1 齒輪的強度設計與熱處理
齒輪的抗接觸疲勞強度、抗彎曲疲勞強度、心部韌性、表面硬度及耐磨性等都是熱后齒輪的關(guān)鍵指標，直接關(guān)系著(zhù)齒輪的使用壽命長(cháng)短。原材料性能及熱處理工藝都會(huì )顯著(zhù)影響到齒輪件的承載力，因此按需選材、合理編制工藝就顯得尤為重要。通常來(lái)說(shuō)齒輪的承載力評判主要是通過(guò)熱后齒輪的表面硬度、心部硬度及有效硬化層深來(lái)衡量。GB/T3480.5-2008中將齒輪疲勞強度與材料熱處理質(zhì)量等級進(jìn)行結合，并將疲勞極限分為ME、MQ、ML三個(gè)等級并予以圖示。設計齒輪時(shí)應根據質(zhì)量等級和相應的疲勞極限曲線(xiàn)圖為基礎進(jìn)行齒輪承載能力計算，既考慮使用強度又兼顧經(jīng)濟性。
2 影響齒輪熱處理變形的關(guān)鍵因素
2.1齒輪毛坯的預先熱處理
齒輪毛坯的預先熱處理通常有調質(zhì)處理、普通正火、等溫正火、鍛造余熱等溫正火等手段。普通正火處理會(huì )造成不同零件或同一零件不同部位的組織、硬度出現較大差別，會(huì )降低加工性能和加劇熱處理變形，進(jìn)而影響齒輪精度等級和使用性能。齒輪毛坯終鍛溫度一般在900℃左右，毛坯仍處在奧氏體階段，其晶粒會(huì )比重新加熱顯著(zhù)粗大，而粗大晶粒具有遺傳性且轉變P+F過(guò)程滯后，容易出現貝氏體或斷離珠光體，使得加工性變差。等溫正火即將毛坯*加熱到Ac3線(xiàn)以上的適當溫度得到均勻的奧氏體后，通過(guò)速冷方式將毛坯冷至奧氏體等溫轉變圖“鼻尖”溫度左右在低溫爐中進(jìn)行等溫轉變，出爐后再空冷到室溫的工藝過(guò)程。因此可以采用鍛造余熱等溫正火或等溫正火進(jìn)行預處理，生產(chǎn)中要根據毛坯材質(zhì)、尺寸因素來(lái)合理選擇和控制等溫前的冷卻速度、等溫溫度和等溫時(shí)間這三個(gè)工藝參數，使毛坯在相 對恒定的溫度下完成組織轉變，以此來(lái)獲得均勻的顯微組織和合適的硬度，即硬度在160HB~197HB，金相組織為均勻的F+P。等溫正火工藝的特點(diǎn)是正火質(zhì)量穩定，熱處理變形小，適合大批量生產(chǎn)。對于大批量生產(chǎn)的變速箱齒輪來(lái)說(shuō)，合適毛坯的硬度和均勻組織能保證刀具的較好切削，既滿(mǎn)足高的切削效率，又對減小熱處理變形有著(zhù)至關(guān)重要的作用。
2.2齒輪鋼的淬透性和淬硬性
淬透性是表示鋼在一定條件下淬火時(shí)獲得馬氏體的能力，或者說(shuō)是獲得淬透層深度的能力，它是鋼材本身固有的屬性，主要受合金元素的影響。工作中計算淬透性值的方法有多種，齒輪行業(yè)滲碳鋼實(shí)際應用筆者推薦采用下列公式。含碳量≤0.25%的滲碳鋼淬透性計算公式：
式中J6-40—至水冷端6mm~40mm范圍內各點(diǎn)硬度；E—距離水冷端距離；
淬透性還包括冷卻條件和合金元素之間的關(guān)系，以及應用于鋼種設計及替代、設計選材、熱處理工藝參數控制等。換言之，淬透性對于齒輪的設計和制造工藝都具有十分重要的意義。實(shí)驗數據表明同樣深度的滲碳層，由于原材料、模數、外形尺寸、冷卻條件不同而得到的有效硬化層深差異非常大，即使是外形尺寸、模數和冷卻條件非常類(lèi)似或相同，工件有效硬化層深可相差0.3mm~0.5mm之多，究其原因就是滲碳層淬透性差異所致。
