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      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)。