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1、 齿轮修复工艺的研究齿轮修复工艺的研究摘 要齿轮在各种机器设备中得到广泛使用，受损齿轮的修复对提高生产效率，降低生产成本有着重要的意义，下面仅按齿轮的不同损伤模式，分别介绍对其修复的方法。关键词齿轮 修复工艺 堆焊1 轮齿表面损伤的修复方法1.1 端面换向法修复齿轮对于齿面局部(例如一端)磨损或单工作面磨损(单向转动)的齿轮，在结构上磨损齿轮若为轴向中心平面对称时，采用端面换向(轴向调头)法修理，是经济与合适的。例如，某些变速箱齿轮，由于经常换挡变速，其轮齿一端常出现冲击磨损，如齿轮为轴向对称结构，可调头使用，并改善冲击程度。某些齿轮在设计时已考虑到了其局部(偏于一端)以及单工作面磨损后，便于
2、换向修理的特殊要求。1.2 堆焊法修复齿轮齿轮磨损严重和发生严重点蚀或剥落时，可考虑用堆焊法修复。通常，对尺寸较大而且重要齿轮的损伤用堆焊法可获得重大经济效益，并且还可尽快恢复生产。齿轮堆焊的工艺为：焊前退火清洗一施焊一机械加工一热处理一精加工。(1)焊前退火其目的是为了减少齿轮内部的残余应力、细化晶粒、降低硬度便于加工，并改善组织为后续工艺准备条件。其方法是将齿轮缓慢、均匀地加热和冷却，具体规范是升温到 500、保温1 h 后以 100/h 的速度升温到 750、保温 1.5 h 再以 150/h的速度升温到退火温度、保温 2 h 后冷却。不同材质的齿轮的退火温度为防止表面氧化，加热宜放在装
3、有木炭粉、细砂、云母屑或石灰等的退火箱中进行，而冷却可随炉或埋在干燥的黄砂或煤灰中进行。(2)清洗其目的是减少气孔、氧化和夹渣等缺陷，并保证堆焊层的结合强度以提高焊修质量，故焊前需清洗齿轮表面的油污、锈蚀和氧化物。其方法是：首先用汽油或 7080的 10%氢氧化钠水溶液清洗，然后用清水洗刷；也可用钢丝刷、刮刀、砂布或砂轮彻底打磨待焊部位的毛刺、锈蚀、点蚀和剥落坑，使之露出新的金属光泽。(3)施焊堆焊用电焊条直径可工艺选取。焊补用钢丝及焊药，主要取决于待焊齿轮轮齿的材质。对于 15 cr 和 20 cr 的渗碳齿轮，可用 20 cr 和 40 cr 钢丝，以还原焰或中性烟(气焊)进行堆焊；也可用
4、气门弹簧钢丝(65 mn)进行堆焊，此时钢丝上应涂以焊药。焊药按质量分数由白垩 40%、莹石 18%、锰铁 5、二氧化锰 8%、熔渣 12%、石墨 7%、铬铁 8组成，并用水玻璃调制而成。(3)技术要求焊好的齿轮要完整，即表面上允许有个别砂眼、气孔及夹渣，但其直径不得超过 5mm，深度不得超过 0.5 mm，孔眼在齿面上的分布每 10 mm2 的面积内不得多于 1 个，齿面加厚层应当均匀，其修正余量为 22.5 mm。(4)机械加工堆焊之后，在车床上加工外圆和端面，然后在铣床上铣齿；也可用钳工，借助齿形样板修复齿形。(5)热处理材质为 40 钢和 40cr 钢齿轮，应加热到 800，并在温水中
5、淬火，以 300回火；对于渗碳齿轮应在 900渗碳、保温1012 h，随炉冷却；然后加热到 820840，在水中或油中淬火，并进行 180200回火。(6)精加工为了提高齿面质量并修正淬火变形，在热处理后可用油石修光齿面，或将成对齿轮用细磨料对研。1.3 热锻法修复齿轮轮齿工作面严重磨损使齿厚严重减薄时，可用热锻法将齿顶部分的金属挤压到工作齿面上去，以得到包含齿形修复的机加工余量的齿厚，然后只需在轮齿顶部进行堆焊。与齿面堆焊法比较，本法操作方便，金属熔合状态较好，质量也容易保证，但需热锻工艺及相应的复杂设备支持，成本也较高。(1)去硬化层；(2)将齿轮加热到 80090，放人压模中，进行热锻镦
6、粗，然后缓冷。也可以将齿轮套在能转动的轴上，用气焊火焰将轮齿逐个加热到 800左右，锤击齿顶部，使之镦粗；然后进行堆焊；(3)在机床上切除加工余量，并用齿轮机床修复齿形；(4)热处理；(5)检验。1.4 齿轮变位法修复齿轮应用齿轮变位，不仅可以把表面损伤的齿轮修复，并且可以利用变位齿轮的特点，根据失效模式及齿轮副的具体情况，选用合适的变位以提高其承载能力（提高接触和弯曲强度，降低磨损，控制胶合等） 。特别对于大模数、大传动比的大型齿轮，其齿面发生严重表面损伤（磨损、剥落等）时，利用齿轮变位原理，修复大齿轮(相应地配制小齿轮)，会带来巨大的经济效益。利用变位原理修复齿面损伤的情况有以下几种：(1
