解析兩種修復(fù)磨損齒輪新方法的技術(shù)論文
1 齒輪零件的常規(guī)修復(fù)方法
齒輪零件失效后， 對(duì)部分仍有使用價(jià)值的零件進(jìn)行修復(fù)后繼續(xù)使用。常用的修復(fù)方法有：調(diào)整換位法、變位加工法、鑲齒(圈)法、堆焊法、刷鍍法和熱噴涂法等。
常規(guī)的修復(fù)方法中，調(diào)整換位、變位加工、鑲齒(圈)3 種方法具有很大局限性，不具備齒輪再制造修復(fù)的潛力。堆焊法熱影響區(qū)大，會(huì)破壞齒輪本身的熱處理性能，且易出現(xiàn)裂紋和氣孔等缺陷;刷鍍法結(jié)合強(qiáng)度大， 但不適于損壞較大的齒輪修復(fù); 熱噴涂法結(jié)合強(qiáng)度低， 不能滿足主動(dòng)輪重載荷、大沖擊的工作特點(diǎn)。
針對(duì)以上幾種常規(guī)修復(fù)方法的局限性，我們采用兩種全新的方法修復(fù)磨損齒輪。以修復(fù)重載車輛的主動(dòng)輪齒圈和側(cè)減速器被動(dòng)齒輪為例，對(duì)于失效的主動(dòng)輪齒圈而言，我們運(yùn)用激光熔覆增材再制造技術(shù)使其表面得到修復(fù)與強(qiáng)化，改善齒輪件的耐磨損、耐腐蝕、耐高溫性能，恢復(fù)主動(dòng)輪齒圈零件的技術(shù)性能，延長使用壽命，節(jié)約開支;對(duì)于重載車輛傳動(dòng)箱中滲碳齒輪而言，我們采用熱脹減材再制造技術(shù)修復(fù)磨損后的滲碳齒輪，使其性能恢復(fù)到使用水平，從而達(dá)到再次服役的要求。
2 激光熔覆技術(shù)增材再制造修復(fù)主動(dòng)輪齒圈
2.1 激光熔覆技術(shù)在齒輪修復(fù)上的應(yīng)用
激光熔覆技術(shù)是通過在基體表面添加熔覆材料， 并利用高能密度的激光束使之與基體表面薄層一起快速熔凝， 在基體表面形成與其為冶金結(jié)合的添料熔覆層， 從而顯著改變基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化等特性的工藝方法。激光熔覆獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)使其在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。主要可以歸為三類：表面改性、表面修復(fù)和快速成型。其中激光熔覆表面修復(fù)主要集中在燃?xì)廨啓C(jī)葉片、軋輥、齒輪軸等零件，對(duì)齒輪的修復(fù)研究得不多。主要原因是激光器功率小，修復(fù)效果不理想。近年來，大功率激光器和寬帶掃描裝置出現(xiàn)并普及， 為使用激光熔覆技術(shù)修復(fù)齒類零件提供了可能。
2.2 激光熔覆技術(shù)修復(fù)主動(dòng)輪齒圈的優(yōu)點(diǎn)
重載車輛的動(dòng)力傳動(dòng)廣泛采用開式齒輪傳動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)具有制造簡(jiǎn)單、更換方便的優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)也存在工作環(huán)境惡劣的問題。尤其是重載車輛的主動(dòng)輪齒圈，工作在載荷重、沖擊大、速度不穩(wěn)定、潤滑不良的環(huán)境下，長期野外作業(yè)使其還面臨著風(fēng)沙大、溫濕度大等惡劣的自然條件，常因齒面劇烈磨損而失效。
零件修復(fù)與再制造的要求。激光熔覆技術(shù)以其熱影響區(qū)小、稀釋率低、結(jié)合強(qiáng)度高，受到了科研和工業(yè)上的廣泛關(guān)注。激光熔覆是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及到物理、化學(xué)、冶金、材料等諸多學(xué)科。與常規(guī)的熱噴涂、堆焊等表面改性工藝相比較，激光熔覆具有以下特點(diǎn)：
