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摘要：齒輪是輪緣上有齒能連續(xù)嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的機(jī)械元件，是能互相嚙合的有齒的機(jī)械零件，是機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用最廣泛的零件之一。在齒輪的制造過程中,合理選擇材料與熱處理工藝,是提高承載能力和延長使用壽命的必要保證。常用齒輪材料鍛鋼、鑄鋼、鑄鐵、有色金屬、非金屬材料等的選擇及熱處理工藝進(jìn)行了分析。 一.齒輪結(jié)構(gòu)：
二.齒輪的分類： 按其外形分為：圓柱齒輪、錐齒輪、非圓齒輪、齒條、蝸桿蝸輪 按齒線形狀分為：直齒輪、斜齒輪、人字齒輪、曲線齒輪 按輪齒所在的表面分為：外齒輪、內(nèi)齒輪 按制造方法可分為：鑄造齒輪、切制齒輪、軋制齒輪、燒結(jié)齒輪
三.常用齒輪材料及熱處理工藝的選擇: 1.高承載能力的重要齒輪，如汽車、拖拉機(jī)、礦山機(jī)械及航空發(fā)動(dòng)機(jī)等齒輪 汽車、拖拉機(jī)等齒輪主要分裝在變速箱和差速器中，推動(dòng)汽車、拖拉機(jī)運(yùn)行,所以傳遞功率、沖擊力及摩擦壓力都很大, 工作條件比較差。因此在耐磨性、疲勞強(qiáng)度、心部強(qiáng)度和沖擊韌性等方面的要求均比較高，因此選用滲碳鋼經(jīng)滲碳、淬火及低溫回火后使用最為合適。小模數(shù)齒輪一般采用20Cr和20CrMnTi,而較大模數(shù)齒輪采用30CrMnTi 鋼。 工藝路線一般為:備料——鍛造——正火——機(jī)械粗加工、半精加工——滲碳+ 淬火+ 低溫回火——噴丸——校正——精加工 2.中等承載能力的齒輪，主要用于切削機(jī)床齒輪 機(jī)床齒輪大多用于齒輪箱,傳遞動(dòng)力,改變運(yùn)動(dòng)速度和方向,工作條件相對(duì)較好,載荷不大,工作平穩(wěn)無強(qiáng)烈沖擊,轉(zhuǎn)速也不高,屬工作條件較好的齒輪。因此,要求綜合力學(xué)性能好,一般選用調(diào)質(zhì)鋼制造, 如40 鋼、45 鋼、40Cr、40SiMn 等。 工藝路線一般為:備料——鍛造——正火——機(jī)械粗加工——調(diào)質(zhì)——機(jī)械半精加工——高頻感應(yīng)淬火+ 低溫回火——磨削 3.較低承載能力的齒輪 較低承載能力的齒輪一般選用中碳鋼(40、45)或低合金中碳鋼(40Cr、40Mn、40MnB等)制造,進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,調(diào)質(zhì)后硬度約為200～300HB。相互配對(duì)使用的小齒輪硬度稍高(相差大約在70～120HB),對(duì)齒輪的使用壽命有利。 工藝路線一般為:備料——鍛造——正火——機(jī)械粗加工——調(diào)質(zhì)——機(jī)械精加工 四.齒輪在熱處理后應(yīng)滿足下列性能要求：
五.幾種常用的齒輪村料： 1鍛鋼。鋼材的韌性好，耐沖擊，還可通過熱處理或化學(xué)熱處理改善其力學(xué)性能及提高齒面的硬度，故適于用來制造齒輪除尺寸過大或者是結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的齒輪宜鑄造外，一般都用鍛鋼制造齒輪，常用的是含碳量在0.15%~0.6% 的碳鋼或合金鋼。齒輪根據(jù)齒面硬度分為兩大類：HB＜350 時(shí)，稱為軟齒面；HB＞350時(shí)，稱為硬齒面。 2鑄鋼。當(dāng)齒輪直徑d＞400mm ，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鍛造有困難時(shí)，可采用鑄鋼。常用材料的型號(hào)為ZG45、ZG55。鑄鋼的耐磨性及強(qiáng)度均較好，但應(yīng)經(jīng)退火及?；幚?，必要時(shí)也可進(jìn)行調(diào)質(zhì) 3鑄鐵。鑄鐵性質(zhì)較脆，抗膠合及抗點(diǎn)蝕能力強(qiáng)，但抗沖擊耐磨性差。這類齒輪常用于工作平穩(wěn)，功率不大低速或尺寸較大形狀復(fù)雜的場(chǎng)合，能在缺油條件下工作，適于開式傳動(dòng)。 4非金屬材料。對(duì)高速、輕載及精度不高的齒輪傳動(dòng)，為了降低噪聲，常用非金屬材料（如夾布塑膠、尼龍等）做小齒輪，大齒輪仍用鋼或鑄鐵制造。小齒輪常用的材料：布質(zhì)、木質(zhì)、塑料、尼龍。特點(diǎn)：適于高速輕載。 六.幾種齒輪的新型材料 1、無鎳或低鎳鋼齒輪材料 為滿足煤礦嚴(yán)酷的工況條件，國外煤礦機(jī)械重載齒輪多采用含鎳及鉬的齒輪材料。