齒輪材料的合理選擇
/ 2021/6/5 10:44:23
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齒輪是現代機械中應用最廣泛的一種機械傳動(dòng)零件。齒輪傳動(dòng)通過(guò)輪齒互相嚙合來(lái)傳遞空間任意兩軸間的運動(dòng)和動(dòng)力，并可以改變運動(dòng)的形式和速度。齒輪傳動(dòng)使用范圍廣，傳動(dòng)比恒定，效率較高，使用壽命長(cháng)。在機械零件產(chǎn)品的設計與制造過(guò)程中，不僅要考慮材料的性能能夠適應零件的工作條件，使零件經(jīng)久耐用，而且要求材料有較好的加工工藝性能和經(jīng)濟性，以便提高零件的生產(chǎn)率，降低成本，減少消耗。如果齒輪材料選擇不當，則會(huì )出現零件的過(guò)早損傷，甚至失效。因此如何合理地選擇和使用金屬材料是一項十分重要的工作。
滿(mǎn)足材料的機械性能
材料的機械性能包括強度、硬度、塑性及韌性等，反映材料在使用過(guò)程中所表現出來(lái)的特性。齒輪在嚙合時(shí)齒面接觸處有接觸應力，齒根部有違禁詞彎曲應力，可能產(chǎn)生齒面或齒體強度失效。齒面各點(diǎn)都有相對滑動(dòng)，會(huì )產(chǎn)生磨損。齒輪主要的失效形式有齒面點(diǎn)蝕、齒面膠合、齒面塑性變形和輪齒折斷等。因此要求齒輪材料有高的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度，齒面要有足夠的硬度和耐磨性，芯部要有一定的強度和韌性。
例如，在確定大、小齒輪硬度時(shí)應注意使小齒輪的齒面硬度比大齒輪的齒面硬度高30-50HBS，這是因為小齒輪受載荷次數比大齒輪多，且小齒輪齒根較薄，強度低于大齒輪。為使兩齒輪的輪齒接近等強度，小齒輪的齒面要比大齒輪的齒面硬一些。
另一方面，根據材料的使用性能確定了材料牌號后。要明確材料的機械性能或材料硬度，然后我們可以通過(guò)不同的熱處理工藝達到所要求的硬度范圍，從而賦予材料不同的機械性能。如材料為40Cr合金鋼的齒輪，當840-860℃油淬，540-620℃回火時(shí)，調質(zhì)硬度可達28-32HRC，可改善組織、提高綜合機械性能；當860-880℃油淬，240—280℃回火時(shí)，硬度可達46-51HRC，則鋼的表面耐磨性能好，芯部韌性好，變形小；當500-560℃氮化處理，氮化層0.15-0.6mm時(shí)，硬度可達52-54HRC，則鋼具有高的表面硬度、高的耐磨性、高的疲勞強度，較高的抗蝕性和抗膠合性能且變形極小；當通過(guò)電鍍或表面合金化處里后，則可改善齒輪工作表面摩擦性能，提高抗腐蝕性能。
滿(mǎn)足材料的工藝性能
材料的工藝性能是指材料本身能夠適應各種加工工藝要求的能力。齒輪的制造要經(jīng)過(guò)鍛造、切削加工和熱處理等幾種加工，因此選材時(shí)要對材料的工藝性能加以注意。一般來(lái)說(shuō)，碳鋼的鍛造、切削加工等工藝性能較好，其機械性能可以滿(mǎn)足一般工作條件的要求。但強度不夠高，淬透性較差。而合金鋼淬透性好、強度高，但鍛造、切削加工性能較差。我們可以通過(guò)改變工藝規程、熱處理方法等途經(jīng)來(lái)改善材料的工藝性能。
例如汽車(chē)變速箱中的齒輪選擇20CrMnTi鋼，該鋼具有較高的機械性能，在滲碳淬火低溫回火后，表面硬度為58-62HRC，芯部硬度為30-45HRC。20CrMnTi的工藝性能較好，鍛造后以正火來(lái)改善其切削加工性。此外，20 CrMnTi還具有較好的淬透性，由于合金元素鈦的影響，對過(guò)熱不敏感，故在滲碳后可直接降溫淬火。且滲碳速度較快，過(guò)渡層較均勻，滲碳淬火后變形小。適合于制造承受高速中載及沖擊、摩擦的重要零件，因此根據齒輪的工作條件選用20CrMnTi鋼是比較合適的。