(1)熱影響區(qū)小，基體變形小，不破壞基體的力學(xué)性能。(2)冷卻速度高達(dá)106℃/s，熔覆層組織晶粒細(xì)小、結(jié)構(gòu)致密，甚至能產(chǎn)生非穩(wěn)相、非晶態(tài)等。(3)可熔覆材料范圍廣，幾乎沒有限制。(4)熔覆層與基體為冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高。(5)熔覆層的稀釋度小，基體材料對(duì)熔覆層成分、性能影響小。(6)過程易于控制，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。將激光熔覆技術(shù)應(yīng)用于齒類零件的修復(fù)與再制造領(lǐng)域， 對(duì)于重載車輛主動(dòng)輪齒圈來說具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和科研價(jià)值。
2.3 激光熔覆技術(shù)修復(fù)主動(dòng)輪齒圈的技術(shù)可行性研究
利用激光熔覆技術(shù)修復(fù)主動(dòng)輪齒圈， 關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)出合適的激光熔覆粉末。課題組多年來致力于激光熔覆用的鎳基粉末和堆焊用的中錳鋼材料的研究， 且熔覆層和堆焊層的各項(xiàng)性能指標(biāo)基本上能夠滿足主動(dòng)輪齒圈的`使用要求， 只要調(diào)整合金體系中微量元素及稀土元素的含量， 使熔覆層的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)一步得到提高。理論上具備完成修復(fù)主動(dòng)輪齒圈的技術(shù)條件。
3 熱脹法修復(fù)滲碳齒輪
3.1 熱脹法在齒輪修復(fù)上的運(yùn)用
熱脹法利用金屬或合金的塑性變形性能，使零件在一定的外力作用的條件下改變其幾何形狀而不損壞。熱脹法修復(fù)零部件的方法，一般是壓力加工的方法，但其工作對(duì)象不是毛坯，而是具有一定尺寸和形狀的零部件。這個(gè)方法是將零部件不工作部位的部分金屬轉(zhuǎn)移到零件的磨損工作部位，以恢復(fù)其名義尺寸。因此，用這種方法不僅改變零部件的外形， 而且改變金屬的機(jī)械性質(zhì)和組織結(jié)構(gòu)。國內(nèi)一些工廠嘗試用熱脹法對(duì)大齒輪進(jìn)行修復(fù)， 但到目前為止還沒有一套成熟的工藝修復(fù)方法。我們以熱脹法在發(fā)動(dòng)機(jī)活塞鞘、軸類零部件的成型工藝為參考， 提出了一種全新的減材修復(fù)滲碳齒輪的新方法。齒輪磨損失效后，只是輪齒表層損耗掉一部分材料， 而在輪轂部分有充足的材料可以對(duì)這部分損耗進(jìn)行補(bǔ)充。通過設(shè)計(jì)合適的模具，限制齒輪在軸向的自由度，而保留其在徑向的自由度。通過對(duì)輪轂和輪齒部分進(jìn)行加熱擠壓變形，使其徑向向外塑性變形，從而使得整個(gè)輪齒外形略大于新齒輪的外形尺寸。通過進(jìn)一步加工及熱處理， 獲得性能與新齒輪相同的再制造齒輪。
3.2 熱脹法修復(fù)滲碳齒輪的優(yōu)點(diǎn)
