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失效分析現(xiàn)場(chǎng)直擊——裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)橋大螺旋齒輪斷齒失效分析及改進(jìn)措施

2018-11-15 11:39:43 作者：侯國(guó)清來(lái)源：《理化檢驗(yàn)—物理分冊(cè)》分享至：

在某裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)橋大螺旋齒輪開(kāi)發(fā)過(guò)程中的裝機(jī)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，齒輪在工作200~1300h時(shí)出現(xiàn)斷齒失效的情況。

該大螺旋齒輪的內(nèi)圓直徑為210mm，外圓直徑為380mm。失效大螺旋齒輪的宏觀形貌如圖1所示，齒輪材料為20CrMnTi鋼。齒輪的技術(shù)要求參照J(rèn)B/T 6041－2013《輪式工程機(jī)械驅(qū)動(dòng)橋主減速器齒輪副技術(shù)條件》：零件經(jīng)淬火后表面硬度為58~64HRC，心部硬度為33~45HRC。齒輪熱處理按JB/T 5944－1991《工程機(jī)械熱處理件通用技術(shù)條件》規(guī)定進(jìn)行。

圖1　失效大螺旋齒輪的宏觀形貌

為查明該大螺旋齒輪斷齒失效原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析，并給出了改進(jìn)措施。

理化檢驗(yàn)

1宏觀檢驗(yàn)

對(duì)失效的大螺旋齒輪輪齒斷口形貌進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖2所示，可以看到失效輪齒都是從齒根處產(chǎn)生折斷，且在齒輪大端均有殘留的一段未折斷，斷口均為凹型。

圖2 失效大螺旋齒輪斷口宏觀形貌

對(duì)失效大螺旋齒輪進(jìn)行磁粉探傷，結(jié)果如圖3所示，可以看到在有些未崩斷的輪齒凸面根部存在平行于齒根的裂紋，并且裂紋的形態(tài)與圖2中折斷輪齒斷面中的斷裂線相同，均是在小端處略高，而在大端處偏低，這也再次表明裂紋起源于齒根處。

圖3 失效大螺旋齒輪未折斷輪齒齒根處裂紋形貌

為了獲得更加確切的裂紋起裂位置，在垂直于裂紋長(zhǎng)度的方向?qū)⑹Т舐菪X輪剖開(kāi)，經(jīng)研磨、拋光后觀察可以看到，裂紋起源于齒根圓角與齒面的過(guò)渡位置處，如圖4所示。

圖4 起源于齒根圓角與齒面過(guò)渡位置的裂紋形貌

從理化檢驗(yàn)的結(jié)果可以看到，齒輪心部硬度偏低，低的心部硬度會(huì)降低輪齒的疲勞彎曲強(qiáng)度。

2斷口分析

從斷齒上切取試樣，利用掃描電鏡進(jìn)行斷口微觀形貌觀察，結(jié)果如圖5所示。

圖5 失效大螺旋齒輪斷口SEM形貌

由圖5可知：大螺旋齒輪的失效模式為彎曲疲勞斷裂，疲勞裂紋在齒根處是沿齒寬方向擴(kuò)展的，在輪齒內(nèi)部則是沿齒厚方向擴(kuò)展的。

3化學(xué)成分分析

隨機(jī)選取3個(gè)失效大螺旋齒輪對(duì)其取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，各個(gè)失效齒輪的化學(xué)成分均符合GB/T 3077－1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)20CrMnTi鋼成分的技術(shù)要求。

表1 失效大螺旋齒輪的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

4硬度及金相檢驗(yàn)

對(duì)上述隨機(jī)選取的3個(gè)失效大螺旋齒輪的表面硬度和心部硬度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表2 失效大螺旋齒輪硬度及金相檢驗(yàn)結(jié)果

可以看到失效大螺旋齒輪的表面硬度，顯微組織中的碳化物級(jí)別、馬氏體＋殘余奧氏體級(jí)別以及心部鐵素體級(jí)別均符合技術(shù)要求，但心部硬度偏低或剛剛滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的下限，因此需要采用控制淬透性的材料或改變熱處理工藝以提高齒輪的心部硬度。

綜合分析

根據(jù)齒輪的工作特點(diǎn)進(jìn)行受力分析可知：在齒輪其他參數(shù)不變的情況下，齒根圓角曲率半徑是影響齒根彎曲應(yīng)力的主要因素，即輪齒的彎曲疲勞強(qiáng)度主要決定于齒根圓角曲率半徑。

