张晨 王海涛

摘 要 为了研究直齿圆柱齿轮的加工方法，探讨真实工况下的轮齿的失效形式。本文笔者以多年一线工作经验，在理论结合现场的情况下针对相关业务展开探讨，系统介绍了齿面疲劳点蚀失效、齿面磨损失效、齿面塑性变形失效等三种形式。结合现场工作中遇到的加工任务和齿轮加工精度要求，在材料选择和加工方法层面为同行提供建设性意见。研究得出：铸铁经过淬火和打磨处理后的相关元件在润滑良好的环境下可以承受更大载荷和转速。

关键词 齿轮材料 加工方法 齿轮传动

中图分类号：TG3 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2021）09-0019-02

1 前言

现代工业生产需要多重手段进行动力设备传递。而传统的链条传递、皮带传递都各有优缺点。但是需要零部件鉴于间隙、变数和多功能性。运用齿轮进行传递动力前景较大，工作适应面更广。而特种设备范畴下不同材料和不同加工方式能获得不同种类和质量的齿轮。本文针对直齿圆柱齿轮的加工方法展开探讨，为同行提供建设性意见。

2 齿轮传动的特点

齿轮传动是一种有效而精确的传动方式，具有传动比精确，相应传动比变化区间较大，圆周速度范围大、相应功率较大技术范疇的机械承载能力高，相关效率和寿命均衡等特点。但是工作过程中需要强制润滑并且噪声较大。具体有：适应性广，发射功率范围为0.1W至10kW以上;外围传输速度可达300m/s以上;直径可达25m左右恒速比，齿轮传动可以保证两个车轮的瞬时传动比恒定。效率高齿轮机构的传动效率一般在95%以上工作可靠，寿命长可在空间任意两轴之间传递运动。齿轮传动的不足之处是精度要求高，制造安装成本高，成本不适合长距离两轴间传输[1]。

3 齿轮材料的选择

不同的工作条件和功能需求对齿轮性能及材质的要求也各不相同。例如，低速和重载条件下的齿轮其传动必须采用强度和韧性特别好的材料;高速齿轮传动条件和功能需求必须由齿面硬度较大的材料制成;耐冲击齿轮传动装置应由韧性较好的材料制成。锻钢、铸钢和铸铁是工业生产中使用最多的三种材料。锻钢具有高强度和抗冲击性。热处理工艺能够很好地提高其机械的工作性能，提高其使用寿命。常用的铸钢有ZG40和ZG45。

4 齿轮轮齿的失效形式

4.1 齿面疲劳点蚀失效形式

齿面疲劳点蚀：不同载荷运行条件下齿面接触应力受到不稳定波动，其脉动周期导致的齿面接触点增加或者缩小，在高负荷反复变换下齿轮表面的强度会受到损害，以至于一定范围和深度的齿裂纹裂纹因为金属疲劳而产生不稳定裂纹，最终以坑状凹坑形式逐步展现，会全面损害工件。而当润滑良好的情况下其点腐蚀和后续的传动失效会得到规避，但是由于磨粒磨损比点腐蚀发展得更快使用需要进行全方位的预控，例如降低运行负荷。产生原因：发生点蚀后，因为接触面的不光滑性，其齿形会被破坏，导致传动效应失稳，在运动和旋转过程中会发出噪音，最终导致齿轮失去工作机制，而陷入传动失灵[2]。现场实际作业工况告诉我们，疲劳点蚀经常出现的地方是齿面节线旁边的齿根位置。其主要原因就是靠近节线的齿面相对滑动速度偏低，润滑期间油膜不适合形成，摩擦力足够大，而且节线运行不稳定参与到轮子啮合中，齿对数为小而接触应力大，最终导致点蚀。解决措施：（1）设计时必须计算齿面的接触疲劳抗力;（2）提高齿轮表面的硬度，降低齿轮表面粗糙度;（3）减少动态负载;（4）调整润滑油粘度避免低粘度导致的渗入裂纹，点蚀增长越快。因此，需要合理选择润滑油的粘度，使用粘度较高的润滑油;（5）采用容积式齿轮传动，增加整体弯曲半径[3]。

4.2 齿面磨损失效形式

不同的工作环境对齿轮表面造成的磨损程度也不相同。当铁屑、沙子、非金属材料和其他磨料落在齿面之间或由于粗糙齿面的摩擦而产生磨粒磨损。一旦齿面磨损，齿的形状就会变形，从而引起振动、冲击和噪音。当磨损严重时，牙齿会因较薄的牙齿而断裂。新的一对齿轮，由于机器表面粗糙，实际上只是负载最大接触的部分。接触点处的压力非常高，所以在操作开始时，磨损率和磨损量都比较大。磨损到一定程度后，摩擦面逐渐变得光滑，压力减小，磨损率降低，这种磨损就变成磨合。人们故意在新的轻载齿轮上运行，为正常磨损创造条件。磨合后，必须清洁和更换润滑剂。牙齿磨损有两种类型：磨粒磨损和磨合磨损。解决方法：（1）对齿轮运行过程中的润滑条件进行优化，在其运行期间施加减摩添加剂，同时确保润滑油的清洁;（2）提高齿面硬度;（3）采用封闭式传动代替敞开式传动或增加保护装置以优化密封条件。

