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12種模式的齒輪傳動部件的失效分析

2023年04月25日 常州鋼管哥1333???3??? 鋼鐵知識 百度已收錄 № 33544

2種模式的齒輪傳動部件的失效分析 

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；齒面間的相對滑動摩擦而產(chǎn)生磨損。有時齒輪由于安裝或設(shè)計的問題，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、使用場合，有不同的失效形式。對于齒輪失效主要是表面接觸疲勞失效，分為：麻點疲勞剝落、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，35年中的931個齒輪損壞實例，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，本文針對這方面的模式進(jìn)行逐一分析。




熱處理后心部硬度或高或低
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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。或由于選材不當(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）對于非馬氏體超標(biāo)的齒輪進(jìn)行強力噴丸。




表面組織不良
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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）對于非馬氏體超標(biāo)的齒輪進(jìn)行強力噴丸。




齒輪熱處理后磨齒
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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)，磨削過程對于齒輪進(jìn)行燒傷檢測。對于齒根出現(xiàn)磨削的增加強力噴丸。

圖1  磨齒的失效




滲碳淬火后心部組織粗大
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對于冷鍛齒輪、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）對于有加工余量的可以采用940~950℃高溫正火。
2）對于一次正火不合格的材料進(jìn)行二次正火。
3）對于表面不準(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）對于使用滲碳淬火爐的工序增加中冷工藝，這樣可以對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。




齒輪軸類件卡簧槽加工缺陷
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齒輪軸類零件設(shè)計有卡簧槽，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）使用帶有裂紋探測儀的校直設(shè)備。




螺紋齒軸類脆性斷裂
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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）。

圖5 螺紋齒軸類脆性斷裂


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。




延遲裂紋和焊接裂紋
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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。




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

改善方法：
1）對于大的盤類零件采取壓淬的措施，保證齒輪精度。
2）對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。




弧齒錐齒輪失效
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弧齒錐齒輪熱處理后由于變形太大，齒輪精度等級降低，在使用過程中局部應(yīng)力過高造成斷齒。或在配對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）使用時嚴(yán)重超載。
3）裝配不當(dāng)，如主動齒輪軸頸預(yù)緊力不夠、軸承間隙大等，造成齒輪運轉(zhuǎn)時軸向竄動，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、輪齒根部磨成臺階、運轉(zhuǎn)時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，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，嚙合齒面沿滑動的方向形成較均勻條狀摩擦痕跡，齒輪不能平穩(wěn)運行。

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，沿運動方向出現(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）早期點蝕
如圖10所示，特征為齒面磨光，齒面呈麻點狀疲勞剝落凹坑。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。

產(chǎn)生原因：早期點蝕是由于產(chǎn)品加工質(zhì)量缺陷造成，切削加工時齒形誤差大、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，造成運轉(zhuǎn)時齒面局部區(qū)域早期疲勞損壞；或由于齒面硬度、接觸疲勞強度低，從而引起的失效現(xiàn)象。

圖10 麻點剝落


（2）破壞性點蝕
如圖11所示，特征為破壞性點蝕的剝落坑比早期點蝕的相對大而深，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)量問題造成疲勞強度顯著降低，齒面承受的應(yīng)力大于材料強度。隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增多，點蝕不斷擴(kuò)展形成點蝕坑。

圖11 破壞性點蝕


（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、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度顯著降低。由于運轉(zhuǎn)時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，形成點蝕坑或剝落坑，齒根有磨損臺階，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方向而沿齒形分布。

產(chǎn)生原因：齒輪運轉(zhuǎn)過程中，潤滑不良，油膜厚度不足，齒輪系統(tǒng)振動面在工作齒面間產(chǎn)生“爬行”（黏附滑動現(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，對于變形大的產(chǎn)品對研磨后的齒輪進(jìn)行燒傷及表面粗糙度檢測。對于變形較大的盤齒進(jìn)行壓淬處理，提高齒輪精度。




軸心裂紋
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對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：對于此類齒輪在粗車后100%進(jìn)行超聲波檢測。

圖17 精加工裂紋                    圖18 軸心裂紋




硬化層不均導(dǎo)致裂紋
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對于一些盤類齒輪進(jìn)行感應(yīng)淬火，由于頻率選擇不合適，感應(yīng)器設(shè)計精度低，機床精度不夠，造成齒輪硬化層不均，齒輪淬火后出現(xiàn)裂紋，臺架試驗失敗。

改善方法：
1）選擇合適的頻率，采用機加工感應(yīng)器，保證機床精度。
2）齒輪感應(yīng)淬火后先對齒輪進(jìn)行縱剖（見圖19a），檢測硬化層形狀，根據(jù)形狀對上下位置進(jìn)行調(diào)整；在齒輪圓周方向按照90°方向切割4塊，檢測硬化層均勻性（見圖19b）。對于齒輪上中下3個位置檢測硬化層及硬度的均勻性。
3）當(dāng)頻率高時盡量加強檢測齒根，當(dāng)頻率低時盡量檢測齒頂。
4）對于感應(yīng)淬火工件要全部進(jìn)行磁粉檢測，防止裂紋件流到下一工序。

圖19 硬化層檢測




R角、孔口和凸臺處裂紋
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對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。對于軸類采用整體感應(yīng)淬火，對于一些孔口位置、凸臺等由于尖角效應(yīng)淬火容易出現(xiàn)裂紋，有時也由于回火不及時產(chǎn)生延遲裂紋。

改善方法：
1）對于軸類齒輪感應(yīng)淬火后進(jìn)行縱剖，檢測硬化層形狀及硬化層均勻性。
2）對于感應(yīng)淬火后的工件進(jìn)行及時回火。
3）對于所有齒輪進(jìn)行磁粉檢測。
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，希望對從事齒輪生產(chǎn)設(shè)計的同行有借鑒作用。


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