減速器齒輪和軸的材料選擇

行星減速器

摘   要：減速器是重要的機(jī)械零部件，在我國(guó)裝備和制造業(yè)中發(fā)揮著重要作用。隨著科技進(jìn)步，各國(guó)研發(fā)的中小功率減速器正向模塊化、批量化、高精度、低成本的方向發(fā)展。我國(guó)引入了高水平的機(jī)床和齒輪精度均可與國(guó)際先進(jìn)水平相比，但在傳動(dòng)件材料和控制技術(shù)上仍與國(guó)際先進(jìn)水平有一定差距。所以，我國(guó)在提升制造工藝、改進(jìn)工作能力的同時(shí)，也需要對(duì)減速器齒輪的材料和質(zhì)量進(jìn)行改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：減速器；齒輪；精度；材料

1  減速器技術(shù)現(xiàn)狀

減速器是機(jī)械零部件中的重要成分，在我國(guó)的裝備和制造業(yè)中發(fā)揮著重要作用。其產(chǎn)品在冶金、鋼鐵，電力、煤礦、紡織、環(huán)保等行業(yè)中都取得了廣泛的使用。

在我國(guó)，主要有工業(yè)通用減速器和專用減速器。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，減速器行業(yè)已將科研、設(shè)計(jì)、制作和售后服務(wù)等環(huán)節(jié)聯(lián)系在一起，成為完善的制造業(yè)體系。自十一屆三中全會(huì)以來，借助于引入先進(jìn)的加工設(shè)備，引入新技術(shù)，和實(shí)施自主研發(fā)等手段，我國(guó)的減速器技術(shù)取得了較大的發(fā)展，實(shí)施了各種自主設(shè)計(jì)和改造工作，最終推動(dòng)我國(guó)減速器行業(yè)的快速發(fā)展，提升了產(chǎn)品的技術(shù)和設(shè)計(jì)制造能力。現(xiàn)如今，我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域又開發(fā)出一些全新的減速器，不但可以體現(xiàn)出模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，也在總體技術(shù)、承載能力、外形質(zhì)量等指標(biāo)呈現(xiàn)出較大的提升。然而，由于產(chǎn)品的構(gòu)成單一、質(zhì)量穩(wěn)定性差、產(chǎn)品可靠性差，尤其是一些大型的或是提出了特別要求的產(chǎn)品無(wú)法達(dá)到市場(chǎng)要求，需要進(jìn)行改進(jìn)。齒輪箱

20世紀(jì)80年代末至90年代初，隨著滲碳淬火硬齒面齒輪減速器技術(shù)的不斷推廣，我國(guó)通用齒輪減速器已取得了初步發(fā)展，相繼推出了ZBJ19004－1988、ZBJ19026－1990、YB/T050－1993等減速器系列標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而取得了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)標(biāo)準(zhǔn)，一些可以生產(chǎn)硬齒面減速器的大型企業(yè)應(yīng)運(yùn)而生，有效地推動(dòng)了我國(guó)齒輪技術(shù)的發(fā)展，減少我國(guó)和國(guó)外企業(yè)之間的差異，推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展。

20世紀(jì)80年代時(shí)，只有少數(shù)國(guó)外企業(yè)進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)，雖然他們?cè)诩夹g(shù)上領(lǐng)先于我國(guó)，但無(wú)法對(duì)發(fā)展勢(shì)頭迅猛的我國(guó)硬齒面減速器企業(yè)產(chǎn)生很大威脅。至20世紀(jì)90年代，隨著我國(guó)對(duì)外開放政策的推進(jìn)，國(guó)外眾多知名企業(yè)進(jìn)軍國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，他們?cè)诩夹g(shù)規(guī)模和裝備上都具有世界領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，其通用減速器進(jìn)行了更新?lián)Q代，不斷推出全新的減速器標(biāo)準(zhǔn)，在承載能力等主要指標(biāo)上進(jìn)行了較大提升，且在推進(jìn)模塊化設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了大量工作。對(duì)比而言，我國(guó)提出的標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)落后，且在價(jià)格上不占優(yōu)勢(shì)。