7、)原来为标准齿轮，可采用高变位啮合，修大轮、配小轮。但这时齿轮副的中心距不变，啮合角也没有增大，这对提高接触强度没有带来好处。当然，修复大齿轮时，必须采用负变位；(2)对于大模数、大传动比的齿面损伤齿轮，为提高齿面接触强度，可采用正角变位修复(可增大啮合角)。如果把大小齿轮的变位系数都取成正值，也可提高弯曲强度；若再对总变位系数加以合理分配，可使齿轮副的两齿轮滑动率的最大值相等或近于相等，还有利于抗磨损和耐胶合的要求；采用正角变位修复齿轮的条件：a)齿轮副的中心距允许适当改变；b)齿轮的模数可变小；c)传动比允许稍作改变d)大齿轮损伤处理后的剩余齿厚，允许有足够的加工余量，修复后的轮缘有足够的
8、厚度；e)齿面接触强度和齿根弯曲强度、重合度和齿顶厚、齿轮副的最大滑动率 ，轮齿过渡曲线不发生于涉。应用齿轮变位原理修复损伤齿轮的关键：轮齿修复后应完全恢复原渐开线齿廓，即应根据齿面损伤量来确定变位系数，即可按下面两式之一来确定大齿轮的初定变位系 2 断齿的修复方法镶齿法修复齿轮对于个别断齿，且该齿轮上其他轮齿完好(特别应注意断齿的相邻齿的情况)；同时，对该齿轮精度要求不很高、工作速度较低的情况下，可用镶齿法修复，堆焊法修复断齿齿轮用堆焊法修复个别断齿时，在焊前必须认真判别断齿模式，对于断口面上的裂纹，特别是疲劳裂纹必须清根至裂纹前沿，再予施焊。为避免焊接过程的热影响，可将齿轮浸入水中，仅将施
9、焊部分露出水面，并对其邻近堆焊处的表面用石棉布遮盖。(3)拼接法修复齿轮大型齿圈断裂时，或较大的齿轮有部分齿损坏时，可用拼接法修复。拼接法修复齿轮的工艺，应特别注意以下几个方面。宜用气焊或锯(或无齿锯)割去齿轮的损坏部位，然后必须用专用工具使变形的齿轮恢复原形。再在另一个不能修复的同样齿轮上取下需要的部分，或按缺口尺寸形状用与原齿轮相同或相近材质的材料制成一部分齿环，焊到缺口上。焊前应在焊接处磨出 45坡口，成为 810 mm 宽的焊缝，焊后进行机械加工。为了保证拼接部分与原齿轮齿距均匀，应在拼接的全过程中要多次反复测量公法线长度。疲劳裂纹对于轮齿或轮缘、辐板上的初期的疲劳微裂纹，可在其裂纹扩
10、展前沿钻孔(钝化孔阻止其继续扩展以延长其使用寿命。实际上，对于较严重的轮齿疲劳裂纹，其扩展前沿又不明确，即使用无损探伤也难以定位、定量的，可考虑沿裂纹扩展方向锯去残齿，再按断齿修复。工艺裂纹对于仍处于稳定扩展的表面(或次表面)裂纹，可采用打磨或锉修的方法予以消除，以延长其使用寿命。当然，在清除裂纹时，应注意清除掉裂纹尖端的形变层为好。齿轮材料内部裂纹在经无损探伤定位、定量后，应用断裂力学对其进行残余寿命评估后，再予以适当处置；限制使用，或是报废更换。2 齿轮永久变形的修复方法(1)轻微塑性变形不太严重的损伤如飞边、小压痕、起脊等，可将其塑性变形凸起部分材料予以挫刮修整。如轮齿材料过软，可予以表
11、面强化(或局部硬化处理)，如喷丸强化。如因润滑不良，可予改善润滑，例如对于起脊损伤的齿轮，可采用含极压添加剂的高粘度润滑油以改善润滑条件。(2)塑性变形严重较重损伤如端面冲击塑性变形，则在轴向可调头的条件下，对此损伤齿轮采用端面换向法。或在有价值(如批量较大)并有条件热锻时，可采用热锻法修复。对于严重塑性变形损伤的齿轮，除采取上述措施修复外，还应排除具体的载荷或(和)环境等导致损伤的因素。(3)齿轮轴严重弯曲塑性变形齿轮轴发生弯曲塑性变形时，可用压力(用压力机)矫直和冷却矫直的方法进行修复。为克服弹性失效的影响，对于直径(最大有效直径)小于 50 mm 的齿轮轴，可将其加热到 400500并保温 0.5l h；而对于直径更大和(或)变形较大的齿轮轴，则加热温度还要适当提高(500600)，因为在这样热态条件下进行矫直，可以保证矫直复原的稳定性。参考文献:1齿轮手册编委会.齿轮手册.北京：机械工业出版社，2002.2齿轮手册编委会.机修手册.北京：机械工业出版社，1993.
