45 钢电动机齿轮失效分析论文

 

　　关键词：齿轮失效；淬火；金相分析

 

　　我公司用于连铸板坯低倍样品加工的龙门铣磨床在铣削过程中铣刀头突然停止转动，重启设备后仍无法进行工作。经专业设备工程师拆机检查，传动主齿轮和副齿轮均发生较严重磨损，齿牙无法啮合，无法带动铣刀头传动。该部位由双速电机带动副齿轮将运动传递给铣刀头主轴，以完成铣削工作。

 

　　齿轮作为传动系统的重要组成部分，从工作原理看，主动齿轮和从动齿轮都属于高速齿轮，转速300rpm~500rpm，该类型齿轮易产生点蚀，应选用高硬度材料，且该齿轮承受铣削过程带来的冲击载荷，心部应具有较好韧性。类型齿轮寿命约为2万工作h。该齿轮从购买安装到故障不到两个月时间，工作小时数不到300h，远未达到备件应有寿命。询问操作人员了解到，该齿轮更换后，使用一个月左右时，铣削工件时，铣刀头有明显振动，且噪声较大，后续减小铣削量后继续使用低速、小负荷铣削直至发生故障。低倍铣磨床原装齿轮工作9年，工作小时数2.6万h。因服役末期工作噪声大，齿轮有一定程度磨损，因此更换新齿轮，新齿轮为副厂齿轮，由吉林市某机电设备有限公司生产制造。齿轮图纸由低倍铣磨床制造厂商提供。

 

　　齿轮失效造成设备停机无法及时完成连铸坯低倍检测，给本厂造成了一定的经济损失。为了解失效发生的根本原因，对该失效齿轮进行了失效分析，分别从工况、宏观、断口、成分、夹杂物、金相、机械性能等进行分析。

 

 

　　该低倍铣磨床用于连续铸钢板坯低倍试验加工。加工钢坯钢种主要为普通碳素钢、冷轧基料以及少量低合金高强度结构钢。铣刀为普通盘铣刀，直径315mm，均匀分布18个硬质合金刀片。刀片型号YS25，为株洲硬质合金厂生产。实际观察，及问询操作人员，了解机床工况。

 

　　(1)刀片完整无严重损伤，仅在接触工件的刀刃有轻微磨损痕迹，符合机械加工规律，且近期未更换刀片型号和批次，排除因刀片质量问题或使用不当造成负荷过大引起过度磨损。

 

　　(2)铣刀吃刀深度1mm~5mm，符合机械加工工艺规程“最大吃刀深度不大于6mm”的规定。排除因吃刀深度过大造成负荷过大的问题。

 

　　(3)根据吃刀深度调整进刀速度，进刀速度30mm/min~50mm/min，符合机械加工工艺规程“最大进刀速度不大于60mm/min”的规定。排除因进刀速度过快造成负荷过大的问题。

 

　　(4)近期无未经授权人员操作设备，且未加工过非低倍样品类工件。

 

　　(5)备件齿轮入厂验收时，设备维修人员对齿轮的齿厚，齿高，齿间距等进行过测量，与设计图纸相符。该齿轮生产流程为毛坯加工、粗加工、中间热处理、精加工、齿形加工、最终热处理和表面锤炼等。该齿轮要求一定综合力学性能，因此，采用调质工艺作为中间热处理，作为后续表面淬火等热处理的组织准备。最终的热处理主要采用高频次表面淬火，在热处理结束后不再进行精加工处理。

 

　　结合以上调查，低倍铣磨床故障前，工作条件未发生改变，齿轮尺寸符合设计要求，排除因使用或操作不当或齿轮啮合不当造成提前失效的问题。

 

 

