0 引言
齒輪傳動是機械傳動中應用最為廣泛的一種傳動形式。TPX619B普通臥式銑鏜床是沈陽機床集團的經典產品之一，其主軸箱內部結構復雜，齒輪眾多。機床自面世以來，由于齒輪導致的故障率極低，可見其齒輪設計合理，材料和熱處理工藝選擇得當，現對TPX619B主運動齒輪材料及熱處理工藝進行介紹。
1 齒輪常用材料和熱處理工藝
高頻淬火齒輪通常用含碳量為0.40%～0.50%碳鋼或低合金鋼(40、45、40Cr和45Mn2) 制造。大批量生產時, 一般要求精選含碳量以保證質量。45 #鋼限制在0.42%～0.47%C, 40Cr 鋼限制在0.37%～0.42%C。經高頻淬火并低溫回火后,淬硬層應為混合回火馬氏體, 而心部則為毛坯熱處理(正火或調質) 后的組織。
由于齒輪的承載范圍廣,工作情況復雜, 應根據不同的工作環境及要求選擇適用的強化手段。對于中檔承載能力的齒輪(m =2～10 mm),線速度≤30 m/s,齒面接觸應力≤700 MPa, 精度9～7級,往往要求達到一定的硬化層深度, 而滲氮是實現深層處理的低溫化學熱處理工藝。而某些高速齒輪的線速度高達100 m/s 以上, 提高這些齒輪的齒面抗擦傷、抗膠合能力十分重要, 可將滲氮與低溫電解滲硫復合處理作為進一步提高抗膠能力的工藝[1]。而對于高精度、小模數的齒輪常采用氣體碳氮共滲工藝, 既可提高零件的耐磨性和接觸疲勞強度, 又能保證齒輪磨削后的精度達到設計要求。
齒輪的滲碳層深度可以根據模數來選擇[2]。當模數≤1.25 mm時，深度范圍為0.1~0.25 mm；當模數為1.5~2.5 mm時，深度范圍為0.25~0.40 mm；當模數為3~4 mm時，深度范圍為0.35~0.50 mm。
當模數為4.5~6 mm 時，深度范圍為0.45~0.55mm；當模數＞6 mm時，深度范圍＞0.50 mm；對于高速重載齒輪，滲碳層深度范圍為0.7~1.1 mm。
在工作中，齒輪的受力情況比較復雜，齒輪的根部受交變彎曲應力，齒面受大的接觸應力并產生強烈的摩擦，并且在嚙合不良時，還受到一定的沖擊載荷，所以齒輪一般要具有以下性能。
1） 較高的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度；2）齒面具有較高的硬度和耐磨性；3）齒輪芯部具有足夠的強度和韌性。
為了達到以上性能，滿足工作需要，就要根據齒輪工作的載荷和工作環境合理地選擇齒輪材料和熱處理工藝。
2 TPX619B主運動齒輪分析
2.1 主運動齒輪材料及熱處理選擇
主電機：1 450 rpm，功率：7.5 kW，主軸轉速：8~1 000 r/min,最大扭矩：1 225 Nm，最大軸向抗力：12250 N。屬于低速、中重型機床且齒輪運行環境良好。機床主軸箱齒輪承擔著傳遞動力和變速的任務，工作時間長，故一般采用碳鋼或40Cr或20Cr制造，見圖1 和表1。
40Cr合金鋼齒輪熱處理為齒部高頻淬火+低溫回火，熱處理后，表面硬度可達48HRC。提高了鋼的表面耐磨性，且芯部由于沒有進行淬火保持了好的韌性，變形小；圖1中5~8、13、14齒輪在傳動中受沖擊力大，且換擋次數頻繁，所以要求齒輪具有高的耐磨性，疲勞強度和芯部韌性。故選用20Cr材料。熱處理工藝采用滲碳+淬火+低溫回火。根據機床齒輪的工作狀態，屬于重載齒輪，故滲碳層取0.9 mm。滲碳后表面含碳量提高，表面硬度要求58（59）HRC;芯部硬度可達30~45HRC，保證了足夠的強度和韌性。
2.2 主運動齒輪常見問題分析
在實際生產和服務過程中，機床主運動部分有齒輪噪聲、雜音等現象發生，也偶有發生斷齒和齒輪變形的情況。齒輪噪聲和雜音的產生一般是因加工精度不能保證而引起的，比如：磨齒齒面魚鱗狀；滾齒、剃齒、插齒等齒面粗糙有溝，齒輪精度不合格等。通過嚴格控制產品質量，保證零件按圖紙加工可以有效避免此類問題發生。
齒輪打齒及齒輪變形的情況則是由于熱處理不當引起的。實際生產中小尺寸的滲碳鋼齒輪易發生斷齒現象，需要進行滲碳的齒輪，若滲碳層過大，則會導致齒輪芯部硬度過高，韌性不足，導致斷齒現象的發生。齒輪變形則是由于表面硬度不夠造成的，檢測變形齒輪發現變形齒輪硬度低于圖紙要求硬度，嚴格控制熱處理工藝后癥狀沒有再發生。由上述可見， TPX619B產品的齒輪材料和熱處理與其運行工況是相符的，能滿足機床工作需要。
3 結束語
雖然齒輪設計在機床設計工作中的數量在減少，但隨著電氣技術的提高對齒輪提出的要求也相應提高，從我國現階段機床發展水平來看，齒輪傳動結構還不可避免[3]。為保證力學性能、提高齒輪傳動質量根據工況要正確地選擇齒輪材料、冷加工和熱處理工藝。長時間的市場檢驗證明，本產品質量穩定，主軸箱齒輪故障率低，說明其工況和齒輪材料及熱處理工藝相當匹配。希望本文能對讀者在機床齒輪設計中有所啟發。
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