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《高性能齿轮与抗疲劳制造》报告纪要

发布日期:2015-01-28 22:01:26  点击量:1264   信息来源:原创

一、 齿轮是关键基础件与“瓶颈”

改革开放30年来,我国齿轮行业伴随国民经济的快速发展取得了长足进步,产品门类齐全,广泛应用于航空船舶、兵器装备、汽摩农机、机床工具、工程机械、轨道交通、水泥建筑、起重运输、矿山冶金、电力能源、石油化工和仪器仪表等20多个领域,成为我国机械发展不可或缺的关键零部件。齿轮性能的好坏直接决定产品主要功能,齿轮的失效甚至会导致灾难性后果,因此展开对齿轮设计制造的研究,提高齿轮的传动性能和可靠性具有重要的意义。

目前齿轮的主要失效模式是疲劳。经研究发现,齿轮的疲劳裂纹一般都是从应力集中点开始,齿轮的应力集中涉及很多因素,例如加工刀痕不连续、齿面初始裂纹、材料选择不合理等。齿轮在制造过程中导致的缺陷可通过优化工艺,加强质量控制避免。同时,重点应对齿轮材料的固有属性进行全面的分析,包括材料对疲劳的敏感度,对应力集中的敏感度,对环境温度的敏感度、对初始裂纹的敏感度等。试验发现,齿轮的应力集中系数对齿轮的承载能力影响很大,当应力集中系数达到3时,其承载能力降低50%,应力集中系数为5时,承载能力降低80%,因此在齿轮产品的设计中要重点对齿轮的材料性能有一个全面详尽的了解。但目前国内在该领域很薄弱,很多企业、科研院所只讲眼前效益,没有专门的机构对此进行基础研究,导致与国外产生很大的差距。国外早在20世纪70年代就已完成了材料的基础研究,建立了完整的基础体系。虽然通过技术引进,使我国的齿轮制造水平有了长足的进步,但我国的齿轮制造只能算是“成形”制造,所谓“成形”制造就是只关注齿轮外形而忽略了深层次齿轮材料的问题,只学到了国外的形没有学到实质性的东西。导致我国齿轮产品重量重、寿命短、可靠性差。

二、 高性能齿轮涉及一个复杂技术体系

高性能齿轮涉及一个复杂的技术体系,涵盖齿轮钢、热处理、制造加工、设计等四个主要领域。齿轮钢的研究包括冶金的设计和高净洁度的控制。目前国内齿轮钢牌号比较混乱,没有形成统一的规范,由于大量引进国外技术,不同国家的齿轮材料各不相同,所以导致不同的企业使用不同的齿轮钢材料,长期下去不利于我国齿轮钢的发展。热处理涉及齿轮表面硬度、硬化层深度、轮齿变形、残余应力的控制等。制造加工涉及齿轮晶粒流线和表面完整性的控制等。设计涉及齿轮形状、精度、装配和润滑等。

为设计制造出高性能齿轮,要建立设计-材料-制造三位一体技术体系,它们分别是:1设计为主体-制造、材料协调技术体系;2制造为主体-材料、设计协调技术体系;3材料为主体-设计、制造协调技术体系。同时要建立两个相关技术体系:1检测技术体系;2评价与试验技术体系。遵循基础技术先期发展,然后再集成的发展模式,各基础技术体系的发展没有先后主次之分,他们在产品的设计中同等重要,不能有失偏颇。

随着工业技术的发展,要求齿轮类产品体积小、重量轻、长寿命和高可靠性,这就对齿轮产品设计制造技术产生很大的挑战。不但要求设计人员摈弃传统落后的设计方法,采用新的设计理念和手段,而且要求我国的齿轮钢具有较高的质量水平,保证齿轮具有心部高强度,表面高硬度、耐高温并且有良好的经济可承受性特点。

三、 创新抗疲劳制造,发展长寿命齿轮

抗疲劳制造是新一代先进技术,是控制表面完整性,以疲劳性能为主要评判依据和提高疲劳强度的制造技术。控制齿轮表面的完整性是指控制加工工艺,保证零部件的无损伤或强化齿轮的表面状态。抗疲劳制造要确保加工的齿轮产品与设计图纸相一致,与设计性能相一致。

