内齿轮齿圈

2024-10-07

内齿轮齿圈（共3篇）

内齿轮齿圈篇1

0引言

某机械厂生产的内齿齿轮在使用500h后发生断裂失效。齿轮材料为40Cr钢, 其工作原理为电机带动小齿轮转动, 通过齿轮啮合将动力传至该内齿圈, 内齿圈带动某一旋转机构进行工作。失效齿轮安装合理, 齿轮箱的润滑正常。由于该内齿轮齿圈工作服役时间较短, 出现的断裂属非正常断裂, 对其断裂失效的原因进行分析有助于避免此类事故的再发生, 减少不必要的经济损失, 并对预防此类机械早期失效有借鉴作用。齿圈材料40Cr钢制齿圈的加工工艺流程:材料下料→开坯→辊锻→机加工→调质→精加工→加工齿形→表面感应淬火→回火 (或自回火) 。

1实验过程

1.1 原材料分析

对40Cr钢内齿轮齿圈进行取样, 经过光谱仪分析其原材料的化学成分如表1所示, 表1中还列出了根据GB/T6396-2006标准的40Cr钢的化学成分。

根据实测成分40Cr钢齿圈材料的化学成分符合国家标准要求。

1.2 宏观断口分析

40Cr钢内齿轮齿圈断裂的宏观形貌如图1所示。断口呈现脆性断裂的特征, 断口呈灰黑色, 断口有明显的“河流状”花样, “河流”的上游即为裂纹起源之处。裂纹首先在齿根表面的淬硬层处形成, 此处即为裂纹源;在裂纹源附近, 断口有少量的塑性变形 (图1中白亮色的部位) , 这是断口在受到机械挤压时产生的, 这说明裂纹从裂纹源处产生后, 并没有快速的扩展, 而是缓慢地扩展;因此, 对齿圈而言, 断裂裂纹起源于表面淬硬层;表面出现裂纹之后齿圈并没马上断裂, 而是又使用了一段时间, 裂纹扩展之后, 才最终导致裂纹失稳扩展, 发生内齿轮齿圈断裂的现象[1,2]。

Fig.2 Macro-appearance of the ring internal gear

1.3 硬度检测

使用D-30洛氏硬度计和HB-3000型布氏硬度计分别对40Cr钢齿圈材料进行表面硬度和芯部硬度测试, 测试结果如表2所示。

40Cr齿圈芯部硬度为224HB, 符合要求;齿面表面淬火硬度为57HRC, 硬度值偏高, 说明齿面淬火后的自回火不够充分;为了验证, 将硬度试验的样品放到炉中重新进行200℃×2h回火, 重新回火后的硬度为52.6HRC。说明表面淬硬层没有进行回火或自回火不充分。

1.4 冲击韧性检测

根据40Cr钢齿圈材料的失效部位, 先后在不同位置经线切割取了7个标准的冲击试样进行冲击韧性的检测分析, 测试结果如表3所示。

齿圈芯部材质的冲击功AKV≥12J, 冲击吸收功明显偏低, 说明齿圈芯部材质很较脆, 其原因可能是:低温造成的冷脆性或高温回火造成的第二类回火脆性;通过在30℃的烘箱进行加热保温30min后, 取出立即进行冲击, 其冲击值为14J, 说明齿圈冲击韧性过低的原因不一定是冷脆性造成的;将冲击试样放到炉中重新进行590℃×2h回火, 回火后水冷, 其冲击值为26.3J, 比第一次试验14.7J有大幅度提高, 但仍然较低;将冲击试样重新进行调质热处理, 850℃油淬+590℃×2h回火, 回火后水冷, 其冲击值为AKV≥110J, 说明齿圈芯部材质很脆的原因是由于产生了第二类回火脆性。

1.5 金相组织分析

1.5.1 齿圈芯部的金相组织

芯部的金相组织为:回火索氏体+回火态贝氏体+少量铁素体见下图2, 芯部的金相组织为正常的调质组织, 晶粒较细小, 没有发现明显的缺陷。

1.5.1 齿圈淬硬层的金相组织

表面淬硬层的金相组织为:针状马氏体组织+贝氏体组织, 如下图3所示, 该组织为正常的淬火马氏体组织, 没有发现明显的缺陷。

1.6 断口分析

齿圈断口的微观形貌, 扫描电子显微镜照片如下图4所示 (右图为左图方框处的放大图) , 图4中明显可见淬硬层与芯部的分界线。

在淬硬层部位的断口微观形貌图4 (a) 为:准解理断裂的断口, 断口上有微孔型断裂 (较多) , 也有类解理型断裂 (较少) , 这是淬火+低温回火组织, 在韧脆转变温度附近出现的一种较为常见断裂形式;在淬硬层以下的部位, 其断口微观形貌图4 (b) 为:典型的解理断裂的断口, 断口上有河流花样和解理台阶[3], 这是在齿圈工作温度较低, 材质的冲击韧性也很低时, 出现的一种脆性断裂的断口, 断口上没有发现明显的缺陷。

