杨引锋 陶保平 冯育敏 范海波

摘要：通过对电解循环泵组件主动齿轮掉块故障的分析，确定故障原因为主动齿轮组件齿轮轴端面低于齿轮端面，磨削齿轮端面時产生剪切力导致齿轮掉块。针对故障原因提出的改进措施切实有效，为聚醚谜酮材料的加工提供了技术支持。

关键词：主动齿轮;聚醚谜酮;压套

0  引言

电解循环泵的主要功能是实现电解用水的输运和循环。主、从动齿轮组件是电解循环泵的关键零组件之一。在水环境中，金属的配副方式容易带来高摩擦、高磨损、高振动以及高噪音，极易发生卡滞、咬死等事故。因此，主从动齿轮组件齿轮部分采用的是聚醚谜酮材料（S-0203），该材料具有极高的耐磨性，几乎是目前耐磨性能最好的水润滑材料。然而，电解循环泵组件在装配故检时发现，新配出的主动齿轮组件表面有掉块现象。经确认，该主动齿轮组件某批次均存在掉块问题。本文针对主动齿轮组件出现的掉块问题进行系统的分析，准确定位故障，并通过试验进行了验证，提出了切实有效的改进措施。

1  问题概况

2017年2月21日，电解循环泵组件在装配故检时发现，新配出的主动齿轮组件表面有掉块现象，经核实，17-1批次共9件均存在掉块现象。

2  问题定位

2.1 产品原理

电解循环泵组件中循环泵组件主要由电机、主、从动齿轮组件、壳体组件、轴承、磁极等零部件组成。

循环泵的电机带动主、从动齿轮旋转，将泵进口的介质增压输送到出口，泵体轴承选用滑动轴承，一对滚动轴承安装于磁极组件两侧，对磁极组件起支撑作用，电机与泵体采用滑差离合器形式连接。

2.2 主动齿轮、齿轮组件工艺及故障树

2.2.1 齿轮、齿轮组件工艺：

齿轮工艺流程为：NO0备料--NO5固熔时效—NO10车全部—NO15车端面及外圆-NO20研中心孔—NO25磨外圆—NO30磨外圆—NO35清洗—NO40检验—NO45油封

齿轮组件工艺流程为：NO5启封—NO10压套件1—NO15车外圆—NO20磨外圆—NO25去毛刺—NO30压套件2—NO35收口—NO40磨外圆—NO45磨端面—NO50磨外圆--……

2.2.2 主动齿轮组件故障树（图1）

2.3 故障排查

根据上述故障树，开展故障分析。

X1：No5车全部，内孔与端面均在此工序车削加工，齿轮端面留有余量，在组件还需精加工，所以此事件可以排除。

X2：No10去毛刺，要求锐边倒圆R0.1～0.3，齿轮端面留有余量，在组件还需精加工，所以此事件可以排除。

X3：No10压套，轴与齿轮的紧度为0.03～0.05，采用常温压套的工艺方法，且无专用夹具，此事件暂不能排除，待试验后检查确认。

X4：No45磨端面，当压套后齿轮轴与齿轮端面未平齐时，在齿轮轴端面与齿轮内孔的接触部位会产生应力集中现象，磨削过程中，与齿轮轴未配合的齿轮会受一定的剪切力，容易产生掉块缺陷，此事件暂不能排除，待试验后检查确认。

X5：No65去毛刺，齿轮与齿轮轴磨削后端面平齐，此部位不产生毛刺，在本工序仅去除齿轮齿顶部位的毛刺，所以此事件可以排除。

针对暂不能排除的底事件X3：No10压套、X4：No45磨端面进行试验机分析。

2.3.1 X3：No10压套试验

方案一：常温压套试验

①尺寸测量：分别测量齿轮内孔及轴径尺寸，轴径尺寸为：4.83～4.836，内孔尺寸为4.8～4.802，配合紧度0.028～0.036，超出设计图纸紧度要求下限0.002（设计图纸要求压套后紧度0.03～0.05）。

②压套：采用自制工装在压力机下进行压套，压力作用于齿轮轴上端面，目视齿轮轴与端面平齐。

③检查：采用体视显微镜（倍率为15X）进行检查，齿轮周边存在轻微掉块现象。

方案二：齿轮加热170℃～180℃，齿轮轴冷却-40℃～-50℃进行压套试验

①尺寸测量：轴径尺寸为：4.835～4.837mm，内孔尺寸为4.804mm，配合紧度为0.031～0.033，满足设计图纸紧度要求（设计图纸要求压套后紧度0.03～0.05）。