“无应力集中”抗疲劳概念:不同应力集中构件具有无应力集中时材料的固有疲劳强度,因此抗疲劳设计应从应力集中视角认识疲劳问题,从而由应力集中入手解决疲劳问题。

抗疲劳制造关键技术:

(1) 表面硬化是制造高性能齿轮的核心技术

齿轮表面硬化技术是指对低碳合金齿轮钢轮齿表面渗碳、渗氮或碳氮共渗,并结合淬火使轮齿表面形成一个硬化层的热处理工艺。通过表面硬化技术能大大提高齿轮的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度,从而提高机械性能延长使用寿命。具不完全统计,合理的齿轮表面硬化工艺能使齿轮的接触疲劳强度提高60%以上,疲劳寿命提高近100倍。随着齿轮钢的进步和硬齿面齿轮的广泛应用,表面硬化技术已成为制造高性能齿轮的核心技术。表面硬化技术涉及碳、氮浓度的掌握,硬化层深度的控制,轮齿变形的控制,淬火残余应力的控制及齿轮表面缺陷的预防等,任一环节控制不当,将直接影响齿轮的整体性能。

(2) 抗疲劳机械加工

齿轮的失效主要由疲劳导致,并由应力集中点开始,故如何消除应力集中,从而提高齿轮的抗疲劳强度,成为齿轮制造过程中的关键环节。抗疲劳机械加工就是消除齿轮制造过程中的应力集中点,如齿面初始裂纹、磨前滚刀设计不合理产生的渐开线与过渡圆角交界处的凸台、齿面粗糙度过大及热处理过程中产生的有害残余应力等,其中加工凸台对齿轮的疲劳寿命影响最大,应尽力消除。要消除和避免这些缺陷,要从材料和加工工艺两个方面进行研究,选择合理的材料降低对加工缺陷的敏感度,同时优化加工工艺,避免和消除加工缺陷。

(3) 表层组织再造改性

表面组织再造改性是指在传统的渗碳渗氮淬火硬化齿轮的基础上采用喷丸、挤压、滚压、激光超声波冲击等手段进一步强化齿面硬度的技术。通过表层组织再造改性,细化表层晶粒,诱导残余奥氏体转化马氏体,同时使表面产生有益于提高齿轮承载能力的压应力等。虽然表层组织再造改性只发生在表面100μm以内的范围内,但能大大提高齿轮的疲劳寿命,该技术在汽车及风电齿轮传动中得到广泛应用,效果明显,具有很高的实用价值。

(4) “无应力集中”装配

装配是由零件到产品的最后一道环节,装配质量的好坏直接关系到各零部件能否完全发挥自身的机械性能。“无应力集中”装配是指在装配的过程中,使各零部件处于工作的最佳状态,相互之间无干涉,没有额外产生的装配应力集中。如轴承同轴度、齿轮副的平行度及零部件装配面的吻合度等,控制不好均会使齿轮产品在工作中产生额外附加动载荷,使轴承发热或齿面接触不良导致承载能力下降,疲劳寿命缩短等,甚至直接导致失效,使前期生产环节的一切努力付之东流,因此,在齿轮产品的装配环节一定要严格把关,规范装配工艺。目前普遍采用的方法是:1加强装配工的技术培训,规范装配流程;2生产专用装配夹具,消除装配中产生的偏差,提高装配的精准度;3严格把关装配质量;4消除避免装配中引起的零部件损伤。

(5) 抗疲劳制坯

抗疲劳制坯就是要保证齿坯具有均匀的微观组织,较细的晶粒,没有明显的内部缺陷等。目前关键齿轮类零件毛坯生产过程中均要锻压,以提高齿轮的机械性能。在锻造的过程中,会使材料内部产生锻造流线,沿齿廓走向的锻造流线能提高齿轮的弯曲疲劳强度。但我国的齿轮大部分采用展成切削的方法加工轮齿,势必将锻造流线切断,不利于齿轮承载能力的提高,为此采用挤压成型等近净形坯技术成为抗疲劳制坯的一个不错的选择。通过热挤压或冷挤压技术能使毛坯形成沿齿廓方向的包络流线,能显著提高齿轮的抗疲劳强度,延长疲劳寿命。

(6) 精密热处理

精密热处理包括齿轮表面控制、变形控制、残余应力场控制、晶粒控制及氢脆控制等。精密热处理的关键就是定量地精准控制齿轮所要达到的各项性能指标,建立完善的热处理技术体系。