20世紀(jì)90年代中期，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的形勢(shì)下，我國(guó)齒輪行業(yè)的科研和產(chǎn)品開發(fā)格局發(fā)生了較大變化，許多企業(yè)都希望學(xué)習(xí)國(guó)外的先進(jìn)水平，開發(fā)出可與國(guó)外企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的新產(chǎn)品，并在行業(yè)發(fā)展中處于優(yōu)勢(shì)地位。齒輪箱

2  減速器及其材料的發(fā)展趨勢(shì)

隨著科技進(jìn)步和技術(shù)的快速發(fā)展，各國(guó)研發(fā)的中小功率減速器正在向模塊化、批量化、高精度、低成本的方向發(fā)展。另外，現(xiàn)有的減速器根據(jù)市場(chǎng)的需求做出了快速回應(yīng)，大功率減速器正在朝著高精度、高可靠性、低噪聲、占地小、質(zhì)量輕的方向發(fā)展；而高速重載減速器的未來發(fā)展方向?yàn)榇蠊β剩呔群洼^強(qiáng)的監(jiān)控性。

3  新型減速器齒輪材料的技術(shù)要求

通過對(duì)傳統(tǒng)材料的分析和對(duì)比，我國(guó)在金屬材料、建筑材料與有機(jī)高分子材料的產(chǎn)量和消費(fèi)數(shù)量的排名等方面均處于世界的領(lǐng)先位置。在減速器的設(shè)計(jì)和制造方面，研究方向?qū)?huì)朝著高精度、高效率、低成本發(fā)展。

當(dāng)前，我國(guó)引入了高水平的機(jī)床和齒輪精度均可與國(guó)際先進(jìn)水平相比，但傳動(dòng)件的材料和控制技術(shù)仍無(wú)法與國(guó)際先進(jìn)水平相比。所以，在提升制造工藝、改進(jìn)工作能力的同時(shí)，還需對(duì)減速齒輪的材料和質(zhì)量進(jìn)行改進(jìn)。減速器的使用和運(yùn)作由齒輪之間的相互嚙合實(shí)現(xiàn)力的傳遞，在減速器設(shè)計(jì)過程中，不僅要分析材料的性能是否與零件當(dāng)前的工作條件保持一致，還要分析材料的經(jīng)濟(jì)性，以保證材料易于制造，以便提高零件的生產(chǎn)效率，減少企業(yè)的經(jīng)營(yíng)成本和不必要的損耗。如果齒輪材料選取不當(dāng)，則會(huì)使零件出現(xiàn)早期磨損，甚至無(wú)法使用。齒輪箱

3.1材料的機(jī)械性能和要求

材料的機(jī)械性能主要包括硬度、強(qiáng)度等指標(biāo)，反映材料在使用時(shí)所展示的特性。齒輪在嚙合時(shí)齒面接觸的時(shí)候存在著接觸應(yīng)力，齒根部存在較大最大彎曲應(yīng)力，可能會(huì)出現(xiàn)齒面失效現(xiàn)象。齒面各點(diǎn)有可能會(huì)產(chǎn)生對(duì)比滑動(dòng)，甚至出現(xiàn)磨損。齒輪失效的主要形式為齒面點(diǎn)蝕、齒面膠合、齒面塑性變形和輪齒折斷等。所以，齒輪材料應(yīng)保持較高的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度，齒面應(yīng)有足夠的硬度和耐磨性，芯部要有一定的強(qiáng)度和韌性。

3.2材料的加工工藝要求

材料的工藝性能是指材料本身可以更好地適應(yīng)于加工能力的所有要求。齒輪的制造需要進(jìn)行鍛打、切削和熱處理等工序，故選材時(shí)要對(duì)工藝功能加以注意。

伺服行星減速機(jī)