　　根据端口宏观特征进行分析，该副齿轮每一个断面分为一个平滑区和一个粗糙的瞬断区，为闭式直齿齿轮，拆卸后宏观下观察，主动齿轮和从动齿轮安装正确，齿轮的齿周附近表面可见蓝黑色印记，充满锈蚀和油渍，该污染痕迹可能是在判断裂纹深度时渗透、磁粉探伤造成的，应是齿轮经过热处理后留下的痕迹，断面整体呈现螺旋状，每个区域呈现出明显的台阶状形貌，每个断面的平滑区域可以观察到波浪形的辉纹，局部呈现出二次裂纹。齿间可见大量的黑色润滑脂，经了解，维修人员为拆卸方便将齿轮箱切割出一个临时开口，采用螺丝固定，改变了闭式齿轮的工作条件，导致铣磨后的灰尘侵入与润滑油混合后产生了齿间油污，加剧了齿的摩擦。连接电动机的主动齿轮的齿高设计为7.88mm，失效后已严重磨损至齿根，由此可推断，电机轴的断裂形式为疲劳断裂。齿根部未见裂纹，未见断齿现象。从动齿轮同样磨损变形，磨损方向可见明显的齿轮旋转痕迹，仅在边部可见完整的齿形，齿面可见明显的弧形铣刀痕。比较光滑的疲劳区产生的主要原因在于在疲劳裂纹发生、发展区域，在载荷作用下，多次产生撞击和研磨现象，促使疲劳区形成光滑外观，促使应力循环次数逐渐增多，明显的弧形铣刀痕呈现出光滑状态。最后，破断区由于遭受突然破坏，呈现出静断裂、一次冲击断裂外观。从上述每个断面的光滑、粗糙区域的面积占比进行观察，粗糙区大约占断面总面积的20%左右。实际测量主动齿轮齿宽为37mm，从动齿轮齿宽为33mm，主动齿轮齿边外圈未受力的部位保留完整。从动齿轮有明显的拉丝，轮齿严重变形及减薄，轮齿表面均未见麻点或麻坑。

 

　　查阅设计图纸，主动齿轮齿宽设计值为37mm，从动齿轮齿宽设计值为33mm，该齿轮齿宽设计不合理。由于从动齿轮与主动齿轮承受的力大小相同，相同的力矩，而从动齿轮承受的扭力更大，所以为了保证有效齿宽不小于强度计算时确定的齿宽，从动齿轮齿宽应略大于主动齿轮齿宽5mm~10mm。该失效齿轮实际设计中小齿齿宽却小于主动齿轮宽度4mm，导致齿轮啮合传动时，从动齿轮承受的扭力较大，严重磨损。

 

 

　　用ZEISS EV018扫描电镜对主动齿轮的磨损齿表面进行微观样貌观察分析，样品采用无水乙醇溶液超声清洗5min，清除表面油污。在查找微观断口特征的过程中，可以判断出，扩展区断口表面有疲劳条痕，这是电机轴属于疲劳断裂的主要特征。可以观察到，在近裂纹源附近的磨损处断口样貌中，主要为解理断裂，齿根呈明显擦伤痕迹，齿面有小块的崩损，可见微小空隙和二次裂纹，微观下可见韧窝–解理混合型纤维状态断口，放大后可清楚的看到珠光体片的解理形貌，未见疲劳辉纹，属于延性断裂，材料存在明显的塑形变形，并未产生二次裂纹或粗大非金属夹杂物等缺陷。韧窝较浅，说明材料本身的相对塑性较差，韧性较差，零件失效的主要原因主要由于塑性断裂并伴有疲劳，而应变速率、应力集中及粗大的晶粒均有利于解理的发生，后续金相检测分析中，微观组织更好地验证了这一点。通过对断口进行微观分析，断口上为无光泽和无结晶颗粒的均匀组织，断口的边缘已经发生明显的塑性变形。为了减少齿轮的变形和断裂，应增加应变速率敏感指数数值，通过减小45钢应变速率，在降低工作温度的同时增大材料的晶粒尺寸。

 

 

　　从设计图纸看，大小两个齿轮均采用45钢制造。从齿轮上取样，采用OBLF QSN750直读光谱仪与碳硫分析仪进行短轴截面化学成分的分析。从监测结果可见，短轴试样成分符合GB/T699-2005中45钢元素的范围要求。由此可以判断出，短轴化学成分无异常，属于优质的碳素结构钢。从化学成分分析结果可以看出，其化学成分符合相关标准之规定，S元素含量0.038wt%，稍高于国标要求，这一元素的含量假如过多，将会造成材质脆化，齿轮的承载强度明显降低。

 

 

　　分别在失效齿轮处取样经磨制抛光后按照GB/T10561-2005进行非金属夹杂物级别评定，从夹杂物的能谱分析，主动齿轮为D类球状氧化物类夹杂细系2级。从动齿轮球状氧化物夹杂细系1级，单颗粒球状物夹杂1级。以TiN夹杂居多。

