齒輪淬火的最佳[1](戴忠森)

1、齒輪淬火的“最佳”硬化層深與“適當(dāng)”硬化層深戴忠森眾所周知，齒輪的淬硬層深“過淺”，對接觸和彎曲承載能力都不利。但淬硬層也不是越深越好，最佳或適當(dāng)?shù)挠不瘜由疃龋墒过X面和齒根都具有較高的強度（承載能力）。另外，不同的熱處理方法，其“最佳”值也不是一樣的。二十世紀(jì)七、八十年代，隨著齒輪強度計算方法ISO標(biāo)準(zhǔn)的公布，以及國內(nèi)GB/3480“圓柱齒輪承載能力計算方法”標(biāo)準(zhǔn)的實施，特別是工業(yè)硬齒面齒輪的廣泛采用，國內(nèi)外齒輪工作者（專家、學(xué)者），就熱處理硬化層深問題，進行了大量的試驗研究和理論分析。其實質(zhì)都是基于接觸（彎曲）疲勞強度，其核心問題是：疲勞裂紋發(fā)生（萌生）在何處？破壞后的形狀是點蝕（pitt

2、ing貝殼狀），還是片蝕（剝落spalling）？研究表明，一般軟齒面大多是點蝕，而硬齒面大齒輪大多是剝落（片蝕）。疲勞裂紋的萌生，有可能在表面，也有可能在表層。至今，有關(guān)硬齒面齒輪接觸疲勞強度（剝落）計算的理論和方法，主要有：最大剪切應(yīng)力max（45°）；正交剪切應(yīng)力（yz）；當(dāng)量剪切應(yīng)力（effa）；深部接觸應(yīng)力；最大剪切應(yīng)力/剪切強度的峰值；正交剪切應(yīng)力/強度（硬度）（yz/HV）max；當(dāng)量剪切應(yīng)力/強度的峰值等，通過理論計算可以確定接觸疲勞強度（安全系數(shù)）；或者確定最佳淬硬層深度。這些理論和方法一直都有爭議，因此至今也沒有一個權(quán)威的理論和方法被大家所能完全接受。所謂“最佳硬

3、化層深”，其說法也是較含糊的，而且眾說不一，以滲碳淬火齒輪為例，德國DIN3990，硬化（滲碳）層深度，給出一個經(jīng)驗公式：（推薦）Eht= 0.15mn（mn法面模數(shù)）(1)。該經(jīng)驗公式，有一個突出的問題，就是未考慮實際載荷的情況。所以，對于輕載齒輪，允許比經(jīng)驗公式稍淺的硬化層深度。Thomas Tobie近年來提出在用ISO/DIN進行標(biāo)準(zhǔn)化承載能力計算時，考慮硬化層深度對承載能力的影響，引入了影響系數(shù)ZEht（接觸承載能力影響系數(shù)）；Eht（彎曲承載能力影響系數(shù)）。其目的是對于某一結(jié)構(gòu)的齒輪，確定要求的硬化層深度，或者計算已給定硬化層的齒輪承載能力（安全系數(shù)）。美國AGMA（基于最大剪切應(yīng)

4、力），最小硬化層深度（最佳層深）：Ehtmin= (H·d1·sint ) / ( UH·cosb) · Z2 /（Z1+Z2）= 2·c·H / UH = 2.2·TH式中：H 接觸應(yīng)力；d1 小齒輪節(jié)圓直徑；t 端面壓力角；b 基圓螺旋角；c 相對曲率半徑；TH 最大剪切應(yīng)力的深度；UH 硬化工藝系數(shù)（對于MQ，ME級滲碳淬火工藝，UH66000N/mm2）Ehtmin與齒輪的幾何參數(shù)、齒面上的實際載荷、硬化工藝、以及最大剪切應(yīng)力的深度等有關(guān)。例如：某一對工作齒輪，已知模數(shù)mn20mm，Z120，Z2105，螺旋角10&

5、#176;，以及傳遞的載荷等。按德國DIN：Ehtmin n3.0mm；而按AGMA：Ehtmin1.472.14mm，（1按2.2 TH）。就硬化層深度而言，兩者相差較大。日本的藤田公明，基于A(yz / HV）max，提出“最佳硬化層深度”是：當(dāng)滿足 A（yz / HV） A（yz / HV） 時的最淺硬化層深度即為最佳硬化層深度。式中（A（yz / HV）硬化層過渡區(qū)內(nèi)極大值；A（yz / HV）硬化層內(nèi)的極大值）。(2)所以，對于“最佳硬化層深度”，眾說不一，其結(jié)果也出入較大，國內(nèi)某研究所曾針對不同硬化層（滲碳層）深度齒輪的接觸疲勞強度進行了試驗研究，其結(jié)果如下：（材料：20CrMnT

