电钻齿轮剃齿引发失效的分析及对策

张淼

（ 锐奇控股股份有限公司 上海 201612 ）

电钻齿轮剃齿引发失效的分析及对策

张淼

（ 锐奇控股股份有限公司 上海 201612 ）

基于某款电钻因剃齿现象引发的齿轮失效，从齿轮材料、热处理、齿轮模数、动载荷、应力分析等多方面分析失效现象产生原因，提出改进方案，改进后实际效果明显。

电钻；齿轮；剃齿；齿轮模数；动载荷；应力分析

0 引言

电钻是一种专门设计用于在诸如金属、塑料、木材等材料钻孔的工具。其特点是轻便、灵活，携带方便，在建筑、装饰等领域的日常作业中得到广泛应用。本文结合电动工具制造企业中实际案例，分析导致电钻齿轮失效现象的多种因素，提出相应的改善方案。

1 概述

以功率高低区分，电钻可分三类，即轻型电钻（功率≤350 W）；中型电钻（功率350 W～550 W）、重型电钻（功率≥550 W）。以转速高低区分，同样可分为三类，即：低速电钻（转速≤1 500 r/min）、中速电钻（转速为1 500 r/min～3 000 r/min）、高速电钻（转速≥3 000 r/min）。

本文所述电钻归属于轻型电钻，其功率为320 W，转速为3 000 r/min，齿轮传动是一级传动，大齿轮齿数47、使用材料为40Cr、模数为0.6 mm，齿面经过高频热处理，为硬齿面；小齿轮齿数5、使用材料35CrMo，齿面同样经过高频热处理，同为硬齿面。

2 失效形式

经客户反映，该电钻在使用过程中存在功能失效的现象，对失效电钻的拆机分析后发现：大小齿轮齿顶处存在局部磨损情况。通过细致检查后发现大齿轮中五个齿的齿顶处磨损严重，且齿形存在扭曲变形现象，其余各齿情况基本正常。小齿轮各齿齿顶均有磨损，且齿顶的齿廓形状受损后已变得较光滑失去原有作用。大小齿轮失效形式见图1。

3 失效分析

3.1 工作条件

图1 失效形式

经了解，客户主要将电钻用于锁紧螺丝及木板的开孔与扩孔等作业，作业时功率大，超过额定标称功率，尤其在木板开孔过程中，扭矩的增加造成了工具本体温度升高，塑料机壳强度随之降低，啮合齿轮轮齿存在瞬间脱离现象，继而在齿轮表面产生相对滑动，经过多次滑动后，大、小齿轮齿顶产生局部磨秃现象，造成工具无法正常作业。

3.2 原因分析

材料选用不当，齿轮材料硬度低，接触应力过大，齿形设计不合理，动载荷过大。

3.3 材料分析

大、小齿轮材料化学成份分析结果显示：成份符合要求。相关数值见表1和表2。

表1 标准40Cr与失效齿轮元素含量%

表2 标准35CrMo与失效齿轮元素含量 %

3.4 金相分析

通过热处理金相检测后，大齿轮金相组织见图2，小齿轮金相组织见图3。

图2 大齿轮金相组织

图3 小齿轮金相组织

大齿轮工艺要求调质后高频淬火，硬度要求HRC42～HRC46。经测量，齿轮实际硬度为HRC41～HRC43，偏下限，齿部组织为细微马氏体，心部为索氏体加铁素体，符合热处理的组织要求。

小齿轮工艺要求调质后高频淬火，硬度要求HRC48～HRC52。经测量，齿轮实际硬度为HRC51～HRC51.5，齿部组织为较细马氏体，心部组织为索氏体加铁素体，符合热处理要求。

3.5 外观分析

从失效表现来看，齿轮无齿部断裂，无表面裂纹和齿面剥落现象，大齿轮齿顶部出现3～5处轻微扭曲变形和较严重的磨损，小齿轮齿顶部分存有磨损现象，齿顶处棱角呈光滑状，从而判断此种形式失效与齿轮的接触强度与弯曲强度无关，应为大小齿轮啮合高度欠缺，在扩孔及锁紧螺丝的过程中，由于机壳刚性不足造成小齿轮在大齿轮表面滑过，产生啮合脱离所致。

4 解决方案

4.1 设计齿轮参数，增加啮合高度

增大齿轮模数可达到改进效果。模数增大后可同时提高齿轮的整体性能和强度，但是需要满足原有机壳尺寸以及输出转速不变这两个条件，使得更改范围一度受限。经反复计算，最终确定齿轮模数由0.6 mm改为0.7 mm，大齿轮齿数由47齿改为39齿，小齿轮由5齿改为4齿，促使更改后的齿轮传动比与原机齿轮的传动比基本保持不变。

4.2 提高硬度

在失效样品上可见大齿轮齿顶局部呈扭曲变形，在改进方案中适当提高大齿轮的热处理表面硬度，由原来的HRC42～HRC46提高到HRC45～HRC50，硬化层深度不小于0.9 mm。

5 结语

通过对齿轮模数的调整改进，样品经过客户使用验证，收到良好反馈。该电钻进行改进后的实际效果较为明显，使得产品生命周期有效延长。

[1]GB 3883.6—2007 手持式电动工具的安全第二部分：电钻和冲击外的专用要求[S].北京：中国标准出版社，2007.

[2]齐宝森，于新友.齿轮热处理200例[M].北京：化学工业出版社，2013.

图7 加油孔位置

4 结语

以额定功率1 800 W的16E电镐和额定功率1 250 W的65电镐冲击力比较为例：气缸活塞标准行程分别为54 mm和50 mm（16E电镐偏心轴的偏心距为27 mm，65电镐的偏心轴的偏心距为25 mm）。虽然16E电镐的冲击锤重1 kg而65电镐的气缸重量为1.4 kg，但是两者行程大不相同。16E电镐的冲击锤由于气缸的双补气，实际行程一般大于54 mm，而65电镐气缸内要完成排气和吸气的换气过程，受开口圈的吸拽作用，实际行程一般不足30 mm。所以，从冲击力比较来看，16E电镐明显占优。另外，从冲击功上来看，16E电镐的实际冲击功为41 J或更高，而65电镐冲击功一般为20 J～25 J(二者均基于EPTA标准)。

上述改动方案是根据企业实际要求所做的前期分析及在试验过程中发现的典型问题，改动后该机在台架试验时间基本可达200 h以上，满足实际使用要求。

参考文献：

1）GB 3883.1-2014 手持式可移式电动工具和园林工具的安全 第一部分：通用部分[S].北京：中国标准出版社，2014.

2）GB 3883.7-2012 手持式电动工具的安全 第二部分：锤类工具的专用要求[S].北京：中国标准出版社，2012.

3）李邦协.实用电动工具手册[M].北京：中国机械工业出版社，2001.

Analysis and Countermeasure on Gears Teeth Wear of Drills

Zhang Miao
(KEN Holding Co.,LTD., Shanghai 201612, China)

Based on the gear failure for teeth wear of drill, this paper analyzes gear material, heat treatment, gear module, dynamic load and stress while proposing improvement measures with obvious effect resulted.

Drill; Gear; Teeth Wear; Gear module; Dynamic load; Stress analysis

TM502

A

1674-2796（2016）05-0019-03

2016-07-10

张淼（1969—），男，大学本科，工程师，主要从事机械结构设计等方向研究。