齿轮抗疲劳制造技术现状及发展趋势分析

母庚礼

摘要：对近年来国内外在杭疲劳制造技术方面的研究和进展作了综述，分析了各种抗疲劳制造含技术的特点，指出了杭疲劳制造技术在现代工业制造技术中的重要作用，并对今后抗疲劳制造技术研究的重点进行了梳理。

关键词：抗疲劳制造  深冷处理  表面涂层

1.国内外齿轮抗疲劳技术发展及应用现状

随着我国经济的不断发展，应用于航空、军工、风电、舰船、煤炭及石化等行业的高性能齿轮数量呈快速增长之势，其应用性能方面的要求不仅包括了高速、高承载能力、高可靠性、长寿命等特征，而且在一些特殊应用条件下还要求其具有良好的高、低温性能和短时间的缺油运行能力，这就要求此类齿轮不仅在材料的开发和选择上要有良好的适应性能，而且在制造过程中的热处理技术方面也要有新的思路和突破。多年来，国内外在对高端齿轮的关键制造技术方面进行了多方面的研究和探索，取得了许多积极的进展。尤其在国外，许多高端热处理应用技术已十分成熟，并已广泛应用于高性能齿轮的制造过程，产品性能也都有了十分明显的改进和提高。

2.齿轮抗疲劳制造技术发展的必要性

2012年2月24日，中国齿轮产业发展大会在天津召开。在这次大会上，中国工程院院士赵振业作了题为“发展抗疲劳制造技术，建设齿轮强国”的主题报告。他指出：“抗疲劳制造技术是高端齿轮的核心技术。抗疲劳制造是一场革命。中国要成为装备制造业强国，必须先成为齿轮工业强国。要成为齿轮工业强国，非攻克抗疲劳制造技术难关不可。”齿轮是汽车变速器等高端机械装备的关键构件。

3.齿轮抗疲劳制造关键技术分析

3.1齿轮深冷处理技术

齿轮材料的深冷处理是高性能齿轮材料热处理的重要延续和补充，是提升其综合性能的重要手段，目前在国外高速齿轮及航空航天齿轮制造中应用已十分普遍。国内一些单位也进行了许多探索，但由于缺乏系统性及指导性的工艺数据，其应用尚不够普遍。众多的机理性试验研究已表明，在对经过渗碳、淬火处理的齿轮再进行一次或多次的温度最低可达零下190℃的低温处理，可有效促进齿面残余奥氏体向马氏体的转变，同时使得马氏体组织中分解析出弥散状超细碳化物组织，因而使得齿轮齿面金相组织更为细密、均匀、稳定，表面强度及硬度提高，耐磨性也明显改善，有害残余应力大大减小，精度稳定性提高，可大大延长齿轮使用寿命。为使该项处理技术能更为广泛得以推广应用，除进一步深入研究冷处理的各项作用机理外，尚应加强其应用性方面的系统研究，如应对常用齿轮材料的冷处理工艺参数和处理程序进行全面试验研究，以确定不同材料适用的处理工艺参数和方法，明确冷处理后金相组织的评定标准及要求。

3.2齿面离子注入改性技术

为提高传动齿面的综合性能，如提高其抗腐蚀、抗氧化及抗疲劳性能，提高表面硬度和耐磨性能，降低齿面摩擦系数，改善齿面微观结构的低温或高温性能等，目前已证明行之有效的方法之一是采用齿面的各类离子注入技术。注入的元素类别视具体要求的不同，可选择一种或多种不同的元素。齿面通过各类离子的注入，可有助于析出金属化合物和合金相，形成离散强化相，减少粘着和互扩散，增强氧化膜，提高润滑性能。

应加强对各类常用齿轮材料在不同应用环境和使用要求下的各种适用性应用研究，以便为实际应用操作提供技术指导。如为提高齿面的抗胶合、抗微点蚀、抗疲劳性能等不同要求时，各种相应离子注入类别的操作工艺参数和处理结果评定的研究，各种不同的离子注入方法及相应硬件手段的开发等，均应系统全面筹划并尽快进行。

3.3齿面磷化、硫化、镀镍及沉积涂层技术

为改善齿面的摩擦润滑特性，提高齿面抗冷、热胶合和微点蚀能力，多年来在高性能齿轮齿面的处理中还采用了锌系或锰系磷化处理、表面镀镍、低温电解渗硫及表面沉积涂层技术等，这些也都在不同程度上取得了一定效果。目前表面涂层技术在风电轴承中已开始被采用，我国汽车齿轮生产中目前也有采用齿面磷化技术来改善其齿面摩擦性能，但范围还很有限。上述几种方法的一个共同点是均涉及到新生的表面层问题，因而对其表面层与母体的结合力、组织致密性、应力状况、硬度、抗疲劳性能、耐温性能、耐冲击能力、耐磨性、耐蚀性等，均应在不同的环境与载荷条件及不同的转速条件下进行系统全面的试验研究，确定出其适宜的应用条件及验收或检验方法，以便能更广泛的推广应用。

4.齿轮抗疲劳制造技术发展趋势

我们必须结合实际需要从以下几个方面进行深入系统的抗疲劳制造技术研究。

（l）开展齿轮断裂力学、弹塑性断裂力学以及损伤容限设计的应用研究;

（2）加强对齿轮疲劳损伤机理的研究，利用现代分析于段，深人研究疲劳损伤的机理、根据机械零部件的材质工作环境、工作状态等状况，有针对性地采用抗疲劳制造技术，提高经济效益;

（3）开展齿轮复杂工作条件下的疲劳寿命研究，如齿面腐蚀疲劳、接触疲劳、微动疲劳、随机疲劳、高低温疲劳、低温及多轴应力状态等特殊工况下的疲劳问题;

（4）开展疲劳损伤的计算机模拟与计算;

（5）开展对高分子材料、复合材料、先进陶瓷的微动损伤规律的研究。

5.齿轮抗疲劳制造技术发展前景及意义

20世纪80年代，国内以飞机起落架为典型产品开始抗疲劳制造技术研究，实现了抗疲劳飞机起落架技术赶超发达国家先进水平的突破。然而，在抗疲劳齿轮制造技术的研究、应用、推广方面，国内至今依然是一片空白。发展抗疲劳齿轮制造技术，关系齿轮行业技术进步的全局，对提升齿轮行业核心竞争力、促进齿轮行业可持续发展、建设齿轮工业强国具有重大的现实意义和长远的历史意义。

其意义在于：一是突破抗疲劳性能，掌握核心技术，达到世界水平;二是攻克齒轮制造前沿技术，突破工艺难点;三是培养一批专业技术骨干，壮大创新团队;四是整合齿轮产业链，提升材料、装备、工艺上水平，占领国际市场;五是齿轮标准与国际接轨，培育国际知名品牌。

参考文献：

[1]赵振业.高强度合金抗疲劳应用技术研究与发展 中国工程科学 2005;

[2]高玉魁.齿轮的疲劳失效与预防.材料工程.2003.2;

[3]高玉魁，赵振业.齿轮的表面完整性与抗疲劳制造技术的发展趋势.金属热处理.2014.11;

[4]王珉.抗疲劳制造原理与技术.江苏科学技术出版社.1999;