根據(jù)裂紋的起始位置可知導(dǎo)致該大螺旋齒輪輪齒疲勞壽命較低的主要原因?yàn)辇X根圓角曲率半徑太小。過(guò)小的齒根圓角曲率半徑增大了大螺旋齒輪在工作過(guò)程中齒根處的應(yīng)力集中，導(dǎo)致其彎曲疲勞壽命明顯降低。齒輪心部的顯微組織和硬度也會(huì)明顯地影響齒輪的疲勞性能。隨著心部硬度的增加，其對(duì)齒輪硬化層的支撐作用也會(huì)增加，從而提高齒輪的疲勞強(qiáng)度。

對(duì)大螺旋齒輪工作過(guò)程中的嚙合斑點(diǎn)尺寸進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖6所示。

圖6 失效大螺旋齒輪工作時(shí)的嚙合斑點(diǎn)

根據(jù)GB/T 13924－2008《漸開(kāi)線圓柱齒輪精度檢驗(yàn)細(xì)則》和GB/Z 18620.4－2008《圓柱齒輪檢驗(yàn)實(shí)施規(guī)范第4部分：表面結(jié)構(gòu)和輪齒接觸斑點(diǎn)的檢驗(yàn)》的規(guī)定可知：圖6中大螺旋齒輪實(shí)際的嚙合斑點(diǎn)尺寸在齒寬方向明顯小于標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。

由上述分析可以得出大螺旋齒輪的斷裂過(guò)程如下：大螺旋齒輪在工作過(guò)程中的彎曲應(yīng)力作用下，由于齒輪的齒根圓角曲率半徑和嚙合斑點(diǎn)尺寸較小，造成了齒根處的應(yīng)力集中，并且由于輪齒心部硬度偏低，對(duì)表面硬化層的支撐作用弱，最終導(dǎo)致裂紋在輪齒凸面中部偏小端齒根附近萌生。隨著彎曲應(yīng)力的持續(xù)作用，萌生后的裂紋以裂紋源為中心向輪齒的兩端及輪齒心部擴(kuò)展。裂紋在向小端擴(kuò)展時(shí)，會(huì)向齒頂方向翹起，導(dǎo)致其擴(kuò)展過(guò)程的阻力逐漸減小，使得裂紋迅速擴(kuò)展到小端端部。裂紋在向大端擴(kuò)展時(shí)，擴(kuò)展阻力相對(duì)較大，擴(kuò)展速度小于小端的，這就導(dǎo)致向小端擴(kuò)展的裂紋已經(jīng)擴(kuò)展至端部時(shí)，而向大端擴(kuò)展的裂紋還未擴(kuò)展至端部，這也就使得齒輪折斷時(shí)剩余了大端瞬斷區(qū)內(nèi)來(lái)不及擴(kuò)展的一段。

改進(jìn)措施

（1）更換齒頂圓角更大的齒輪加工刀具，以增大齒根圓角曲率半徑，降低齒根處的應(yīng)力集中程度。

（2）對(duì)齒輪進(jìn)行檢驗(yàn)，保證大螺旋齒輪以及與其配合的錐齒輪加工合格，并且嚙合斑點(diǎn)尺寸符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。

（3）建議采用淬透性良好的20CrMnTiH鋼制造大螺旋齒輪，以獲得穩(wěn)定且合格的心部硬度，進(jìn)而提高齒輪心部對(duì)表層的支撐作用。

（4）在齒輪生產(chǎn)過(guò)程中增加強(qiáng)力噴丸工藝以提高齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度。

應(yīng)用效果

將大螺旋齒輪的齒根圓角曲率半徑增大到3.5mm，并將齒輪材料由原來(lái)的20CrMnTi鋼換為淬透性良好的20CrMnTiH鋼，適當(dāng)調(diào)整齒輪輪齒齒形并增加強(qiáng)力噴丸工藝。改進(jìn)后，經(jīng)過(guò)裝機(jī)試驗(yàn)跟蹤，大螺旋齒輪的使用壽命已超過(guò)規(guī)定的壽命（2000h），未再發(fā)生早期斷齒失效情況。

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責(zé)任編輯：韓鑫

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