淬硬性是工件在正常淬火后獲得馬氏體組織所能達到的較高硬度。主要取決于馬氏體中的含碳量，碳的過(guò)飽和度越大則鋼的淬硬性越高。通常情況下淬火硬度隨含碳量的提高而提高，但是當含碳量≥0.6%C時(shí)工件淬火硬度幾乎不再變化，常用的滲碳鋼在滲碳淬火后硬度通常為64HRC左右，低溫回火后表面硬度往往在60HRC左右，這就是滲碳齒輪的表面硬度一般規定為58HRC~63HRC的根本原因。
2.3 齒輪熱處理變形的一般來(lái)說(shuō)都是多種因素的綜合作用、相互影響所致
除預先熱處理及淬透性外，零件形狀、鍛造、機械加工、淬火規范都可能會(huì )造成零件變形，進(jìn)而影響齒輪精度和壽命。于齒輪件來(lái)說(shuō)，易變形點(diǎn)無(wú)非是齒形齒向、周節累計、內花鍵縮孔等，由經(jīng)驗即可判斷其變形規律，根據工藝路線(xiàn)提前預留好加工余量或補償量，使成品件正處于可接受的形變區間內。
（1）齒輪幾何形狀。齒輪的外形結構是決定熱處理變形的關(guān)鍵因素之一，設計者應充分考慮齒輪截面結構均勻性、對稱(chēng)性，避免薄厚差異過(guò)大而導致應力集中。一般來(lái)說(shuō)結構復雜，應力集中明顯的零件在熱處理過(guò)程的形變規律越難掌握。沃爾沃公司曾就齒輪的設計、原材料、熱處理工藝三個(gè)因素對變形影響程度的研究表明，設計、材料、工藝對齒輪熱處理變形的影響程度分別為50%~60%、20%~30%、5%~15%。
（2）熱前的應力狀態(tài)。熱前零件在經(jīng)過(guò)鍛造、正火、拋丸及機加工等工序后，或多或少會(huì )累積殘余應力、鍛造缺陷、組織不良等，而應力集中對變形影響非常顯著(zhù)。消除或控制殘余應力的產(chǎn)生對后續熱處理工序控制變形大有裨益。鍛造過(guò)程中通過(guò)管理鐓粗方向等手段控制金屬纖維流線(xiàn)，使其沿齒輪毛坯外輪廓 對稱(chēng)狀均勻分布；正火過(guò)程應控制帶狀組織形成趨勢，減少材料各項異性；機加工過(guò)程應注意均勻切削和通過(guò)刀具壽命管理等盡力避免加工應力的過(guò)度累積和不均勻狀態(tài)。特別是形狀復雜的工件，前序產(chǎn)生的殘余應力對淬火變形影響很大，可采用去 應力回火或均勻化處理措施消除應力。
（3）熱處理過(guò)程要素。工件加熱速度、滲碳溫度、淬火溫度、油攪拌速度等工藝參數的調整，裝卡方式、冷卻介質(zhì)和回火工藝等的不同也會(huì )影響的齒輪的變形情況及綜合機械性能。
3 齒輪有效硬化層深的設計與控制
在汽車(chē)變速箱齒輪的設計和生產(chǎn)中，有效硬化層深設計一般來(lái)說(shuō)就是兩種方法。即按齒輪模數劃定大致范圍而套用標準或是根據經(jīng)驗公式t=α*m（m模數），α=0.20-0.30計算，很少從力學(xué)角度分析其適用性。設計較佳的齒輪有效硬化層深，無(wú)論是對提高齒面強度，還是節能降耗都有非常重要的意義。