2断裂原因分析

通过以上分析结果可以判断, 40Cr钢内齿轮齿圈断裂为热处理工艺不当, 即齿圈在表面淬火后没有进行低温回火或自回火不够充分, 导致材料的淬硬部分与未淬硬部分在过渡处形成微裂纹, 当齿圈上的齿在啮合的过程中受到较大的弯曲应力和冲击作用下, 微裂纹在弯曲和冲击的条件下发生稳态扩展, 此时已形成裂纹的部分受到机械挤压作用出现白亮的塑性变形形貌;同时表面硬度越高, 塑性变形越困难, 不能缓和因弯曲产生的表面拉应力, 表面产生的拉应力不能有效的进行重新分布[4,5,6], 应力无法释放, 最终在缺陷处开始扩展, 直至齿圈发生断裂。

另外由于齿圈在表面淬火前的调质处理中的高温回火后, 没有进行快速冷却, 从而导致了40Cr齿圈材料产生第二类回火脆性, Cr、P元素等向偏聚, 回火脆性随杂质元素的增多而增大从而降低了晶界的断裂强度, 从而降低了40Cr齿圈材料的冲击韧性, 在使用过程中受到偶尔的过载使材料发生断裂。

3结论及建议

40Cr钢内齿轮齿圈由于在热处理的表面淬火后没有进行低温回火造成材料在淬硬部分与未淬硬部分过渡较差并在此处形成微裂纹, 在弯曲应力和冲击作用下裂纹发生扩展, 直至断裂;此外, 由于材料在表面淬火前的调质处理时产生了第二类回火脆性, 使得材料的冲击韧性降低较为明显, 这也加剧材料的断裂。建议采取以下措施进行改进:

(1) 建议在齿圈进行表面淬火之后, 应进行一次低温回火, 回火温度240～280℃×2h。

(2) 建议齿圈在高温回火后进行快冷 (如水冷) 。

摘要：通过对40Cr钢内齿轮齿圈进行原材料成分检测、宏观断口观察、显微组织分析、硬度及冲击韧性检测。结果表明, 40Cr钢内齿轮齿圈由于表面淬火后硬度过高, 且没有低温回火, 造成齿顶处淬火部分与未淬火部分形成微裂纹。在弯曲应力和冲击作用下裂纹进一步扩展, 直至发生断裂, 同时在调质处理的高温回火后产生第二类回火脆性, 造成齿圈材质的冲击韧性较低, 并针对此类问题提出相应的改进措施。

关键词：40Cr钢,内齿轮齿圈,断裂,失效分析

参考文献

[1]王晓敏.工程材料学[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社.2002, 31.

[2]史月丽, 邓长城, 顾永琴, 等.圆弧轴齿轮断裂分析[J].金属热处理, 2011, 32 (2) :122-124.

[3]康大韬, 郭成熊.工程用钢的组织转变与性能图册[M].北京:机械工业出版社.1992.75.

[4]孙智, 钱永康.45钢渣浆泵主轴早期疲劳断裂分析[J].金属热处理, 2000, 25 (5) :32-34.

[5]王延庆, 崔春之, 王温银, 等.装载机后桥减速器齿轮轴崩齿失效分析[J].金属热处理, 2008, 32 (4) :105-107.

[6]赵子华, 张峥, 钟群鹏, 等.风机叶片断裂原因分析[J].金属热处理, 2007, 32 (增刊) :156-158.

内齿轮齿圈篇2

1 被测零件分析

由于各种驱动车桥系列承载吨位大小不同, 所需驱动扭矩不同, 因此主减速器总成内的从动锥齿轮大小也存在较大的差异。如图2示, 从8.5t车桥至13t车桥所匹配的从动锥齿轮, Φd大小范围为Φ190~Φ260mm;ΦD大小范围为Φ300~Φ500mm。

2 检测难度分析

从动锥齿轮直径波动范围较大, 较重;若采用现有齿轮跳动检查仪装夹方式, 则存在以下问题:

(1) 加工直径为Φ190~Φ260mm各种系列的芯轴, 芯轴直径较大, 难以保证加工精度且使用不方便;

(2) 检查仪两侧的中心顶针座要加高, 抬高中心顶针的距离, 使其能满足最大直径500mm的要求。

3 解决问题方法

根据从动锥齿轮的结构特点, 设计专用检具, 能满足检测其齿轮齿圈跳动的要求, 检具可调整, 满足不同直径的检测需求, 从而不需要加工各种尺寸的芯轴。专用检具如图3所示。