4.3 齿面塑性变形失效形式

当在制作齿轮的材质比较软，并且齿轮在运转过程中所需要承载的负荷较大的情况下，齿轮表面的油膜就会被很快破坏，从而加大的摩擦力，塑性流动方向与摩擦方向一致作用于牙齿表面和牙齿表面表层的力。材料将在整个摩擦力中发生塑性变形。塑性变形属于轮齿的永久变形，是轮齿材料在过大应力作用下处于蠕变状态时，塑性从齿面或齿体流出而形成的。驱动齿轮齿上的摩擦力偏离节线，分别作用于齿尖和齿根，使齿面发生塑性变形后沿通道线形成凹槽。在从动轮齿运转中产生方向相反的摩擦力，等待塑性变形以后，齿轮表面就会沿着节线形成脊状。齿面的塑性变形经常发生在使用软质、低速、重质齿面材料的驱动器中。解决措施：（1）使用高粘度润滑油;（2）适当增加齿面硬度。

5 齿轮加工的常用方法

齿轮加工是基于机械构架下的材料力学和精度差异，在确保齿轮传动灵活、润滑可靠、失效形式可控的基础上进行全过程多道加工的。

1.滚齿。机械设备的运行需要齿轮大扭矩高负荷的进行功率输出与传递。而滚齿作为这种能高速旋转且进行无啮合间隙的齿轮与齿条传动，现场制作等级可以合适归并为8-9级精度齿轮加工，鉴于成本考量和加工生产速度所限，也可以在预定情况进行7级以上齿轮粗加工或者半精密加工，在运行过程中需要注意毛刺处理，并且在较高运动精度确定的同时合适使用加工材料。

2.插齿。该种结构多用于低速高扭矩的车床或者特征传动机构，当加工手段合适并且处于双联或者三联齿轮度量时，其两轮间由于相对距离较小，加工精度和速度都需要根据不同插齿使用情况和材料硬度做归并数据分析，非特殊情况下严禁使用成形铣或滚齿进行构件的60%以上工作量加工。而后续的生产实践表面，更加大型的构件还可以运用镀膜或者局部硬化的方式进行更加经济的加工。需要注意插齿刀通常有一定弧度和硬度的，所以基于使用环节考虑，单个牙齿的研磨加工前后单位后角产生的刀刃齿轮需要进行长效测定以确保最终加工精度合规。具体插齿制作时要求插齿刀以一定额定速度作上下往复的切削运动，并且强制性要求插齿刀和齿坯之间时刻严格保持间开状态的单一渐开线齿轮的合并啮合关系，并且严格状态形式。

3.剃齿。剃齿制作精度高，硬度要求大，通过研磨材料矿化硬粉或者合金钢瞬间淬火硬化技术进行获得。具体工艺手段通俗来讲即为运用已经制作完毕并具备精确等级的高速斜齿轮钢面进行角度测定后沿着渐开方向线进行开槽并最终完成额定刀刃的制作，在齿轮处硬化后最终成型完成剃齿刀制作。通过数控车床进行滚、插后齿面进行多维额定富裕量的加工齿轮预留，最终使用过程中的定速比啮合达到最佳。注意要确保加工齿轮齿面上的绝对光滑可以通过剃齿刀的刀刃沿齿宽方向进行低速定额加工齿轮滑动式研磨，以逐渐刮削掉富余量材料。如果遇到材料特殊，还可以用特殊打磨装置进行精确式打磨，使齿面光洁度达标。

4.珩齿。由于不同齿轮材料不同，其力学和化学性质限定了淬火后的不同程度变形和精度超标。此外金属材料淬火导致的黑皮残留和热膨胀在所难免，初加工的齿轮构件直接进行剃齿刀刮削是不可信的，强行施工只会导致构件应力受损，所以必须进行刀具改良，运用金刚砂磨料和加进环氧树脂等材料浇铸或热压成斜齿轮或者其他构型工具进行工件预处理，多维导向下的通用工序珩磨轮代替剃齿刀加工淬火完成齿轮硬化，就可以完成珩齿加工。需要注意珩齿工艺下的机床多维运动轨迹和剃齿时完全一样，只是需要更换不同的刀具完成不同精度的加工。

6 齿轮加工精度要求

齿轮传动的主要功能是传递动力，了解齿轮的用途后，选择适合用途的齿轮产品。机器工作性能的大小、运行过程中所產生噪音的大小以及机器运行中所能够承载重力的大小均与齿轮 生产制造精度有关。依据齿轮在不同环境中的功能实现要求，对其建立了四个精度方面的要求：一是齿轮传动间隙大小的合理性要求。在齿轮的啮合轮齿面之间的间隙必须符合相应的工作标准要求，合理的间隙;利于润滑油的储存，用以弹性变形和热变形的补偿，减小齿轮在生产制造安装过程中产生误差;二是齿轮载荷分布的均匀性要求。要想使齿轮在运行过程中保持良好的齿面接触就一定要保证接触位置和接触面积的标准要求，这样可以很好地保证齿轮载荷分布的均匀性，同时还可以减小齿面磨损，提高齿轮使用年限;三是传动运动的稳定性要求。要保证齿轮在齿廓角处的最大角度误差保持在规定的范围以内。确保瞬时齿轮的副比变化幅度较小，这样既可以使齿轮运行稳定，还可以降低噪音;四是传动运动的精度要求。要确保齿轮一转的角度误差保持在合理的范围以内。同时确保齿轮副传动比较小，保证传动运动准确。

7 结语

齿轮的加工需要多重施工工艺的配合，将产地和材料进行有机结合，确保源头可查。齿轮的失效形式也需要根据不同的工况和加工精度科学分析，以最终进行反演式提高齿轮加工质量。

参考文献：

[1] 夏世升，王广春，赵国群，等.直齿圆柱齿轮冷精锻新工艺数值模拟研究[J].热加工工艺，2003（02）：22-23.

[2] 寇淑清，杨慎华，傅沛福，等.高精度直齿圆柱齿轮冷锻成形加工方法的研究[J].锻压技术，2000，25（05）：10-13.

[3] 席庆坡.直齿圆柱齿轮冷精锻成形数值模拟及齿形修形研究[D].机械科学研究院，2003.