齒輪剝落失效的產(chǎn)生不僅與齒面下的剪應力分布有關(guān)，還與有效硬化層深、硬度梯度等因素有關(guān)。齒輪的有效硬化層深對于過(guò)渡區常常難以涵蓋，而各類(lèi)硬齒面齒輪的剝落往往都與過(guò)渡區有關(guān)，實(shí)踐表明有效硬化層深剝落的較大特點(diǎn)就是疲勞裂紋在硬化層與心部的過(guò)渡區產(chǎn)生，形成的剝落坑較深且面積大。通常情況下增加有效硬化層深有利于提高齒輪承載能力，防止疲勞剝落失效。然而過(guò)大的硬化層深會(huì )使工藝難度加大、工藝周期增長(cháng)、畸變增加等諸多問(wèn)題，造成齒輪生產(chǎn)成本和能源消耗增加。合理的有效硬化層深設計是既要保證過(guò)渡區有足夠的強度 防止深層剝落，又不過(guò)度設計。
表面硬化齒輪的有效硬化層深與齒輪的強度、可靠性等性能密切相關(guān)，是保證齒輪承載能力充分發(fā)揮的關(guān)鍵。齒輪嚙合過(guò)程中齒面接觸時(shí)在局部產(chǎn)生的表面壓應力稱(chēng)為接觸應力，也叫赫茲應力。齒面承載能力與赫茲接觸應力有關(guān)，由公式可知，接觸應力的大小取決于外加載荷和齒面當量曲率半徑的倒數。當較大接觸應力相同時(shí)，當量曲率半徑越大所需有效硬化層深就越大。
4 變速箱齒輪的其他優(yōu)化設計
（1）氣體滲氮工藝對齒輪的表面強化處理。齒輪的承載能力通常為齒根強度、齒面強度與抗咬合強度三項指標。*，滲氮齒輪的抗咬合強度優(yōu)于滲碳齒輪，由于加壓氣體滲氮技術(shù)和加壓氣體軟氮化技術(shù)的應用提高了材料表面的硬度并改善了滲層的硬度梯度。齒輪滲氮鋼無(wú)須進(jìn)行淬透性控制，也可簡(jiǎn)化鋼廠(chǎng)的冶煉管理。齒輪滲氮鋼的冶煉重點(diǎn)是減少非金屬夾雜物的含量與氧含量，這可以進(jìn)一步提高齒輪的抗疲勞強度。
（2）強化噴丸工藝的推廣應用 。當齒輪承受彎曲疲勞載荷時(shí)， 其赫茲接觸應力達到較大，因此疲勞核心在齒面處形成后沿著(zhù)與l較大應力垂直的方向進(jìn)行擴展，當微裂紋發(fā)展為宏觀(guān)裂紋時(shí)，硬化層開(kāi)始脫落甚至出現斷齒情況。研究表明，滲碳齒輪的彎曲疲勞抗力隨著(zhù)其強度的提高而升高，彎曲疲勞抗力也隨著(zhù)齒輪表層殘余壓應力的增加而提高。所謂強化噴丸就是將鋼丸高速射出，通過(guò)連續打擊后使齒面或齒根部形成一定深度的殘余壓應力的加工方法。它具有適應性廣、工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、強化*的特點(diǎn)，這種殘余壓應力能夠抵消部分外部載荷的拉應力，抑制微裂紋在齒輪承受接觸應力時(shí)再次擴展，有效地消除設計及工藝過(guò)程造成的應力集中的影響，也能部分消除滲碳淬火過(guò)程中產(chǎn)生的晶間氧化物造成的影響。因此，強化噴丸可以有效提高輪齒的抗接觸疲勞強度和抗彎曲疲勞強度。資料表明，齒輪滲碳淬火后表面呈壓應力分布狀態(tài)，通過(guò)強化噴丸會(huì )進(jìn)一步增加零件表面的壓應力，也就是進(jìn)一步增加零件表面的接觸疲勞強度。
總而言之，齒輪的設計與制造是提升變速箱性能的關(guān)鍵要素之一。設計須注重齒輪材料和工藝模式的選擇、結構均勻性、有效硬化層深設計等；工藝員須注重預先熱處理、機械加工和熱處理過(guò)程中不利因素的消除，共同為提高產(chǎn)品質(zhì)量而努力。
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