農機齒輪材料的合理選擇

文章來源:長葛市兆發齒輪有限公司

農機齒輪是現代機械中應用最廣泛的一種機械傳動零件。齒輪傳動通過輪齒互相嚙合來傳遞空間任意兩軸間的運動和動力,并可以改變運動的形式和速度。齒輪傳動使用范圍廣,傳動比恒定,效率較高,使用壽命長。在機械零件產品的設計與制造過程中,不僅要考慮材料的性能能夠適應零件的工作條件,使零件經久耐用,而且要求材料有較好的加工工藝性能和經濟性,以便提高零件的生產率,降低成本,減少消耗。如果齒輪材料選擇不當,則會出現零件的過早損傷,甚至失效。因此如何合理地選擇和使用金屬材料是一項十分重要的工作。

滿足材料的機械性能

材料的機械性能包括強度、硬度、塑性及韌性等,反映材料在使用過程中所表現出來的特性。齒輪在嚙合時齒面接觸處有接觸應力,齒根部有最大彎曲應力,可能產生齒面或齒體強度失效。齒面各點都有相對滑動,會產生磨損。齒輪主要的失效形式有齒面點蝕、齒面膠合、齒面塑性變形和輪齒折斷等。因此要求齒輪材料有高的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度,齒面要有足夠的硬度和耐磨性,芯部要有一定的強度和韌性。

例如,在確定大、小齒輪硬度時應注意使小齒輪的齒面硬度比大齒輪的齒面硬度高30-50HBS,這是因為小齒輪受載荷次數比大齒輪多,且小齒輪齒根較薄,強度低于大齒輪。為使兩齒輪的輪齒接近等強度,小齒輪的齒面要比大齒輪的齒面硬一些。

另一方面,根據材料的使用性能確定了材料牌號后。要明確材料的機械性能或材料硬度,然后我們可以通過不同的熱處理工藝達到所要求的硬度范圍,從而賦予材料不同的機械性能。如材料為40Cr合金鋼的齒輪,當840-860℃油淬,540-620℃回火時,調質硬度可達28-32HRC,可改善組織、提高綜合機械性能;當860-880℃油淬,240—280℃回火時,硬度可達46-51HRC,則鋼的表面耐磨性能好,芯部韌性好,變形??;當500-560℃氮化處理,氮化層0.15-0.6mm時,硬度可達52-54HRC,則鋼具有高的表面硬度、高的耐磨性、高的疲勞強度,較高的抗蝕性和抗膠合性能且變形極??;當通過電鍍或表面合金化處里后,則可改善齒輪工作表面摩擦性能,提高抗腐蝕性能。

滿足材料的工藝性能

材料的工藝性能是指材料本身能夠適應各種加工工藝要求的能力。齒輪的制造要經過鍛造、切削加工和熱處理等幾種加工,因此選材時要對材料的工藝性能加以注意。一般來說,碳鋼的鍛造、切削加工等工藝性能較好,其機械性能可以滿足一般工作條件的要求。但強度不夠高,淬透性較差。而合金鋼淬透性好、強度高,但鍛造、切削加工性能較差。我們可以通過改變工藝規程、熱處理方法等途經來改善材料的工藝性能。

例如汽車變速箱中的齒輪選擇20CrMnTi鋼,該鋼具有較高的機械性能,在滲碳淬火低溫回火后,表面硬度為58-62HRC,芯部硬度為30-45HRC。20CrMnTi的工藝性能較好,鍛造后以正火來改善其切削加工性。此外,20 CrMnTi還具有較好的淬透性,由于合金元素鈦的影響,對過熱不敏感,故在滲碳后可直接降溫淬火。且滲碳速度較快,過渡層較均勻,滲碳淬火后變形小。適合于制造承受高速中載及沖擊、摩擦的重要零件,因此根據齒輪的工作條件選用20CrMnTi鋼是比較合適的。

材料的經濟性要求

所謂經濟性是指最小的耗費取得最大的經濟效益。在滿足使用性能的前提下,選用齒輪材料還應注意盡量降低零件的總成本。我們可以從以下幾方面考慮:

從材料本身價格來考慮。碳鋼和鑄鐵的價格是比較低廉的,因此在滿足零件機械性能的前提下選用碳鋼和鑄鐵,不僅具有較好的加工工藝性能,而且可降低成本。從金屬資源和供應情況來看,應盡可能減少材料的進口量及價格昂貴材料的使用量。

從齒輪生產過程的耗費來考慮。首先,采用不同的熱處理方法相對加工費用也不一樣,如12CrNi3A鋼滲碳表面淬火的費用要比氮化處理的費用少得多,而碳氮共滲又具有生產周期短和成本低的特點。其次,通過改進熱處理工藝也可以降低成本。如某齒輪工作時在高速、中載且承受中等沖擊條件下,原選用中合金高級滲碳鋼18cr2Ni4WA材料,其經過910-940℃滲碳,850℃淬火,180-200℃回火后機械性能的抗拉強度≥1177Mpa、屈服強度≥834Mpa、延伸率≥10%、斷面收縮率≥45%,沖擊韌性≥980kJ/m2,硬度為58-62HRC。雖能滿足齒輪的使用性能和工藝性能,但零件的價格高?,F選用價格相對便宜的低碳中合金、中淬透性滲碳鋼20CrMnTi。經過910-940℃滲碳,870℃淬火,180-200℃回火后機械性能的抗拉強度≥1100Mpa、屈服強度≥850Mpa、延伸率≥10%、斷面收縮率≥45%,沖擊韌性≥680,硬度為58-62HRC。僅此一項改進,材料費用不僅大大降低,而且滿足了其使用性能和工藝性能。第三,所選鋼種應盡量少而集中,以便采購和管理。隨著齒輪形狀、尺寸和材料向著多品種、多系列和個性化的方向發展,尤其是在型號多、產量小時,在齒輪鍛造、機加工和熱處理等生產工藝方面,存在著設計量大,生產周期長、效率低、成本高、能耗大、管理難和質量不易保證等不利狀況,因此在齒輪選材時精選、優選和壓縮材料牌號和規格有利于提高選材通用化、系列化和標準化程度,提高材料的利用率,提高材料采購的計劃性,以減少庫存積壓、加快資金流動,方便儲存和保管以及降低材料的成本消耗。最后,我們還可以通過改進工藝來提高經濟效益。如模鍛件生產的模鍛工藝已突破傳統工藝的要求,在提供成型毛坯時,可利用少無切削工藝,模鍛與機械精加工相結合,部分或全部取代切削加工直接生產零件,或在生產中采用成組技術與工藝,也可提高產品質量、生產效率和降低成本。

結束語

綜上所述,在選擇農機齒輪材料時。必須了解我國工業發展形式,結合我國資源和生產條件,從實際出發,全面考慮機械性能、工藝性能和經濟性等方面的問題,只有合理選材才能保證齒輪質量、降低產品成本,從而提高市場競爭力

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