近年來，我國多數(shù)國產(chǎn)煤礦機(jī)械的重載齒輪大都采用18Cr2Ni4WA鋼。該鋼種的采用基本上消除了斷齒等早期失效現(xiàn)象，但這種材料價(jià)格偏高，且熱處理工藝復(fù)雜。料價(jià)格偏高，且熱處理工藝復(fù)雜。中國礦業(yè)大學(xué)對(duì)無鎳齒輪鋼15CrMn2SiMo及低鎳齒輪鋼18CrMnNiMo進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，上述無鎳和低鎳齒輪鋼的靜強(qiáng)度及滲碳淬火后的靜彎性能與18Cr2Ni4WA相接近；前者的沖擊韌性值甚至優(yōu)于18Cr2Ni4WA；無鎳基低鎳鋼的疲勞性能也可與18Cr2Ni4WA相媲美。效果良好。煤炭科學(xué)研究總院太原分院在采掘機(jī)械重載齒輪材料的選擇方面也就無鎳齒輪鋼15CrMn2SiMo及低鎳齒輪鋼18CrMnNiMo代替18Cr2Ni4WA問題進(jìn)行了深入的研究,結(jié)果表明，18CrMnNiMo完全可以代替18Cr2Ni4WA。 2、低碳空冷貝氏體鋼 天津盛昌齒輪有限公司和天津熱處理研究所聯(lián)合對(duì)低碳貝氏體鋼及其滲碳工藝在轎車齒輪上的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明，低碳空冷貝氏體鋼經(jīng)930℃滲碳2h，強(qiáng)滲與擴(kuò)散時(shí)間比為1比1。工件表面含碳量為0.85％。對(duì)比試驗(yàn)表明，低碳貝氏體鋼經(jīng)過滲碳?xì)獯愫?，工件變形量明顯小于20CrMnTi鋼。低碳貝氏體鋼不但滲碳工藝性能良好，力學(xué)性能優(yōu)良，而且可采用滲碳?xì)饫浯慊饛亩鴾p少小轎車齒輪滲碳淬火變形量，并可較經(jīng)濟(jì)的提高其制造精度和性能，對(duì)轎車變速器齒輪、后橋齒輪等零件具有重要推廣應(yīng)用價(jià)值。 3、準(zhǔn)貝氏體滲碳鋼 西北工業(yè)大學(xué)研制成功的系列準(zhǔn)貝氏體鋼，具有高強(qiáng)高韌、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，已得到廣泛應(yīng)用。為了將其用于滲碳零件，又設(shè)計(jì)出準(zhǔn)貝氏體滲碳鋼BZ18Q，其具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。將BZ18Q準(zhǔn)貝氏體鋼用于某汽車輸出軸五檔齒輪，滲碳油冷后根據(jù)汽車齒輪相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)隨爐試樣進(jìn)行評(píng)定檢測(cè)，結(jié)果符合有關(guān)技術(shù)要求。將準(zhǔn)貝氏體鋼齒輪裝車路試，行車一定歷程后拆下進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)齒輪跨球距在跑車前后基本無變化，嚙合齒面光滑無麻點(diǎn)。試驗(yàn)表明，BZ18Q準(zhǔn)貝氏體滲碳鋼可用于制造汽車齒輪，并可替代一些含鎳較多的優(yōu)質(zhì)合金滲碳鋼。 4、鑄鋼齒輪 在齒輪的設(shè)計(jì)制造中，常采用含碳量約 0.4%的碳鋼或合金鋼，如：ZG 310～570、ZG340～640、ZG35SiMn及ZG42SiMn等。鑄鋼的機(jī)械性能不及鍛軋制鋼材，但流動(dòng)性較好，鑄鋼的強(qiáng)度雖與球墨鑄鐵相近，但其沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度均比球墨鑄鐵高得多。因此，鑄鋼常用于制造對(duì)強(qiáng)度要求不很高，但形狀復(fù)雜、直徑較大的齒輪。 七.選擇齒輪材料的原則 齒輪材料的種類很多，在選擇時(shí)應(yīng)考慮的因素也很多。一般情況下，齒輪的工作條件不同，輪齒的破壞形式不同，是確定齒輪強(qiáng)度計(jì)算準(zhǔn)則和選擇材料與熱處理的根據(jù)。 1、齒輪材料必須滿足工作條件的要求。工作條件的要求是選擇齒輪材料時(shí)首先應(yīng)考慮的因素，合金鋼常用于制作高速、重載并在沖擊載荷下工作的齒輪，如用于飛機(jī)的齒輪，要滿足質(zhì)量小、傳遞功率大和可靠性高的要求，因此必須選擇力學(xué)性能高的合金鋼，如要求齒輪尺寸盡可能小，應(yīng)采用表面硬化處理的高強(qiáng)度合金鋼。礦山機(jī)械中的齒輪傳動(dòng)，一般功率很大、工作速度較低、周圍環(huán)境中粉塵含量極高，則往往選擇鑄鋼或鑄鐵等材料。家用及辦公用機(jī)械的功率很小，但要求傳動(dòng)平穩(wěn)、低噪聲或無噪聲，以及能在少潤滑或無潤滑狀態(tài)下正常工作，因此常選用工程塑料作為齒輪材料。 