(7) 检测技术体系

检测技术体系的主要任务是保证制造的齿轮产品与设计的图纸参数和机械性能相一致,是满足设计指标的保证。检测技术体系涵盖了齿轮齿形精度检测、机械性能的检测、配合精度的检测和动态性能的检测等。

齿形精度的检测保证齿轮具有与图纸一致的精度等级;机械性能的检测包括材料的机械强度、齿面硬度、硬化层深度、晶粒大小、残余应力等相关数据的检测;配合精度的检测考虑了产品零部件空间位置及配合关系对工作性能的影响,是实现机械性能最大化的保证;动态性能检测从齿轮产品的整体性出发,对整个齿轮系统进行性能评价,从而衡量齿轮产品的机械性能是否达到设计要求。

为实现抗疲劳制造,要求整个检测技术体系环环相扣,缺一不可。

(8) 疲劳寿命评价与试验体系

疲劳寿命评价与实验体系主要包括三个部分:产品试验、疲劳寿命评价和现场使用反馈。通过实验室对产品进行机械性能参数的全面测试,掌握产品的整体机械性能,然后从材料、工艺、制造等方面建立各零部件的性能指标,初步对产品的疲劳寿命进行评价,最后根据产品的现场使用情况验证并修正评价体系,从而实现产品疲劳寿命的精确预估,提高齿轮的设计制造水平。

四、 实现抗疲劳制造是一场革命

(1) 自主创新抗疲劳制造

回顾齿轮行业的发展,我国经历了引进-仿制-吸收消化的发展道路,使我国齿轮行业得到了快速的发展,并形成门类齐全的齿轮设计加工制造体系,到2010年底,即“十一五”末我国齿轮市场总需求超过1400亿元,比2005年的683亿元增长一倍多,成为名副其实的世界齿轮制造大国。但我国的产品质量、产品设计、工艺开发、制造装备和检测试验等综合技术水平与国外发达国家仍存在很大的差距。中低端产品产能严重过剩,高端产品能力不足,汽车、高铁、工程机械、矿山机械等高端齿轮传动装置大量依赖进口。与国外先进水平相比,我国的齿轮传动装置寿命仅为国外的30%~50%,重量较重、市场竞争力明显不足。

虽然通过技术引进能推动齿轮行业的发展,但引进的往往是国外已经淘汰或落后的技术,导致我们的产品无法在未来的国际竞争中占有优势,因此虽然我们已是齿轮制造大国,但不是齿轮强国。通过自主创新进行抗疲劳制造成为我国齿轮行业发展的唯一出路。

针对齿轮行业的现状,我们面临诸多挑战:1长寿命、高可靠性、高功率密度齿轮设计技术的欠缺;2经济可承受性的限制;3知识产权的保护等。

目前我国的齿轮设计大部分还仅限于传统的静强度设计,新技术新手段与实际严重脱节,没有得到有效利用,同时与齿轮相关的基础研究(如材料、工艺等)不到位,大大制约了齿轮设计水平的提高。为满足齿轮产品的经济可承受性,要求齿轮产品低成本低维护,要求在齿轮产品的设计加工工程中找出成本与性能的平衡点,对我们来说也是一大挑战。齿轮类产品的知识产权保护目前形势还是比较严峻,仿制抄袭现象比较严重,不利于行业自主创新的推动和发展。

(2) “全过程”研究形成可靠性制造

“全过程”研究指设计人员的研究要融入到齿轮产品从设计生产到正常运行再到达到使用年限的整个产品生命周期中,从而对设计的产品有一个更加真实直观的认识。“全过程”研究是实现抗疲劳制造的保证,它要经历产品设计应用基础理论的研究→制造技术的研究→工程化生产应用→失效反馈→应用基础理论的研究这样一个循环的过程。通过对产品生命周期内的跟踪研究,能为未来高端产品的制造积累大量原始数据,最终形成符合使用要求的规范,对促进齿轮技术的发展具有重要的意义。

(3) 实现抗疲劳制造是一场革命


抗疲劳制造是我国由“成形”制造向高端制造的转折点,它将是齿轮行业全局性技术进步的开始,涉及设计方法设计理念、齿轮材料、制造工艺、检测方法等全方位技术转变更新,必将推动我国齿轮行业的全面进步,使我国由齿轮制造大国转变为真正的齿轮强国。


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