 

　　主动齿轮的球状氧化物类夹杂级别较高。球状氧化物硬度高，难以变形，在应力作用下会形成显微裂纹，降低齿轮的疲劳强度，加剧齿的剥落。从微观形貌可以观察到，局部裂纹主要起源于夹杂物情况。

 

 

　　截取小块试样，经过水砂纸预磨、精磨、抛光和硝酸酒精浸蚀后，制备出金相试样，利用扫描电子显微镜和能谱仪分析金相试样，监测高倍数微观组织及夹杂物。通过查找设计图纸和分析相应技术要求，该齿轮的材质要求使用45钢，该材料的金相组织主要由等轴状铁素体和珠光体组成，可见晶体不均匀，珠光体晶粒粗大，呈带状分布，调质后轮齿洛氏硬度HRC40-45，铁素体和珠光体组织组成物相对量符合45钢成分相应要求，微观夹杂物和微洞等缺陷较少，金相组织较为致密均匀，晶粒度为8级~9级，已经达到不低于6级的技术标准。此种组织说明材料并未经过调质处理，从设计硬度看，正常的调质处理组织材料应该得到回火马氏体或者回火索氏体，方可达到此硬度。该组织也非优良的正火组织，而失效齿轮采用4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，优良的正火组织应为块状铁素体和细小片状珠光体片，且主动齿轮晶粒粗大，晶粒不均匀，有明显的魏氏组织。齿磨损处可见明显的冷变形组织。

 

　　齿轮作为传动系统的重要组成部分，为排除齿的磨损对组织的影响，直接磨制从动轮完整的齿，腐蚀后同样为网状铁素体和珠光体。由此可知该齿轮调质处理的温度控制不好，加热温度过高，冷却速度不足。未形成回火马氏体，导致齿轮硬度不足，耐磨性及耐冲击性不足。从动齿轮仅经过正火处理，显微组织为铁素体加珠光体，未经过调质处理，这样的齿轮有一定的强度和韧性，但齿表硬度偏低，耐磨性大大下降，齿轮表面易发生形变，齿间间隙变大，造成使用过程中噪声大。

 

 

　　齿轮的硬度检测一般在热处理后的齿面上进行，因为齿面受条件限制，通过洛氏硬度检测法难于测量，因此，如果测试的技术条件允许，可以在齿轮两侧端面靠近齿的圆弧表面使用洛氏硬度检测法进行检测。根据锻件金相组织检验，可以初步推断热处理手段为正火处理，按照GB/T230.1-2018对齿轮进行洛氏硬度HRC单位检测，硬度值检测数据符合GB/T230.1-2018标准之规定，均低于C标尺测量下限值20HRC，活塞环的硬度实际检测采用B标尺，测点需要距离开口保持5mm~7mm的距离，距离开口保持90mm，每处检测3点取平油环在相邻实体部位进行测量，测量点距离边缘1mm。设计要求该副齿轮淬火HRC40-45，实际齿面硬度低，远低于设计硬度，严重降低齿轮的耐磨性。由于正火主要应用力学性能要求不高的零件，因此，齿轮在工作过程中往往转速高，但是外部环境较差，电动机的负载较大并且变化相对较大，因此，该硬度并不能满足齿轮的工作需求。

 

 

　　通过以上试验分析，得出以下结论。

 

　　(1)两个齿轮齿面硬度低，不符合技术要求。齿轮应进行调质，即表面淬火和高温回火。表层的组织应为回火马氏体或回火索氏体。而实际上，从动齿轮的金相组织中并未出现回火马氏体，金相组织不够优良，整体组织为正火组织，晶粒粗大，存在网状铁素体和片状珠光体，局部聚集较硬TiN夹杂物，造成材料疲劳度极限显著降低，导致裂纹进一步扩张，此外，晶粒粗大等组织缺陷造成材料屈服度降低，进而产生过早疲劳；主动齿轮应进行了调质处理，但调质工艺不当，显微组织为网状铁素体加珠光体。大量的网状铁素体沿奥氏体晶界析出，并形成一定级别的魏氏组织，严重割裂了珠光体之间的联系，降低了齿轮的强度和塑性。因此，主动齿轮热处理不当造成齿轮表面强度及硬度不足，齿轮心部韧性不足，是导致齿轮失效的根本原因。

