确定重载大模数齿轮深层渗碳深度的方法比较

1、确定重载大模数齿轮深层渗碳深度的方法比较李光瑾1 任颂赞1 滕鲁湘2 陈德华1 哈胜男1 祝兵寿2 蒋勇刚2 杨亚文2 王(1 上海市机械制造工艺研究所有限公司 , 上海 200070)(2 常州减速机总厂有限公司 , 江苏 常州 213149) (3 上海大学 , 上海 200072)洪3摘要分析比较了多种重载齿轮深层渗碳深度的确定方法 ,列出了近年部分重载齿轮对渗碳层深度要求的变化 。选用不同直径的代表性试样和齿形试样 ,进行了渗碳淬硬层应力测定 ,认为可以从压缩 现有深层渗碳层深度冗余和在归结近年来渗层深度变化的基础上 ,努力实现深层渗碳工艺精益化 ,适当降低渗碳层深度 ,在确保齿轮承载

2、能力的前提下 ,使深层渗碳过程成为节能减排 、清洁高效的加工技术 。关键词深层渗碳有效硬化层深度工艺精益化comparison of the methods of determining carburizeddepth of heavy2duty large module gearli guangjin1 ren songzan1 teng luxiang2 chen dehua1 ha shengnan1zhu bingshou2 j iang yonggang2 yang yawen2 wanghong3(1 shanghai institute of machine building t

3、echnology co . , ltd. , shanghai 200070 , china) (2 changzhou general speed reducer factory co . , ltd. , changzhou 213149 ,china)(3 shanghai university , shanghai 200072 ,china)abstracta variety methods of determining the depth of deep case carburizing of heavy2duty gear are compared ,the variation

4、 of carburized depth requirement of heavy2duty gear in recent years are listed. the quench stress test of the carburizing samples with different diameter and the specimen with teeth shape are carried out . on the basis of com2 pressing the depth redundancy of the existing deep carburized layer and r

5、eferring to the variation of carburized depth in recent years ,we can make great efforts to attribute lean process of carburized depth ,appropriate reducing the depth , and on condition of ensuring gear load capacity ,make deep carburizing process to a processing technology of energy conservation an

6、d emission reduction and clean efficient .key words deep carburizingeffective hardening depthtechnique lean process定和校核标准 ,将渗碳淬硬层深度简称“淬硬层深度”(用 chd 表示) 。齿轮成品的有效淬硬层深度为齿面 经磨削后的硬化层深度 ( 用 eht 表示) 。两者的关系 为 :chd = eht + 磨削余量 。0引言重载硬齿面齿轮常采用低碳合金钢深层渗碳淬火工艺 ,以适应在重载荷情况下齿面接触疲劳和齿根弯曲疲劳性能 。按照 jb/ t 8929 1999 深层渗碳标准界

7、 定 ,有效硬化层深度 3mm 以上即为“深层渗碳”( 该标准 2008 版取消了 3mm 的界定) 。渗层深度直接决定了渗碳工艺周期长短 、能源消耗和生产效率高低 。如 何确定齿轮的渗碳层深度有若干标准和方法 ,近年来 重载齿轮深层渗碳齿轮有效硬化层深度的设定发生了很大变化 。gb/ t 9450 2005 钢件渗碳淬火硬化层深度的测1现有确定硬面齿轮渗碳淬火 eht 值的方法参与齿轮承载能力计算的材料特征参数各种齿轮承载能力计算方法 , 常用的材料特征参1. 1数有 :弹性模量 ( e) 、泊松比 () 、许用齿根应力 (fp) 、弯曲疲劳极限应力 (flim) 、许用接触应力 (hp )

8、 、接触 疲劳极限应力 (hlim) 、抗拉强度 ( rm ) 、硬度 ( hrc 、hv第 35 卷 第 02 期确定重载大模数齿轮深层渗碳深度的方法比较61等) 。这些指标中强度 、硬度和疲劳极限等 , 可通过选择合适的材料和热处理工艺方法获得 。我们注意到 , 在多种齿轮承载能力计算方法标准 中 , 有对齿轮材料与热处理的要求 , 但未提出参与计算 所需的 eht 数据 , 有的仅强调应“保证适当的有效硬化层深度”。1. 2 部分确定硬齿面齿轮渗碳淬硬 eht 值的方法长期以来 , 人们依据齿轮设计 、制造 、试验和运行 的经验 , 确定出相关系数 ( 如安全系数 、过载系数 、多种 工

