成失效。

改善方法：

1）對(duì)于大的盤類零件采取壓淬的措施，保證齒輪精度。

2）對(duì)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。

9 弧齒錐齒輪失效

弧齒錐齒輪熱處理后由于變形太大，齒輪精度等級(jí)降低，在使用過程中局部應(yīng)力過高造成斷齒。或在配對(duì)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。

9.1 弧齒錐齒輪磨損

（1）弧齒錐齒輪輕度磨損 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(tái)階，齒厚沒有明顯變化。

圖6 輕度磨損

產(chǎn)生原因：由于使用不當(dāng)而造成的損壞。

1）潤滑油黏度差，從而造成潤滑油膜厚度不夠。

2）使用時(shí)嚴(yán)重超載。

3）裝配不當(dāng)，如主動(dòng)齒輪軸頸預(yù)緊力不夠、軸承間隙大等，造成齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)軸向竄動(dòng)，使嚙合齒面逐漸磨損從而導(dǎo)致齒輪失效。

（2）弧齒錐齒輪嚴(yán)重磨損 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(tái)階、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲加劇以及齒輪早期失效。

產(chǎn)生原因：系統(tǒng)嚴(yán)重振動(dòng)，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(dǎo)致嚙合齒面大量磨損。

圖7 嚴(yán)重磨損

（3）齒面磨損條紋 如圖8所示，特征為由于摩擦，嚙合齒面沿滑動(dòng)的方向形成較均勻條狀摩擦痕跡，齒輪不能平穩(wěn)運(yùn)行。

產(chǎn)生原因：由于角齒預(yù)緊力不夠，軸向間隙過大，齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)不平衡；或潤滑油被污染，外來的硬質(zhì)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

（4）齒面膠合 如圖9所示，特征為輪齒嚙合面由于嚴(yán)重摩擦而磨損，齒面局部金屬過熱，沿運(yùn)動(dòng)方向出現(xiàn)明顯的撕裂溝槽。

產(chǎn)生原因：潤滑系統(tǒng)嚴(yán)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(dòng)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

9.2 齒面疲勞

（1）早期點(diǎn)蝕 如圖10所示，特征為齒面磨光，齒面呈麻點(diǎn)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(duì)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(kuò)展，最后剝落形成麻點(diǎn)。

產(chǎn)生原因：早期點(diǎn)蝕是由于產(chǎn)品加工質(zhì)量缺陷造成，切削加工時(shí)齒形誤差大、齒面表面粗糙度差、輪齒節(jié)圓與內(nèi)孔不同軸而使輪齒嚙合狀態(tài)差，造成運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(qiáng)度低，從而引起的失效現(xiàn)象。

圖10 麻點(diǎn)剝落

（2）破壞性點(diǎn)蝕 如圖11所示，特征為破壞性點(diǎn)蝕的剝落坑比早期點(diǎn)蝕的相對(duì)大而深，首先出現(xiàn)在靠近節(jié)圓的齒面上，然后不斷擴(kuò)展，最后導(dǎo)致輪齒失效。

產(chǎn)生原因：由于材料或加工及熱處理質(zhì)量問題造成疲勞強(qiáng)度顯著降低，齒面承受的應(yīng)力大于材料強(qiáng)度。隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增多，點(diǎn)蝕不斷擴(kuò)展形成點(diǎn)蝕坑。

圖11 破壞性點(diǎn)蝕

（3）齒面剝落 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(diǎn)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(cè)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(jí)、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(qiáng)度顯著降低。由于運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)齒面的次表層所承受的外應(yīng)力較高，裂紋首先在次表層內(nèi)產(chǎn)生，再向表面延伸和擴(kuò)展，最后形成剝落坑。

圖12 齒面剝落

（4）使用性疲勞 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(diǎn)蝕坑或剝落坑，齒根有磨損臺(tái)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(yīng)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

9.3 塑性變形

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(dòng)方向而沿齒形分布。

產(chǎn)生原因：齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，潤滑不良，油膜厚度不足，齒輪系統(tǒng)振動(dòng)面在工作齒面間產(chǎn)生“爬行”（黏附滑動(dòng)現(xiàn)象）的結(jié)果。

圖14 鱗狀皺紋

9.4 輪齒折斷

（1）異物打壞 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

（2）過載折斷 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(kuò)展區(qū)，斷口呈瞬時(shí)折斷的形貌。

產(chǎn)生原因：由于操作不當(dāng)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(zhì)異物進(jìn)入嚙合處都會(huì)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(duì)于變形大的產(chǎn)品對(duì)研磨后的齒輪進(jìn)行燒傷及表面粗糙度檢測(cè)。對(duì)于變形較大的盤齒進(jìn)行壓淬處理，提高齒輪精度。

10 軸心裂紋

對(duì)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(shí)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(duì)于此類齒輪在粗車后100%進(jìn)行超聲波檢測(cè)。

圖17 精加工裂紋

圖18 軸心裂紋

11 硬化層不均導(dǎo)致裂紋

對(duì)于一些盤類齒輪進(jìn)行感應(yīng)淬火，由于頻率選擇不合適，感應(yīng)器設(shè)計(jì)精度低，機(jī)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(tái)架試驗(yàn)失敗。

改善方法：

1）選擇合適的頻率，采用機(jī)加工感應(yīng)器，保證機(jī)床精度。

2）齒輪感應(yīng)淬火后先對(duì)齒輪進(jìn)行縱剖（見圖19a），檢測(cè)硬化層形狀，根據(jù)形狀對(duì)上下位置進(jìn)行調(diào)整；在齒輪圓周方向按照90°方向切割4塊，檢測(cè)硬化層均勻性（見圖19b）。對(duì)于齒輪上中下3個(gè)位置檢測(cè)硬化層及硬度的均勻性。

3）當(dāng)頻率高時(shí)盡量加強(qiáng)檢測(cè)齒根，當(dāng)頻率低時(shí)盡量檢測(cè)齒頂。

4）對(duì)于感應(yīng)淬火工件要全部進(jìn)行磁粉檢測(cè)，防止裂紋件流到下一工序。

圖19 硬化層檢測(cè)

12 R角、孔口和凸臺(tái)處裂紋

對(duì)于一些軸類零件采用掃描感應(yīng)淬火，由于感應(yīng)器設(shè)計(jì)問題，工藝不當(dāng)造成一些R角位置硬化層不夠，甚至斷開。對(duì)于軸類采用整體感應(yīng)淬火，對(duì)于一些孔口位置、凸臺(tái)等由于尖角效應(yīng)淬火容易出現(xiàn)裂紋，有時(shí)也由于回火不及時(shí)產(chǎn)生延遲裂紋。

改善方法：

1）對(duì)于軸類齒輪感應(yīng)淬火后進(jìn)行縱剖，檢測(cè)硬化層形狀及硬化層均勻性。

2）對(duì)于感應(yīng)淬火后的工件進(jìn)行及時(shí)回火。

3）對(duì)于所有齒輪進(jìn)行磁粉檢測(cè)。

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(duì)從事齒輪生產(chǎn)設(shè)計(jì)的同行有借鑒作用。