材料的經(jīng)濟性要求
所謂經(jīng)濟性是指最小的耗費取得違禁詞的經(jīng)濟效益。在滿(mǎn)足使用性能的前提下，選用齒輪材料還應注意盡量降低零件的總成本。我們可以從以下幾方面考慮：
從材料本身價(jià)格來(lái)考慮。碳鋼和鑄鐵的價(jià)格是比較低廉的，因此在滿(mǎn)足零件機械性能的前提下選用碳鋼和鑄鐵，不僅具有較好的加工工藝性能，而且可降低成本。從金屬資源和供應情況來(lái)看，應盡可能減少材料的進(jìn)口量及價(jià)格昂貴材料的使用量。
從齒輪生產(chǎn)過(guò)程的耗費來(lái)考慮。首先，采用不同的熱處理方法相對加工費用也不一樣，如12CrNi3A鋼滲碳表面淬火的費用要比氮化處理的費用少得多，而碳氮共滲又具有生產(chǎn)周期短和成本低的特點(diǎn)。其次，通過(guò)改進(jìn)熱處理工藝也可以降低成本。如某齒輪工作時(shí)在高速、中載且承受中等沖擊條件下，原選用中合金高級滲碳鋼18cr2Ni4WA材料，其經(jīng)過(guò)910-940℃滲碳，850℃淬火，180-200℃回火后機械性能的抗拉強度≥1177Mpa、屈服強度≥834Mpa、延伸率≥10％、斷面收縮率≥45％，沖擊韌性≥980kJ／m2，硬度為58-62HRC。雖能滿(mǎn)足齒輪的使用性能和工藝性能，但零件的價(jià)格高。現選用價(jià)格相對便宜的低碳中合金、中淬透性滲碳鋼20CrMnTi。經(jīng)過(guò)910-940℃滲碳，870℃淬火，180-200℃回火后機械性能的抗拉強度≥1100Mpa、屈服強度≥850Mpa、延伸率≥10％、斷面收縮率≥45％，沖擊韌性≥680，硬度為58-62HRC。僅此一項改進(jìn)，材料費用不僅大大降低，而且滿(mǎn)足了其使用性能和工藝性能。第三，所選鋼種應盡量少而集中，以便采購和管理。隨著(zhù)齒輪形狀、尺寸和材料向著(zhù)多品種、多系列和個(gè)性化的方向發(fā)展，尤其是在型號多、產(chǎn)量小時(shí)，在齒輪鍛造、機加工和熱處理等生產(chǎn)工藝方面，存在著(zhù)設計量大，生產(chǎn)周期長(cháng)、效率低、成本高、能耗大、管理難和質(zhì)量不易保證等不利狀況，因此在齒輪選材時(shí)精選、優(yōu)選和壓縮材料牌號和規格有利于提高選材通用化、系列化和標準化程度，提高材料的利用率，提高材料采購的計劃性，以減少庫存積壓、加快資金流動(dòng)，方便儲存和保管以及降低材料的成本消耗。最后，我們還可以通過(guò)改進(jìn)工藝來(lái)提高經(jīng)濟效益。如模鍛件生產(chǎn)的模鍛工藝已突破傳統工藝的要求，在提供成型毛坯時(shí)，可利用少無(wú)切削工藝，模鍛與機械精加工相結合，部分或全部取代切削加工直接生產(chǎn)零件，或在生產(chǎn)中采用成組技術(shù)與工藝，也可提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和降低成本。
結束語(yǔ)
綜上所述，在選擇齒輪材料時(shí)。必須了解我國工業(yè)發(fā)展形式，結合我國資源和生產(chǎn)條件，從實(shí)際出發(fā)，全面考慮機械性能、工藝性能和經(jīng)濟性等方面的問(wèn)題，只有合理選材才能保證齒輪質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本，從而提高市場(chǎng)競爭力。