6、i）(3)滲碳層深度(mm)接觸疲勞極限Hlim+1480 (N/mm2)1540 (N/mm2)1345 (N/mm2)結(jié)果表明，當(dāng)滲碳層為時，接觸疲勞極限最高；滲碳層疲勞極限值與的疲勞極限值相差不多，較接近；當(dāng)滲碳層深度為，接觸疲勞極限值有較大的下降。這說明，滲碳層（硬化層深）不是愈深愈好。綜合考慮，滲碳層深為即是“適當(dāng)層深”。溫特爾教授（H·Winter）二十世紀(jì)八十年代初，來華講學(xué)時，針對齒輪表面接觸疲勞強度，有關(guān)滲碳淬火齒輪，特別指出，其滲碳（硬化）層深，不一定要追求最佳層深。從帶來的資料看（見圖）當(dāng)層深達到時，抗點蝕能力增大；大于時，就不再增大（增大的很慢）。最佳抗點蝕能

7、力是滲碳層深度為（即最佳層深）。若滲層深度為，則齒輪表面的耐久限（即疲勞極限），從1500N/mm2,下降為1400N/mm2,(下降了6.7%)；而層深從0.80.9mm(最佳層深)，下降為（下降了50%55.6%）。采用層深，疲勞極限下降并不大，但熱處理時間、變形，均可以大大縮短和減少，磨齒費用也可以大減少，其經(jīng)濟性特別顯著。所以，硬化（滲碳）層深的選擇，應(yīng)綜合考慮，不必追求所謂“最佳層深”，應(yīng)追求的是“適當(dāng)”的硬化層深。這里就是“適當(dāng)”的層深。筆者認(rèn)為，何謂適當(dāng)?shù)挠不瘜由?，既滿足了強度的基本要求（具有所必須的疲勞極限），又具有良好的經(jīng)濟性，這樣的硬化層深，就是“適當(dāng)”的硬化層深。在新的I

8、SO（GB/T3480）“齒輪承載能力計算方法”標(biāo)準(zhǔn)所提供的齒輪疲勞極限應(yīng)力 （Hlim+,Flim）圖表中，有關(guān)滲碳淬火齒輪，圖表中特別指明“保證（保持）適當(dāng)?shù)挠行由睢?。這些齒輪承載能力計算用的疲勞極限應(yīng)力圖，首次被齒輪熱處理標(biāo)準(zhǔn)收錄采用（GB/T8539-2000，“齒輪材料及熱處理質(zhì)量檢驗的一般規(guī)定”）。值得注意的是，對硬化（滲碳）層深有了一個“定性的要求”，（以前的標(biāo)準(zhǔn)中，并沒有這樣明確），但是提的是“適當(dāng)?shù)挠行由睢?，而不是“最佳有效層深”。何謂“適當(dāng)”？具體的“值”是多少？并沒有明確的規(guī)定。這給出齒輪設(shè)計硬化層深度，留下一個可根據(jù)實際情況，綜合全面考慮問題的寬松空間。筆者認(rèn)為，何謂“適當(dāng)”，應(yīng)綜合考慮。只要能保證齒輪的疲勞強度（承載能力）基本要求，更應(yīng)著重考慮具有較顯著的經(jīng)濟性，根據(jù)不同的熱處理方法，和熱處理質(zhì)量（包括材質(zhì)），選定一個較為“合適”的有效硬化層深度。不必刻意追求“最佳”層深，甚至盲目的追求更深的硬化層深度。引用文獻資料：（1）滲碳齒輪的滲碳層深度與承載能力 德國Thomas·Tobie 齒輪資料2001.1第153期。（2）表面硬化齒輪齒面強度計算研究的進展東北工學(xué)院鄂中凱、何德芳等 “全國第2屆齒輪強度與試驗技術(shù)學(xué)術(shù)會”論文集。（3）滲碳淬火齒輪接觸疲勞強度試驗研究 機械部洛陽礦山機械研究所宋保紅、王捷等