②加热齿轮，冷冻齿轮轴：将齿轮放置在恒温烘箱中，随箱体温度加热到170℃～180℃保持10分钟后取出;将齿轮轴在-40℃～-50℃低温冷冻箱中放置10分钟。

③压套：将齿轮放置在带孔的夹具衬套端面上，用手劲即可装入齿轮轴。

④检查：采用体视显微镜（倍率为15X）进行检查，齿轮端面无掉块现象。

2.3.2 X4：No45磨端面

试验一：磨削前齿轮轴与齿轮端面不平齐

对2.3.1中采用方案一压套后的齿轮组件在数控磨床S21上进行磨削试验。

①测量：测量磨削前齿轮宽度5.985mm，齿轮轴与齿轮高度差约0.5mm。

②磨削试验：砂轮转速S=35m/s，工件转速为211r/min，粗进给速度F=0.35mm/min、半精进给速度F=0.35mm/min、精进给速度F=0.07mm/min。

③测量：测量磨削后齿轮宽度5.88～5.91mm，磨削余量0.075～0.105mm。

④检查：采用体视显微镜（倍率为15X）进行检查，齿轮周边存在轻微掉块缺陷。

⑤复检：放置17小时后再检查，零件无异常现象出现。

⑥复试：继续磨削去余量，至齿轮轴与齿轮端面平齐。

⑦检查：采用体视显微镜（倍率15X）进行检查，齿轮周边无掉块缺陷。

试验二：磨削前齿轮端面无掉块平齐

采用2.3.1中方案二及自制夹具进行压套，采用体视显微镜（倍率15X）压套后检查齿轮端面无掉块、平齐，进行完45工序磨端面后，检查无掉块缺陷。

结论：

①压套过程中参数选择不合理，会产生掉块缺陷。采用常温压套的方法，容易产生掉块缺陷;采用加热聚醚谜酮齿轮、冷却齿轮轴的压套方法，可避免掉块缺陷的产生。

②当压套后齿轮轴与齿轮端面不平齐时，在磨削过程中，聚醚谜酮齿轮与齿轮轴未配合的部位受剪切力作用，易产生掉块;当齿轮轴与聚醚谜酮齿轮端面磨齐平后，聚醚谜酮齿轮不再受剪切力，在磨削过程中不会产生掉块缺陷;当压套后齐平，可保证磨端面后平齐不掉块。

3  故障机理

经对故障件进行外观及冶金检查，发现主动齿轮组件齿轮轴端面均低于齿轮端面，掉块缺陷是由于受到应力所致，见图2。可得出本次齿轮掉块故障的机理如下：

①齿轮组件进行10工序压套时，齿轮轴与齿轮为紧度配合，齿轮用的材料为非金属聚醚谜酮，此材料存在一定的脆性，常温压套过程是使用压力机对齿轮轴的上端面施加一定的压力，使其压入非金属齿轮内孔，造成齿轮内孔和齿轮轴端面的相交处产生掉块缺陷。

②10工序压套后若未保证工艺要求的齿轮轴与齿轮端面平齐，且不平齐的高度差大于磨端面的磨削余量，在齿轮轴端面与齿轮内孔的接触部位产生应力集中现象，进行45工序磨端面时，非金属齿轮凸出部位受剪切力，在磨削过程中靠近齿轮轴部位产生了掉块缺陷。

4  改进措施

①细化工艺文件的压套工序，采用非金属聚醚谜酮齿轮加热、齿轮轴冷却的压套方法，并明确压套参数。

②设计专用的压套工装，确保压套后齿轮轴与齿轮端面齐平。

③细化压套、检验工序检查要求，明确使用体视显微镜在15倍率下检查零件端面应无掉块现象。

5  结语

综上所述，电解循环泵组件齒轮掉块故障的根本原因是对聚醚谜酮非金属材料的加工性能不了解，加工方法及参数不合理;间接原因是压套时非金属齿轮端面和齿轮轴端面未齐平，未达到图纸要求，磨削端面时受应力作用导致非金属齿轮出现掉块缺陷。根据分析出的故障缺陷原因制定出的改进措施切实有效，经验证后故障不再出现。此次细化的工艺方法及参数为聚醚谜酮材料的加工提供了技术支持和参考。

参考文献：

[1]丁惠麟，金荣芳.机械零件缺陷、失效分析与实例[M].北京：化学工业出版社，2013.

[2]李敏捷，余淼.汽车变速器齿轮齿端崩角失效分析及优化改进[J].汽车实用技术，2018（17）：118-120.

[3]钱宇峰，丁俊苗.电解系统生产循环泵频繁损坏的分析处理[J].电世界，2017，58（02）：54-55.

作者简介：杨引锋（1985-），女，陕西户县人，工程师，研究方向为航空发动机燃油附件齿轮件工艺技术研究。