 

　　(2)从设计角度，该齿轮齿宽设计不符合要求，导致花键齿加工和滑动轴承间产生装配不当，花键齿根部产生应力集中开裂，主动齿轮受到较大的扭力传动，且齿面较高的表面粗糙度造成了应力集中，受力部位更易发生变形，进而出现疲劳断裂，电机轴在扭转应力作用下产生扭转超载塑性断裂，这也是导致齿轮早期失效的原因。

 

　　(3)齿轮制造商选择的用于制造齿轮的45钢基材质量不合格，存在数量较多，级别较高的球状氧化物夹杂，易造成齿轮内部在交变应力作用下产生微裂纹。

 

　　(4)齿轮工作时，啮合处在接触应力的反复作用下，由于从动齿轮未经过热处理，硬度较低，齿面上会发生形变，并产生若干小裂纹，随着裂纹的扩展，形成齿面点蚀，导致小块金属剥落，继续扩展影响传动的平稳性，并产生振动和噪声，最终导致齿轮不能正常工作。

 

　　(5)另外还有无法确认的因素：

 

　　在齿轮加工过程中，机床、刀具、夹具在制造、安装和调整时可能存在一些质量误差，从而形成了齿轮的运动误差、平稳性误差和齿面误差，使齿轮的传动精确度降低。最大应力大多数发生在材料的表层，因此材料表层质量对于疲劳强度的影响较大。因此，在制造过程中产生的裂纹、疵点和表面伤痕等缺陷，均成为造成疲劳断裂的主要因素。材料表面粗糙程度愈小，应力过于集中，疲劳强度愈高。材料表面的粗糙程度对于疲劳极限的主要影响伴随齿轮表面的粗糙程度逐渐增加，随之而来的是疲劳极限的下降。

 

　　一对齿轮在相互滚碾冲击作用下，接触应力过高，传动啮合不良，也易造成齿面塑性变形。从主动齿轮的磨损形状和磨损深度可以进行推断。在运行过程中，承受扭矩和弯矩载荷的作用，齿轮轴表面所承受的应力最大，应力过于集中造成局部区域的应力值已经超过材料预定寿命所能够承受的应力极限，因此产生裂纹，另外，制造和使用过程中所造成的表面机械损伤也会造成应力过于集中。

 

 

　　(1)与机床制造商沟通确认，在不影响齿轮箱内齿轮布局的情况下，调整从动齿轮的设计齿宽，使齿宽略大于主动齿轮，保证有效齿宽不小于强度计算时确定的齿宽。

 

　　(2)改进电机轴材质，采用满足国际标准要求的40Cr或35CrMo合金钢，材料采取调质热处理，进而提升电机轴承载强度。

 

　　(3)根据上述分析，将原来的圆钢调质处理通过调质处理改进进行正确实施，加以感应表面淬火以增大淬透深度，在促使油缸内壁提升冷却速度的同时，在淬火冷却和高温回火冷却操作过程中增加工件在淬火油中的频繁搅动，促使齿轮的耐疲劳效果显著提升。在实际实施过程中，通过这两个环节的改进，能够有效杜绝油缸在内部处产生横向脆性断裂的现象。由此可见，工序不恰当或者热处理达不到预期的标准，是油缸脆性断裂的主要原因，可以根据机床实际工况选择合格的齿轮生产商，进而选择合理的齿轮参数，严格把控齿轮材质、齿面硬度及热处理方式，一般用中碳钢45钢经锻造后正火，加工成齿轮后调质，调质工艺必须严格控制淬火加热温度和冷却速度，应使用盐水淬或油淬，避免显微组织异常。

 

　　(4)齿轮装配要符合技术要求，保证孔与轴配合适当，保证适当的齿间间隙，保证齿面有一定的接触面积和正确的接触位置等。

 

　　(5)加强设备的维护，保证闭式齿轮工作条件，采用黏度较高的润滑油，防止齿面塑性变形。发现齿轮传动异响，及时检查，防止产生更大的损失。

 

　　(6)在生产条件充分被满足的前提下，压缩机电极的运行负荷适当降低，进而降低电机轴的应力水平，起到增强压缩机启动时的盘车，有效减小启动带来的巨大冲击，避免压缩机过载，造成电机轴的键槽产生不同程度的裂纹。