9、况系数等) , 提炼出多种模数 - eht 值对应关系图和基于多种要素的计算公式 , 本文中仅选择模数 - eht值的对应关系图进行比较 。1. 2. 1 我国部分齿轮渗碳淬硬 eht 值选择方法 我国 部分标准推荐的齿轮渗碳淬硬 eht 值选择方法有几个 标准 。其一 , gb/ t 3480. 5 2008 直齿轮和斜齿轮承载能 力计算第 5 部分 :材料的强度和质量 ( 该标准等同采用 iso 6336 5 :2003 标准 ,同时是对 gb/ t 8539 2000 的修 订) 。接触强度的最佳硬化层深度推荐值 eht hopt 和综合 考虑弯曲强度和接触强度的最大硬化层深度 ehtm

10、ax 0. 4 mn ( 6mm) , ehtmin 0. 3mm ,对应关系见图 1 。表 1行业标准与资料推荐的齿轮渗碳淬硬 eht 值计算方法nn注 1 :表中两种模数的符号均按原标准及资料录入 , 未作统一 。注 2 : tb/ t2989 2000 等效采用法国 nf f02 303 :1990 机车车辆用 车辆标准 。1. 2. 2 munich 技术大学推荐的模数与 eht 值的对应关系 munich 技术大学以 mn = 3mm、5mm 的 16mncr5 钢齿轮 为研究对象 , 通过齿轮的接触疲劳和弯曲疲劳试验以及 统计分析 ,推荐的具有常规 mn/ c 比值 (端面模数/

11、在节点的曲率半径) 渗碳齿轮的最佳层深见图 32 47 。图 3 munich 技术大学推荐的模数与 eht 值的对应关系图 1 gb/ t 3480 . 5 2008 推荐的渗碳淬火齿轮模数与 eht 值的对应关系其二 , 机械 、铁道行业标准以及大型重载齿轮的推荐值 , 见表 1 和图 2 。1. 2. 3g. 尼曼 、h. 温特尔推荐的模数与 eht 值的对应关系g. 尼曼 、h. 温特尔是国际齿轮界最负盛名的教 授 , 所著的机械零件被推崇为“世界名著”, 他们推荐的模数与不同材料和不同工艺方法获得的 eht 值的对 应关系 ( 图 43 186 ) 曾被广泛引用 , 据称该关系适用于

12、模数为 240mm 的齿轮 。1. 2. 4格里森制推荐的模数与 chd 值的对应关系 弧齿锥 ( 伞) 齿轮加工有不同齿制 ( 如 gleason 制 、klin2 gelnberg 制 、oerlikon 制 等) , 格 里 森 制 推 荐 的 模 数 与chd 值对应关系见图 54 。ansi/ agma 2101 c95 : 1995 推 荐 的 模 数 与1. 2. 5图 2 两个行业标准推荐的渗碳淬火齿轮硬模数与 eht 值的对应关系eht 值的对应关系图 6 为该标准推荐的模数与 eht的对应关系 , 图 6 中所示曲线和范围 , 对性能要求很高序号资料来源确定有效硬化层 深度

13、的办法深度范围1jb/ t 8853 2001m = 1 . 56 时 ,t = (0 . 20. 3) m n ;m = 718 时 ,t = (0 . 150. 25) m n上 、下限深度 相差 50 % ; 上 、下限深度 相差 66 . 7 %2tb/ t2989 2000渗碳或碳氮共渗 齿轮 e ( m + 1) / 10 ( 表面淬火齿轮e 0 . 2 m)仅设定起点深度3我国大型 重载齿轮 1 1169t = (0 . 200. 30) m上下限深度 相差 50 %机械传动2011 年62的齿轮传动 , 应对其使用场合 、载荷情况 、加工工艺进行详细研究 , 以确定齿轮合适的硬

14、度和内部应力梯度 。 层深的测量方法和允许偏差 , 应由用户与制造者商定 。零件、agma2101 d04 和 iso6336 5) , 计 算 出 模 数与 eht 值对应关系见图 7 。图 7 kisssoft 软件计算出的模数与 eht 值对应关系计算结果表明 , iso6336 5 的对应关系区间 , 经软件运行 , 所获得的对应关系图与 iso6336 5 标准中的 对应关系图比较发生了显著变化 。下限为近似线性 、上限为简单的 2mm 、4mm 、6mm 折线形成的多边形框 区 , 这也在某种意义上说明了软件计算值具有的参考 价值 。g. 尼曼 、h. 温特尔的著作中推荐的模数与

