諧波傳動減速機柔性齒輪斷裂失效分析

袁峰，黃小明，李浩偉

南京科潤工業介質股份有限公司 江蘇南京 211106

1 序言

諧波傳動減速機以其高減速比、高傳動精度、高承載能力、高傳動效率以及輕便等優異性能，廣泛應用于航空航天、航海、仿生機械、軍械、石油化工、交通運輸及醫療器械等行業，特別是在高動態性能的系統中，采用諧波齒輪傳動更顯示出其優越性。而柔性齒輪作為減速機的主要構件，其性能和使用壽命嚴格意義上決定著整套諧波減速機的性能及使用周期。

2 32-120型諧波減速機測試問題

臺架運行過程中出現異響后，進行拆機檢查，發現諧波發生器正常，未出現卡頓，柔性齒輪出現開裂，剛性齒輪齒面出現擠傷。同時由運行工況（見表1）可知，該減速機已運行了23天（正常運行時間應≥60天）[1]，因此判斷該問題屬于低周疲勞斷裂。檢測重復定位精度跳動如圖1所示。以下將主要對柔性齒輪進行系統分析。

圖1 重復定位精度跳動

表1 32-120型諧波減速機運行工況

3 柔性齒輪分析

32-120型諧波減速機的柔性齒輪結構如圖2所示。其材料選用SNCM439鋼（相當于40CrNiMoA鋼），化學成分見表2。采用真空爐加熱+KR328真空專用淬火油熱處理，工藝見圖3）。產品處理后安裝到32-120諧波減速機中進行臺架運行試驗。

圖3 熱處理工藝

表2 SNCM439鋼化學成分（質量分數） （%）

圖2 柔性齒輪

3.1 齒面嚙合情況分析

柔性齒輪和剛性齒輪的齒面嚙合形貌如圖4、圖5所示，從中可看出以下情況。

圖4 柔性齒輪嚙合形貌

圖5 剛性齒輪嚙合形貌

1）柔性齒輪裂紋產生在齒輪根部和右齒面，是在順時針旋轉時產生的。

2）在柔性齒輪斷裂齒的下面，兩個齒無接觸痕跡，導致齒的實際嚙合齒數減少，增加了齒的嚙合受力。

3）鋼性齒輪齒面被柔性齒輪擠傷，擠傷部位對應柔性齒輪齒面開裂位置。

3.2 柔性齒輪裂紋宏觀形貌及裂紋源

圖6、圖7所示為柔性齒輪裂紋及裂紋開裂的宏觀形貌，從中可看出，裂紋從齒部（齒根、齒面）開裂至筒體部分，開口逐漸變細小，裂紋源在齒部位置。柔性齒輪斷裂方式與常規齒輪裂紋擴展斷裂方式一致，裂紋會延伸至齒面，與軸向呈30°～60°的交角。

圖6 裂紋宏觀形貌

圖7 裂紋斷開宏觀形貌

圖8所示為裂紋源的宏觀形貌。從圖8可看出，裂紋源萌生在齒根部，之后往內孔和齒面方向擴展，最后裂紋快速延伸至筒體部位；同時裂紋源擴展方向呈40°～60°的角度（低周疲勞斷裂，擴展速率大的特點）；裂紋擴展區呈放射狀條紋，無塑性變形，屬于脆性斷裂。結合觀察裂紋尾部端口表面平整無明顯的凹凸面變化，符合脆性斷裂形貌特點。加之前面已經擴展成較大的裂紋口，再飽和后瞬間斷裂，斷口特點符合脆性瞬時斷裂（見圖9）。

圖8 裂紋源宏觀形貌

圖9 裂紋瞬斷區形貌

3.3 金相組織分析

柔性齒輪淬火、回火后保留原始帶狀組織特征，出現黑白相間現象（見圖10），這是由于黑白區域的合金元素含量不一致導致的，同時黑白區域的硬度會有偏差（約2HRC）。

圖10 淬回火態組織

把斷裂的柔性齒輪重新退火，確認其帶狀組織（見圖11），柔性齒輪帶狀寬度167μm，帶狀5級（一般要求≤3級），容易導致材料的各項異性，尤其是橫向沖擊性能和韌性等均會低于縱向。

圖11 退火態組織

圖12所示為夾雜物金相組織。從圖12可看出，該柔性齒輪A類硫化夾雜物含量不高，評判為細系1.5級，但B類和C類夾雜物含量高，評判為粗系2級[2]。柔性齒輪夾雜物級別行業技術要求見表3。

圖12 夾雜物金相組織

表3 柔性齒輪夾雜物級別行業技術要求 （級）

4 討論

該柔性齒輪斷裂的特點為所處工作應力不高，遠低于材料的屈服強度，低于設計許用應力，斷裂突然發生，且無明顯的塑性變形，因此屬于脆性斷裂的一種。

從嚙合形貌可知，柔性齒輪在運行過程中，嚙合存在不均勻現象，會導致部分齒受力大于理論值，這是斷裂的主要原因，也是加劇斷裂的主要影響因素。同時材料自身帶狀偏析嚴重，帶狀偏析達到5級，造成橫向性能和縱向性能有較大差異，導致各項異性產生，也會加劇斷裂的產生。

A類夾雜物是軟質相，其從室溫到高溫都保持良好的變形能力。同時，由于MnS與鋼的基體變形特征相似，所以在夾雜物與鋼基體之間的交界面處結合很好，產生裂紋的傾向性很小，故A類夾雜物允許的級別最高（見表2）；B類夾雜物是脆性相，與鋼基體變形性有顯著差異，不容易與基體同步產生形變，容易導致應力集中，同時最表面的脆性夾雜物相對容易脫落，在表面形成缺口，容易導致裂紋源的產生[3]，這也是加劇該柔性齒輪斷裂的原因之一。

5 結束語

綜上分析，該柔性齒輪斷裂的主要原因為柔輪嚙合不均勻，部分齒受力大，即自身設計上存在問題。同時，材料內部夾雜物含量高，尤其是B/C類夾雜物粗系達到2級，而B/C類夾雜物屬于脆性相，會使材料韌性降低，易形成應力集中點和裂紋源，再加上其自身原材料帶狀組織偏析嚴重，均會加劇斷裂傾向，最終導致柔性齒輪出現脆性斷裂。