0 引言
齒輪傳動是機(jī)械傳動中應(yīng)用最為廣泛的一種傳動形式。TPX619B普通臥式銑鏜床是沈陽機(jī)床集團(tuán)的經(jīng)典產(chǎn)品之一,其主軸箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,齒輪眾多。機(jī)床自面世以來,由于齒輪導(dǎo)致的故障率極低,可見其齒輪設(shè)計合理,材料和熱處理工藝選擇得當(dāng),現(xiàn)對TPX619B主運動齒輪材料及熱處理工藝進(jìn)行介紹。
1 齒輪常用材料和熱處理工藝
高頻淬火齒輪通常用含碳量為0.40%~0.50%碳鋼或低合金鋼(40、45、40Cr和45Mn2) 制造。大批量生產(chǎn)時, 一般要求精選含碳量以保證質(zhì)量。45 #鋼限制在0.42%~0.47%C, 40Cr 鋼限制在0.37%~0.42%C。經(jīng)高頻淬火并低溫回火后,淬硬層應(yīng)為混合回火馬氏體, 而心部則為毛坯熱處理(正火或調(diào)質(zhì)) 后的組織。
由于齒輪的承載范圍廣,工作情況復(fù)雜, 應(yīng)根據(jù)不同的工作環(huán)境及要求選擇適用的強(qiáng)化手段。對于中檔承載能力的齒輪(m =2~10 mm),線速度≤30 m/s,齒面接觸應(yīng)力≤700 MPa, 精度9~7級,往往要求達(dá)到一定的硬化層深度, 而滲氮是實現(xiàn)深層處理的低溫化學(xué)熱處理工藝。而某些高速齒輪的線速度高達(dá)100 m/s 以上, 提高這些齒輪的齒面抗擦傷、抗膠合能力十分重要, 可將滲氮與低溫電解滲硫復(fù)合處理作為進(jìn)一步提高抗膠能力的工藝[1]。而對于高精度、小模數(shù)的齒輪常采用氣體碳氮共滲工藝, 既可提高零件的耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度, 又能保證齒輪磨削后的精度達(dá)到設(shè)計要求。
齒輪的滲碳層深度可以根據(jù)模數(shù)來選擇[2]。當(dāng)模數(shù)≤1.25 mm時,深度范圍為0.1~0.25 mm;當(dāng)模數(shù)為1.5~2.5 mm時,深度范圍為0.25~0.40 mm;當(dāng)模數(shù)為3~4 mm時,深度范圍為0.35~0.50 mm。
當(dāng)模數(shù)為4.5~6 mm 時,深度范圍為0.45~0.55mm;當(dāng)模數(shù)>6 mm時,深度范圍>0.50 mm;對于高速重載齒輪,滲碳層深度范圍為0.7~1.1 mm。
在工作中,齒輪的受力情況比較復(fù)雜,齒輪的根部受交變彎曲應(yīng)力,齒面受大的接觸應(yīng)力并產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦,并且在嚙合不良時,還受到一定的沖擊載荷,所以齒輪一般要具有以下性能。
1) 較高的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度;2)齒面具有較高的硬度和耐磨性;3)齒輪芯部具有足夠的強(qiáng)度和韌性。
為了達(dá)到以上性能,滿足工作需要,就要根據(jù)齒輪工作的載荷和工作環(huán)境合理地選擇齒輪材料和熱處理工藝。
2 TPX619B主運動齒輪分析
2.1 主運動齒輪材料及熱處理選擇
主電機(jī):1 450 rpm,功率:7.5 kW,主軸轉(zhuǎn)速:8~1 000 r/min,最大扭矩:1 225 Nm,最大軸向抗力:12250 N。屬于低速、中重型機(jī)床且齒輪運行環(huán)境良好。機(jī)床主軸箱齒輪承擔(dān)著傳遞動力和變速的任務(wù),工作時間長,故一般采用碳鋼或40Cr或20Cr制造,見圖1 和表1。
40Cr合金鋼齒輪熱處理為齒部高頻淬火+低溫回火,熱處理后,表面硬度可達(dá)48HRC。提高了鋼的表面耐磨性,且芯部由于沒有進(jìn)行淬火保持了好的韌性,變形小;圖1中5~8、13、14齒輪在傳動中受沖擊力大,且換擋次數(shù)頻繁,所以要求齒輪具有高的耐磨性,疲勞強(qiáng)度和芯部韌性。故選用20Cr材料。熱處理工藝采用滲碳+淬火+低溫回火。根據(jù)機(jī)床齒輪的工作狀態(tài),屬于重載齒輪,故滲碳層取0.9 mm。滲碳后表面含碳量提高,表面硬度要求58(59)HRC;芯部硬度可達(dá)30~45HRC,保證了足夠的強(qiáng)度和韌性。
2.2 主運動齒輪常見問題分析
在實際生產(chǎn)和服務(wù)過程中,機(jī)床主運動部分有齒輪噪聲、雜音等現(xiàn)象發(fā)生,也偶有發(fā)生斷齒和齒輪變形的情況。齒輪噪聲和雜音的產(chǎn)生一般是因加工精度不能保證而引起的,比如:磨齒齒面魚鱗狀;滾齒、剃齒、插齒等齒面粗糙有溝,齒輪精度不合格等。通過嚴(yán)格控制產(chǎn)品質(zhì)量,保證零件按圖紙加工可以有效避免此類問題發(fā)生。
齒輪打齒及齒輪變形的情況則是由于熱處理不當(dāng)引起的。實際生產(chǎn)中小尺寸的滲碳鋼齒輪易發(fā)生斷齒現(xiàn)象,需要進(jìn)行滲碳的齒輪,若滲碳層過大,則會導(dǎo)致齒輪芯部硬度過高,韌性不足,導(dǎo)致斷齒現(xiàn)象的發(fā)生。齒輪變形則是由于表面硬度不夠造成的,檢測變形齒輪發(fā)現(xiàn)變形齒輪硬度低于圖紙要求硬度,嚴(yán)格控制熱處理工藝后癥狀沒有再發(fā)生。由上述可見, TPX619B產(chǎn)品的齒輪材料和熱處理與其運行工況是相符的,能滿足機(jī)床工作需要。
3 結(jié)束語
雖然齒輪設(shè)計在機(jī)床設(shè)計工作中的數(shù)量在減少,但隨著電氣技術(shù)的提高對齒輪提出的要求也相應(yīng)提高,從我國現(xiàn)階段機(jī)床發(fā)展水平來看,齒輪傳動結(jié)構(gòu)還不可避免[3]。為保證力學(xué)性能、提高齒輪傳動質(zhì)量根據(jù)工況要正確地選擇齒輪材料、冷加工和熱處理工藝。長時間的市場檢驗證明,本產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,主軸箱齒輪故障率低,說明其工況和齒輪材料及熱處理工藝相當(dāng)匹配。希望本文能對讀者在機(jī)床齒輪設(shè)計中有所啟發(fā)。
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