15、eht 值的对应关系为近似平行四边形区间 。按 iso6336 5 和 g. 尼曼 、h. 温特尔的方法的计算 , 输入不同的安全系数 、剪切应力等要素 , 计算结果不因这些要素的变化 而改变 。agma2101 d04 : 2004 计算结果 , 35 模数以 下为线性对应 , 以上为折线对应 , 50 模数对应的 eht 值 至 7 . 44mm 。图 4 g. 尼曼 、h. 温特尔推荐的模数与 eht 的对应关系2现有确定齿轮深层渗碳淬火 eht 值方法的局限(1) gb/ t 3480 . 5 2008 已经与国际标准完全接图 5 格里森制推荐的模数与 chd 值的对应关系轨 , 但接

16、触疲劳和弯曲疲劳极限均基于 3mm5mm 模数齿轮 ; 渗碳锻钢的接触疲劳极限和许用弯曲疲劳极 限是基于 eht 为 ( 0 . 150. 20) m 对应关系 。其他方法也是建立在对小模数的齿轮试验研究的基础上 , 所推荐的数据不宜简单的作为确定重载大模数齿轮技术要 求的原则 。(2) 渗碳淬火后 eht 值对重载大模数齿轮可靠性 的影响 , 难以通过齿轮实物的弯曲疲劳和接触疲劳试 验加以考核 , 在很大程度上影响了重载齿轮深层渗碳 效果的研究 。图 6 agma 推荐的模数与 eht 的对应关系在 ansi/ agma 2001 d04 : 2004 版本中 , 提供了以纵坐标为径节 ,

17、横坐标为模数的对应关系图 。1. 2. 6用计算机软件计算 eht 值有的齿轮设计机 软件可在输入若干参数后计算出 eht 值 , kisssoft 软件为其中之一 。该软件选择有代表性的三种齿轮承载能力计算方法 ( 分别为 g. 尼曼 、h. 温特尔的著作机械(3)上述部分确定齿轮深层渗碳淬火 eht 值的方法 , 产生于过去相当长的历史阶段 , 出自不同国度的汽车 、重载装备 、铁道等行业的齿轮要求 , 许多基础数据 常相互援引借鉴 , 有的学者对一些参数的设置也存在 着认知差异 。(4) 除 g. 尼曼外 , 文献 1 1169 对我国大型重载齿第 35 卷 第 02 期确定重载大模数齿

18、轮深层渗碳深度的方法比较63轮 eht 值也作了 0. 20. 3 系数的推荐 , 如此 , 大模数齿轮渗碳淬火的 eht 值将很高 。( 5) 受制于齿轮渗碳装备的技术保障能力 , 按现 有推荐方法 , 同一模数的齿轮 eht 值要求宽泛 , 在保证 齿轮承载能力的前提下 , 将导致齿轮在渗碳高温下长时间被加热引起变形程度加剧 ; 导致齿轮渗碳过程能 源消耗水平差异悬殊 ; 导致齿轮渗碳设备利用率低下 ; 导致齿轮制造成本差异显著 。经验 表 明 , 渗 碳 层 深 度 达 4mm 后 , 深 度 每 增 加1mm 约需渗碳 30h ;大于 6mm ,深度每增加 1mm 约需渗 碳 50h5

19、 。以 500kw 功率大型井式渗碳炉计算 , 仅渗碳炉的电耗分别增加约 1 . 5 万 kwh 和 2 . 5 万 kwh 。形试样 (材料 17cr2ni2mo 、齿面已磨削 、齿根未磨削) 参数见表 3 , 分别经 930 渗碳降温出炉 , 820 淬油 220 回火处理 。表 3 试样的材料 、规格和渗碳层深度试验试样应能在碳含量及显微组织方面控制热处理工艺质量 ;试样尺寸大小 ,主要考虑能反映齿轮的冷 却速度 。按 gb/ t8539 2000 要求 ,代表性试样的最小 直径为 6 模数 。按此计算 ,表 3 中 88mm 试样仅能 代表 14mm 、16mm 模数 。参阅 morg

20、an 某渗碳齿轮的制造技术规范所推荐 的试样几何尺寸 , 大约为节圆上的齿厚 , 32mm 试样 对应 于 法 向 模 数 20mm 。依 此 比 例 推 算 , 88mm 、76mm 、56mm 试 样 , 可 近 似 对 应 于 50mm 、45mm 、35mm 法向模数 。4. 1 几种试样渗碳淬硬层应力测试借助 x - 350a 型 x 射线应力仪 ,结合电化学剥层技 术 ,测量各试样表层残余应力及其分布。仪器参数 :管电近年来部分重载大模数渗碳淬硬齿轮 eht 值的变化为研究之需 , 我们收集了百余种重载齿轮产品资 料 , 作为重载大模数渗碳淬硬齿轮 eht 值变化的原始 记载 ,