3.3材料本身的經(jīng)濟(jì)性要求

經(jīng)濟(jì)性指的是花費(fèi)最小的成本，取得最大的收益。在達(dá)到功能要求的情況下，也需要考慮如何減少齒輪的制造成本。

4  國(guó)內(nèi)外減速器齒輪材料選用情況

4.1國(guó)內(nèi)外減速器齒輪材料選用情況

當(dāng)前，我國(guó)的減速器材料的選擇主要借助于JB/T10816－2007、JB/T10817－2007中提出的相關(guān)規(guī)定實(shí)施。齒輪和齒輪軸均采用鍛打件，材料為20CrMnMo，齒面滲碳淬火，齒面硬化層深度0.15ma～0.25mn；齒輪表面硬度為54～58HRC，芯部硬度為33～38HRC；出輪軸表面硬度為58～62HRC，芯部硬度為38～42HRC。允許使用有同樣力學(xué)性能的其他類型材料，但不得使用鑄造齒輪。軸的材料為42CrMo，調(diào)質(zhì)處理，硬度為255～286HBW。允許使用有同樣力學(xué)性能的其他類型材料，但不得使用鑄件。齒輪箱

當(dāng)前，國(guó)外的硬齒面齒輪材料中主要選擇了優(yōu)質(zhì)合金鋼17CrNiMo滲碳淬火精加工而形成，齒輪和熱處理的質(zhì)量由ISO6336－1996的相關(guān)級(jí)別進(jìn)行控制。而國(guó)內(nèi)類似性能最為靠近的材料為20CrNi2Mo，國(guó)內(nèi)部分重載齒輪使用的材料為20CrNiMo。

4.2減速器齒輪新材料的選擇

通過相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，新材料的引入，我國(guó)的課題研究人員開發(fā)出17CrNiMo6材料，取代以往的材料。通過在市場(chǎng)中進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)17CrNiMo6是一種高強(qiáng)度滲碳齒輪用鋼，在中小型汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)軸上使用或是在傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪使用，如風(fēng)電增速機(jī)上大量的使用了這種材料。齒輪箱

5  合金元素及其在合金中的作用

Mo、Ni、Cr等合金元素是齒輪軸材料的基本成本，齒輪軸是碳化物、非碳化物形成元素的組合體。滲碳時(shí)，Mo、Cr對(duì)表面碳濃度的增加有幫助，且增幅非常明顯，這得益于其本身的化學(xué)性質(zhì)。但是，Ni具有相反作用，會(huì)逐漸降低碳濃度直至平緩，使?jié)B碳性能更強(qiáng)。不同元素的淬透性有差異。例如，鋼可因Cr的添加而提高其淬透性，但Ni的性能不明顯。如果在鋼中同時(shí)添加Cr、Ni，鋼的淬透性將突增，特別是二者比例為1:3時(shí)效果更明顯。Mo可對(duì)貝氏體產(chǎn)生抑制，為全馬氏體組織的生成提供條件；Mo提高了淬火變形的控制力度，使用尺寸由此增加，這也是在心部淬透性提升的結(jié)果；加入Mo后，即使碳含量范圍擴(kuò)展，滲碳層硬度也不會(huì)受到很大影響，可得到更平穩(wěn)的硬化層；滲碳層氧化現(xiàn)象可由Mo的加入被抑制，且對(duì)滲碳層在疲勞加載、斷裂應(yīng)力沖擊方面具有更高的承受力。Mo還有其他優(yōu)勢(shì)，如可細(xì)化鋼晶粒、控制過熱敏感性、即使環(huán)境溫非常高鋼也會(huì)非常穩(wěn)定而難以變形。鋼內(nèi)碳化物同Mo發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形態(tài)也隨之改變。如果碳化物外形是球狀、細(xì)小的，則能夠?qū)X輪、軸承質(zhì)量有幫助，延長(zhǎng)其使用周期，在耐磨性、抗疲勞方面都有不錯(cuò)的效果。齒輪箱