在一些大型重載車輛的齒輪傳動(dòng)箱、變速箱和側(cè)減速器中，包含著眾多的滲碳齒輪。這些齒輪材料大部分使用20Cr2Ni4A 或18Cr2Ni4WA 制造，毛坯材料的價(jià)格昂貴，滲碳處理后齒面硬度很高。以側(cè)減速器中被動(dòng)齒輪為例， 它使用20Cr2Ni4A 材料制造， 經(jīng)滲碳后齒面硬度達(dá)到HRC57 以上，滲碳層深度為1.2~1.8 mm。經(jīng)過一段時(shí)間的使用后，齒面磨損嚴(yán)重，許多齒輪修理廠嘗試了多種方法對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。其中一種是對(duì)其進(jìn)行堆焊修復(fù)，即在磨損的齒面上滿焊一層高硬度材料后，對(duì)齒面進(jìn)行銑削、磨削等機(jī)械加工，其工藝流程為：脫碳→堆焊→粗加工→滲碳→半精加工→熱處理→精加工。由于滲碳層高的含碳量對(duì)堆焊工藝有很大制約，堆焊后熱影響區(qū)極易出現(xiàn)裂紋，故堆焊之前要先進(jìn)行復(fù)雜的除碳工藝;其次，滿焊造成機(jī)械加工量增加，提高了生產(chǎn)成本;另外，堆焊高硬度材料給后續(xù)加工帶來了極大的困難。基于以上原因，使用這種堆焊工藝無法進(jìn)行齒輪的尺寸和性能的恢復(fù)。而熱脹法可以克服這些困難，它不受零部件材料的限制，只需對(duì)零部件進(jìn)行熱擠壓，通過變形加工來達(dá)到恢復(fù)零部件工作尺寸的目的， 既節(jié)省了成本，又促進(jìn)了材料的循環(huán)再利用。熱脹法最明顯的優(yōu)點(diǎn)是可迅速恢復(fù)輪齒的尺寸， 輪齒的加工余量小，比較適合修復(fù)齒數(shù)大的盤狀齒輪。
3.3 熱脹法修復(fù)齒輪的技術(shù)可行性研究
從理論上講，熱脹法是犧牲了齒輪小部分的輪轂強(qiáng)度，用輪轂材料來補(bǔ)充輪齒的材料。所有的齒輪在設(shè)計(jì)制造過程中，都會(huì)有充足的設(shè)計(jì)裕度。輪齒齒面被磨損的材料不到1 mm， 相對(duì)整個(gè)輪齒而言，所占比例很小。初步計(jì)算表明，齒輪輪齒經(jīng)過熱脹后如果在徑向方向上增加1 mm， 輪轂厚度的減小不到0.2 mm，這個(gè)厚度的減小對(duì)其強(qiáng)度的影響是微乎其微;此外，通過對(duì)大齒輪實(shí)際的測(cè)量，這些齒輪在制造之前的設(shè)計(jì)中的內(nèi)緣厚度一般是30~35mm，按照新齒輪的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般不小于15~20 mm 即可。對(duì)整個(gè)齒輪的磨損情況的分析和初步計(jì)算可知，內(nèi)緣厚度減小了5~10 mm，完全可以滿足工作強(qiáng)度條件。如果通過了強(qiáng)度考核試驗(yàn)，利用熱脹法修復(fù)滲碳齒輪在技術(shù)上是完全可行的。在輪齒的性能方面，由于材料沒有發(fā)生改變，而滲碳工藝及熱處理工藝也都是在原齒輪的工藝基礎(chǔ)上稍微調(diào)整，因此完全能夠達(dá)到原輪齒的性能。
4 結(jié)束語
我們秉承再制造修復(fù)的理念， 運(yùn)用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行增材再制造的方式修復(fù)主動(dòng)齒輪; 運(yùn)用熱脹法進(jìn)行減材再制造的方式修復(fù)滲碳齒輪，使其能夠恢復(fù)到磨損前的服役性能， 兩種方法體現(xiàn)了再制造技術(shù)在重載車輛零部件修理方面具有巨大的運(yùn)用價(jià)值。從理論上講，激光熔覆技術(shù)和熱脹法具備修復(fù)齒輪的可行性。不足的是激光熔覆技術(shù)得到的熔覆層存在裂紋問題、稀釋問題和壽命問題， 熱脹法在修復(fù)的工藝過程中存在脫碳不完全、兩次滲碳以及熱處理過程中組織應(yīng)力和熱應(yīng)力對(duì)材料的影響，這些都需要做進(jìn)一步的研究。
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