21、仍沿用 t = 系数 模数模式 , eht 值设置的情况 见表 2 , 随着齿轮模数的增大 , 系数显著减小 , eht 值的 上 、下限差幅度显著压缩 。3表 2部分重载大模数齿轮的 eht 值要求压 25kv ,管电流 5ma ,cr 靶k 辐射 ,准直管直径 2mm ,fe(211) 晶面 , 角 045,应力常数 = - 318mpa/ () ,测试执行 gb/ t 7704 2008 标准 ,测量原理为= k( 52/ 5sin2)式中 , 为残余应力 , k 为应力常数 , 2 为衍射角 , 为空间方位角 。钢件渗碳淬火后 , 硬化层因组织应力与热应力的 叠加 , 导致残余应力呈凹

22、型分布 , 见图 8图 10 。各个试样未磨削表层约 0. 5 0. 6mm 深处残余压应力最大 ,1 . 02 . 5mm 深残余压应力波动幅度约 - 50mpa- 100mpa 。各种试样 eht 层关键点位测得的应力数据 见表 4 。从图 9 可见 , 由于齿面经磨削加工 , 齿形试样节圆 处表层的压应力高于圆柱试样 , 最大残余压应力出现 位置浅于圆柱试样及齿根处 , 最大残余压应力分布深 度位置变浅 , 还可能伴随有表层残余压应力松弛 。从图 10 可见 , 因齿根未经磨削 , 齿形试样齿根表 层残余压应力大小 、分布特征 、最大残余压应力分布深度与圆柱形试样大致相同 。深层渗碳淬硬

23、层试样的应力分布结合重载齿轮生产实际 , 参照 gb/ t 8539 2000 齿轮 材 料 及 热 处 理 质 量 检 验 的 一 般 规 定 和 jb/ t7516 1994 齿轮气体渗碳热处理工艺及其质量控制 , 制作代表性试样 (材料 20crmnmo 、圆柱状未磨削) 和齿4资料 来源模数与系数的变化深度上下限 相差范围产品 实例m n = 10 , t = (0 . 130. 175) m nm n = 12 , t = (0 . 1530. 192) m nm n = 14 , t = (0 . 140. 175) m nm n = 16 , t = (0 . 150. 188)

24、 m nm n = 18 , t = (0 . 1360. 164) m nm n = 20 , t = (0 . 140. 165) m nm n = 24 , t = (0 . 130. 17) m nm n = 25 , t = (0 . 140. 18) m nm n = 28 , t = (0 . 1250. 15) m n m n = 30 , t = (0 . 110. 137) m n m n = 32 , t = (0 . 150. 185) m nm n = 34 , t = 0 . 135 m nm n = 35 , t = (0 . 160. 17) m nm n =

25、36 , t = (0 . 0970. 128) m n m n = 39 , t 7 = (0 . 080. 103) m n m n = 50 , t 9 = (0 . 050. 06) m n34 . 6 %25 . 5 %25 . 0 %22 . 0 %20 . 6 %17 . 9 %30 . 1 %28 . 6 %20 . 0 %24 . 5 %23 . 3 %-6 . 25 %32 . 0 %28 . 8 %20 . 0 %试样 类型代表性试样 :尺寸/ 渗碳 层深度/ mm齿形试样 :模数/ 渗碳层深度/ mm规 格1 # 88 105/ 3 . 84 . 52 # 76 95/

26、 3 . 03 . 83 # 56 70/ 2 . 53 . 01 # m n = 10/ 节圆处深 2 . 0 ,齿根深 1 . 52 # m n = 20/ 节圆处深 2 . 5 ,齿根深 2 . 0机械传动2011 年64表 4各种试样渗碳淬硬层关键点位测得的应力数据与图 8图 10 未经拟合的曲线比较呈现相似的分布特征 。最大残余压应力出现的深度随着 eht 值的 增大略有增加 , 但最大残余压应力值明显降低 。对于 具有一般 m n/ c 比值的渗碳齿轮 , 根据其齿面和齿根 最大承载能力 , 确定最佳渗碳层深度的基本选择范围 。图 11 小模数齿轮渗碳淬硬层的残余应力分布该研究表明