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和使用參數(shù)，選擇力學(xué)性能差距不大的35CrMo、20CrNi2Mo和17CrNiMo6等材料與通用型減速器使用材料42CrMo和20CrMnMo進(jìn)行化學(xué)成分和機(jī)械性能的分析和對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表1和表2所示。

伺服行星減速機(jī)

6  材料性能說明

42CrMo和35CrMo都屬于調(diào)質(zhì)鋼，且都具有疲勞極限和較強(qiáng)的抗沖擊能力，是用來制造傳動(dòng)件的主要材料。與35CrMo對(duì)比，42CrMo的抗拉強(qiáng)度和滲透性等指標(biāo)更好，更容易制造出強(qiáng)度較高且可進(jìn)行大面積調(diào)制的部件。

20CrMnMo、20CrNi2Mo、17CrNiMo6等材料都屬于高級(jí)滲碳鋼，滲碳淬火以后的強(qiáng)度較大，具有較強(qiáng)的耐磨性，可用于制造要求表面硬度高、耐磨性好的部件，可以制造要求較高的硬齒面齒輪。

通過對(duì)比上述5種材料的機(jī)械性能，42CrMo和35CrMo都是調(diào)質(zhì)鋼，具有較高的強(qiáng)度，塑性和韌性也較強(qiáng)，故更適用于制造軸。通過對(duì)比2種材料，42CrMo抗低速接觸強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度更優(yōu)，而材料價(jià)格與35CrMo差距不大，故更適用于減速器的輸出軸材料。

而對(duì)于新型輕量化減速器齒輪傳動(dòng)的整個(gè)系統(tǒng)來說，20CrMnMo、20CrNi2Mo、17CrNiMo6等高級(jí)滲碳鋼的抗接觸強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度指標(biāo)都較好，故適合用作減速器齒輪材料。通過對(duì)機(jī)械性能的對(duì)比，可以得到17CrNiMo6、20CrNi2Mo比20CrMnMo的抗交變載荷及疲勞強(qiáng)度等指標(biāo)更好，其中17CrNiMo6的高抗彎強(qiáng)度比20CrNi2Mo至少要高出200MPa，熱處理更加容易推進(jìn)，降低了加工成本，且2種材料的價(jià)格差距不大。所以，17CrNiMo6更適用于制造減速器的齒輪。齒輪箱

7  結(jié)論

通過以上對(duì)比，5種材料都有自身的優(yōu)勢(shì)和不足。從上面得出，42CrMo比35CrMo更適用于制造軸，20CrMnMo、20CrNi2Mo和17CrNiMo6適用于制造硬齒面齒輪和軸的材料，但17CrNiMo6的機(jī)械性能和滲透性都好于另兩種齒輪用鋼。

同時(shí)，17CrNiMo6良好的熱處理性能和熱處理工藝可有效地保證產(chǎn)品的質(zhì)量，在測(cè)算減速器的疲勞強(qiáng)度時(shí)，熱處理等級(jí)按中等要求MQ級(jí)進(jìn)行選擇，極限應(yīng)力取σ_{Hlim齒輪箱}＝1500MPa，σ_Flim＝500MPa，與我國(guó)減速器企業(yè)的生產(chǎn)需求保持一致。在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量提升的同時(shí)，有效提升了產(chǎn)業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)能力，防止了技術(shù)壟斷，推動(dòng)了我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

[1]薛維華，李智超.20CrNi2Mo鋼熱處理工藝及性能研究

[2]黃圣男，李強(qiáng).20CrNi2Mo大型錐齒輪正火-滲碳-淬火-回火熱處理工藝設(shè)計(jì)

[3]張質(zhì)文，虞和謙，王金諾，等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)

[4]JB/T10816-2007起重機(jī)用底座式硬齒面減速器

[5]JB/T10817-2007起重機(jī)用三支點(diǎn)硬齒面減速器