该检具主要通过3个深沟轴承将从动锥齿轮固定在3个垫块上, 通过螺杆可调节其中1个深沟轴承的位置, 从而调整固基准圆的大小, 满足不同Φd的要求。

4 专用检具关键技术说明

对于目前大多数的大型从动锥齿轮, 只需调整活动定位轴承和百分表高度, 即可测量从动锥齿轮的齿面跳动, 适用于不同的产品, 检测快速简便。

5 实际操作

(1) 将从动锥齿轮放置于3个垫块上, 调整螺杆, 将定位用的深沟轴承调整到相应的位置, 使深沟轴承贴到从动锥齿轮内径壁即可。 (如图5)

(2) 调整百分表位置, 使百分表压头压到齿面上, 使百分表转动半圈为宜;后调整百分表回零。

(3) 轻微转动从动锥齿轮, 百分表显示数值即为该点处跳动值, 再均布检测其余两点齿面, 按照以上方面, 对比3点数据, 符合检验标准即为合格;不然反之。

(4) 切换不同产品规格时, 可通过活动定位轴承、升降杆、百分表安装组件等机构进行调整, 以满足产品大小不一的需求。检测手段同上。

6 结论

该专用检具操作简单, 快速准确, 实用方便, 避免为了装夹从动锥齿轮而制作各种型号的芯轴, 降低了检测成本;而使用三个深沟轴承定位内圆的方式, 使得定位更加合理, 检测更加精确。经实践证明, 该思路可行, 能满足检测要求, 具有广泛的推广价值。

摘要：介绍一种车桥的从动锥齿轮齿圈跳动的检测方法, 可运用于各汽车零部件厂家在来料检验环节监控从动锥齿轮质量稳定性。解决了该参数原来无法测量的状况, 值得广泛的推广应用。

关键词：从动锥齿轮,跳动,检测

参考文献

[1]王光斗, 王春福.机床夹具设计手册[M].上海:上海科学技术出版社, 2000.

[2]吴宗泽.机械设计师手册[M].北京:机械工业出版社, 2002.

某变速箱内齿圈加工技术篇3

某变速箱内齿圈是一个重要零件, 起着重要的传动作用, 零件形状见图1。

此零件材料相当于国产材料20Mn Cr5, 整体渗碳淬火, 深度0.4~0.7 mm (HV610) , 内齿滚棒尺寸要求237.932+0.248, 尺寸变化范围不超过0.10 mm, 齿形、齿向偏差符合DIN9级精度。内齿圈为薄壁件, 变形大, 国内都是通过磨齿或更改材料做氮化工艺或感应淬火来达到图样上要求。笔者公司通过一系列工艺技术试验和攻关, 结合控制热处理变形, 确保零件不磨齿即能满足精度要求。

2 变形控制

2.1 变形因素分析

控制热处理变形是多方面的, 分析从机械加工开始, 在热处理前后对数据进行多批次收集, 找寻各工序过程影响热处理变形的因素, 部分具体数据见表1。

利用MINTAB软件的数据分析功能, 对表1进行数据分析筛选主要影响因素。

(1) 采用假设检验对批次的差异造成热处理变动的影响进行分析。

由于两批次按时间先后和不同的原材料炉次进行投产, 故从批次上可以区分环境温度和原材料化学成分微量变化。根据图2显示, 可以利用数据证明环境温度和原材料化学元素的变动对热处理前后的变形无显著影响。

(2) 利用多元回归分析对热前工序的精度影响热处理变形的大小进行计算。

从图3中图形显示, 车工跳动、插齿跳动、渗碳后跳动对淬火后内齿圈跳动均有影响, 故热前机械加工过程的精度和渗碳后的变形控制都是影响热处理变形的关键因素。

(3) 由于渗碳和淬火后零件齿圈均存在跳动, 根据数据分析渗碳后跳动和淬火跳动对产品的跳动均有显著相关性, 故采用DOE确定经济合理的跳动数值, 具体实验运行和结果见表2和图4。根据实验设计测得数据, 以及经济性的要求, 确定要求:“渗碳后跳动小于0.18;淬火后跳动小于0.12”。

2.2 渗碳前的机加工变形控制

由于内齿圈零件为薄壁件, 采用普通的固定、夹紧方式, 零件因加持处受力变形, 而导致零件跳动增大, 如图5所示, 在外圆面上呈规律的三角形, 即三爪夹持力造成。

对现有工艺进行改进, 车外圆时使用专用的夹具, 内孔定位, 端面支靠和固定, 避免零件变形, 见图6。