27、 , 对于不同尺寸的齿轮 , 最大弯曲强度出现 在 eht 值 为 ( 0 . 1 0. 2 ) m n 位 置 , 当 深 度 小 于0. 1 m n或大于 0. 2 m n 时 , 弯曲疲劳极限随着 eht 值的减少 ( 或增大) 明显降低 。抗接触疲劳极限在最佳 eht 值 范围内达到最大 , 比最佳值更大或更小的深度 , 均会使 抗接触疲劳极限降低 , 见图 12 。图 8 代表性试样表层应力分布图 9 齿形试样节圆表层应力分布图 12 不同尺寸的齿轮 eht 值对接触疲劳极限的影响5重载齿轮深层渗碳工艺的精益化趋势深层渗碳工艺精益化 , 即在保证齿轮承载能力安全运行的前提下 , 选择

28、合适的 eht 值 , 不仅使齿轮热处理后的组织性能可靠 , 且热处理过程节能 、减排 、高效 率 。重载齿轮深层渗碳工艺的精益化 , 可从以几个方 面着手 。5. 1 压缩行业标准对齿轮渗碳淬硬后的 eht 值区间以 jb/ t 8853 - 2001 圆柱齿轮减速器为例 , 仅对1 . 56mm 、7 18mm 模数齿轮的 eht 值作了推荐 , 且 上 、下限值差达 50 % 66 . 7 % , 显得过于宽泛 。对大模数 (2050mm) 齿轮的 eht 值未作推荐 。图 10 齿形试样齿根表层应力分布小模数齿轮渗碳淬硬层残余压应力测定与对疲4. 2劳性能的影响munich 技 术 大

29、 学 测 定 的 不 同 eht 值 的 残 余 应 力2 44 - 45 , 经拟合后的残余应力分布曲线见图 11 。试 样浅表面应 力/ mpa最大应力/ mpa2 . 5mm 深处平 均应力/ mpa最大压应力 出现深度/ mm1 # 圆柱- 48 . 4- 230 . 0- 116 . 30 . 50. 752 # 圆柱- 79 . 2- 279 . 1- 227 . 03 # 圆柱- 31 . 7- 285 . 3- 197 . 9齿轮节圆m n = 10- 121. 4- 204 . 1- 120 . 10. 250. 30m n = 20- 146. 8- 218 . 6- 97

30、 . 3齿轮齿根m n = 10- 148. 9- 278 . 9- 194 . 10. 6m n = 20- 107. 5- 286 . 2- 189 . 4第 35 卷 第 02 期确定重载大模数齿轮深层渗碳深度的方法比较65而今 , 重载齿轮深层渗碳的电炉普遍采用微机控制 , 渗碳质量有了较为可靠的保证 , 具备了合理压缩渗 层深度控制的上 、下限值空间的工艺保障能力 。5. 2 依据渗碳淬硬层残余应力分布确定 eht 值鉴于重载大模数齿轮无法进行齿轮的实物疲劳试 验 , 对深层渗碳硬化层进行较深层的残余应力测试 , 是探索较为准确地确定 eht 值的重要技术支撑 。本文中残余应力测试数

31、据表明 , 两类试样虽然 eht 值不同 , 电 解腐蚀深度至 2. 5mm , 均处于较高的残余压应力状态 。研究表明 , 齿轮的接触传动属于线接触情况 。两圆柱体接触沿 z 轴产生两种剪切应力 , 与中心线呈45角的主剪切应力及与滚动方向平行的正交剪切应 力沿 z 轴的深度为 0. 786 b 和 0. 5 b6 ( b 为接触带宽 的一半) 。一般认为麻点剥落发生在距表面 0 . 10 .3mm 的次表层 ; 浅层剥落发生在距表面 0 . 2 0 . 4mm的次表层 ( 介于 0. 5 b0. 7 b 之间) ; 深层剥落因硬化 层不足而发生在硬化层与心部交界处7 。另有研究认 为渗碳层

32、深度一定要大于产生接触疲劳的应力场深的23 倍8 , 可否理解为当 eht 值大于这一数据时 , 就已 避开接触疲劳源的易发区域 ; gb/ t 3480. 5 2008 推荐的模数大于 15mm 的齿轮可否理解为 eht 值 6mm 封 顶 。大模数齿轮因齿形加工变位系数的应用 , 采用较 大的压力角 , 一般齿形硕大 、齿根肥厚 , 对提高齿根的 抗弯曲疲劳性能有益 。5. 3 关注新近国内外大模数齿轮渗碳淬火 eht 值的 演变除了基于多种参数为基础的必要承载能力核算 , 关注新近国内外大模数齿轮渗碳淬火 eht 值设置的演 变 , 对深层渗碳工艺精益化有直接的促进作用 。阅读 ansi/ agma 2001 d04 标准的附录 e : 齿轮 材料的疲劳寿命 , 共收集了 14 篇文献 , 体现了标准的 制订者关注最新研究动态 , 博采众长与时俱进