2、擇齒輪材料應(yīng)考慮齒輪尺寸的大小、毛坯成形方法及熱處理工藝。大尺寸的齒輪一般采用鑄造毛坯，可選用鑄鋼或鑄鐵作為齒輪材料。中等或中等以下尺寸要求較高的齒輪常選用鍛造毛坯，可選擇鍛鋼制作。尺寸較小而又要求不高時(shí)，可選用圓鋼做毛坯。 3、擇金屬制的軟齒面齒輪材料，應(yīng)使配對(duì)兩輪齒面的硬度差應(yīng)保持為30~50。小齒輪與大齒輪的齒面具有較大的硬度差（如小齒輪齒面為淬火并磨制，大齒輪齒面為?；蛘{(diào)質(zhì)），且速度又較高時(shí)，較硬的小齒輪齒面對(duì)較軟的大齒輪齒面會(huì)起較顯著的冷作硬化效應(yīng)，從而提高了大齒輪齒面的疲勞極限。因此，當(dāng)配對(duì)的兩齒輪齒面具有較大的硬度差時(shí)，大齒輪的接觸疲勞許用應(yīng)力可提高20%，但應(yīng)注意硬度高的齒面，粗糙度值也要相應(yīng)地減小。 4、擇齒輪材料應(yīng)力求材料的品種少，便于管理，考慮資源和供應(yīng)情況。 5、齒輪材料要考慮制造單位的設(shè)備及技術(shù)情況。 八.中國齒輪工業(yè)的發(fā)展： 中國齒輪工業(yè)在“十五”時(shí)期的發(fā)展： 2005年齒輪行業(yè)的年產(chǎn)值由2000年的240億元增加到683億元，年復(fù)合增長率23.27%，已成為中國機(jī)械基礎(chǔ)件中規(guī)模最大的行業(yè)。就市場(chǎng)需求與生產(chǎn)規(guī)模而言，中國齒輪行業(yè)在全球排名已超過意大利，居世界第四位。 2006年，中國全部齒輪、傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)部件制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)累計(jì)工業(yè)總產(chǎn)值102628183千元，比上年同期增長24.15%；實(shí)現(xiàn)累計(jì)產(chǎn)品銷售收入98238240千元，比上年同期增長24.37%；實(shí)現(xiàn)累計(jì)利潤總額5665210千元，比上年同期增長26.85%。 2007年1-12月，中國全部齒輪、傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)部件制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)累計(jì)工業(yè)總產(chǎn)值136542841千元，比上年同期增長30.96%；2008年1-10月，中國全部齒輪、傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)部件制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)累計(jì)工業(yè)總產(chǎn)值144529138千元，比上年同期增長32.92%。 中國齒輪工業(yè)在“十一五”時(shí)期的發(fā)展： 中國齒輪制造業(yè)年銷售額可達(dá)到1300億元，人均銷售額上升到65萬元/年，在世界行業(yè)排名中達(dá)到世界第二。2006-2010年將新增設(shè)備10萬臺(tái)，即每年用于新增設(shè)備投資約60億元，新購機(jī)床2萬臺(tái)，每臺(tái)平均單價(jià)30萬元。到2010年，中國齒輪制造業(yè)應(yīng)有各類機(jī)床總數(shù)約40萬臺(tái)，其中數(shù)控機(jī)床10萬臺(tái)，數(shù)控化率25%（高于機(jī)械制造全行業(yè)平均值17%）。 中國齒輪工業(yè)在“十二五”時(shí)期的發(fā)展： 十二五時(shí)期是中國齒輪行業(yè)發(fā)展的黃金期，未來十年，齒輪行業(yè)應(yīng)加快朝由大變強(qiáng)的目標(biāo)邁進(jìn)，調(diào)結(jié)構(gòu)、上水平是重要任務(wù)，也是目前行業(yè)亟待扭轉(zhuǎn)的關(guān)鍵問題。 九.結(jié)束語 近年來我國在齒輪材料研制開發(fā)方面取得了一定的成就，但還有很多不足。通過開展齒輪材料篩選試驗(yàn)的研究，使我國齒輪材料系列化、規(guī)范化。在努力開發(fā)新的齒輪熱處理工藝和設(shè)備的基礎(chǔ)上，加快引進(jìn)、吸收和合理利用國外先進(jìn)工藝和設(shè)備的步伐，使我國齒輪用材水平提高到一個(gè)新高度。 鴻圖教育Proe/Creo產(chǎn)品設(shè)計(jì)課程大綱 2021-07-22 
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