解析兩種修復磨損齒輪新方法的技術論文
1 齒輪零件的常規修復方法
齒輪零件失效后， 對部分仍有使用價值的零件進行修復后繼續使用。常用的修復方法有：調整換位法、變位加工法、鑲齒(圈)法、堆焊法、刷鍍法和熱噴涂法等。
常規的修復方法中，調整換位、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的潛力。堆焊法熱影響區大，會破壞齒輪本身的熱處理性能，且易出現裂紋和氣孔等缺陷;刷鍍法結合強度大， 但不適于損壞較大的齒輪修復; 熱噴涂法結合強度低， 不能滿足主動輪重載荷、大沖擊的工作特點。
針對以上幾種常規修復方法的局限性，我們采用兩種全新的方法修復磨損齒輪。以修復重載車輛的主動輪齒圈和側減速器被動齒輪為例，對于失效的主動輪齒圈而言，我們運用激光熔覆增材再制造技術使其表面得到修復與強化，改善齒輪件的耐磨損、耐腐蝕、耐高溫性能，恢復主動輪齒圈零件的技術性能，延長使用壽命，節約開支;對于重載車輛傳動箱中滲碳齒輪而言，我們采用熱脹減材再制造技術修復磨損后的滲碳齒輪，使其性能恢復到使用水平，從而達到再次服役的要求。
2 激光熔覆技術增材再制造修復主動輪齒圈
2.1 激光熔覆技術在齒輪修復上的應用
激光熔覆技術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。激光熔覆獨特的技術特點使其在工業領域得到了廣泛的應用。主要可以歸為三類：表面改性、表面修復和快速成型。其中激光熔覆表面修復主要集中在燃氣輪機葉片、軋輥、齒輪軸等零件，對齒輪的修復研究得不多。主要原因是激光器功率小，修復效果不理想。近年來，大功率激光器和寬帶掃描裝置出現并普及， 為使用激光熔覆技術修復齒類零件提供了可能。
2.2 激光熔覆技術修復主動輪齒圈的優點
重載車輛的動力傳動廣泛采用開式齒輪傳動，這種結構具有制造簡單、更換方便的優點。但同時也存在工作環境惡劣的問題。尤其是重載車輛的主動輪齒圈，工作在載荷重、沖擊大、速度不穩定、潤滑不良的環境下，長期野外作業使其還面臨著風沙大、溫濕度大等惡劣的自然條件，常因齒面劇烈磨損而失效。
零件修復與再制造的要求。激光熔覆技術以其熱影響區小、稀釋率低、結合強度高，受到了科研和工業上的廣泛關注。激光熔覆是一個復雜的過程，涉及到物理、化學、冶金、材料等諸多學科。與常規的熱噴涂、堆焊等表面改性工藝相比較，激光熔覆具有以下特點：
(1)熱影響區小，基體變形小，不破壞基體的力學性能。(2)冷卻速度高達106℃/s，熔覆層組織晶粒細小、結構致密，甚至能產生非穩相、非晶態等。(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合，結合強度高。(5)熔覆層的稀釋度小，基體材料對熔覆層成分、性能影響小。(6)過程易于控制，易于實現自動化。將激光熔覆技術應用于齒類零件的修復與再制造領域， 對于重載車輛主動輪齒圈來說具有巨大的經濟效益和科研價值。
2.3 激光熔覆技術修復主動輪齒圈的技術可行性研究
利用激光熔覆技術修復主動輪齒圈， 關鍵在于設計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性能指標基本上能夠滿足主動輪齒圈的`使用要求， 只要調整合金體系中微量元素及稀土元素的含量， 使熔覆層的各項性能指標進一步得到提高。理論上具備完成修復主動輪齒圈的技術條件。
3 熱脹法修復滲碳齒輪
3.1 熱脹法在齒輪修復上的運用
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。熱脹法修復零部件的方法，一般是壓力加工的方法，但其工作對象不是毛坯，而是具有一定尺寸和形狀的零部件。這個方法是將零部件不工作部位的部分金屬轉移到零件的磨損工作部位，以恢復其名義尺寸。因此，用這種方法不僅改變零部件的外形， 而且改變金屬的機械性質和組織結構。國內一些工廠嘗試用熱脹法對大齒輪進行修復， 但到目前為止還沒有一套成熟的工藝修復方法。我們以熱脹法在發動機活塞鞘、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這部分損耗進行補充。通過設計合適的模具，限制齒輪在軸向的自由度，而保留其在徑向的自由度。通過對輪轂和輪齒部分進行加熱擠壓變形，使其徑向向外塑性變形，從而使得整個輪齒外形略大于新齒輪的外形尺寸。通過進一步加工及熱處理， 獲得性能與新齒輪相同的再制造齒輪。
3.2 熱脹法修復滲碳齒輪的優點
在一些大型重載車輛的齒輪傳動箱、變速箱和側減速器中，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，毛坯材料的價格昂貴，滲碳處理后齒面硬度很高。以側減速器中被動齒輪為例， 它使用20Cr2Ni4A 材料制造， 經滲碳后齒面硬度達到HRC57 以上，滲碳層深度為1.2~1.8 mm。經過一段時間的使用后，齒面磨損嚴重，許多齒輪修理廠嘗試了多種方法對其進行修復。其中一種是對其進行堆焊修復，即在磨損的齒面上滿焊一層高硬度材料后，對齒面進行銑削、磨削等機械加工，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堆焊工藝有很大制約，堆焊后熱影響區極易出現裂紋，故堆焊之前要先進行復雜的除碳工藝;其次，滿焊造成機械加工量增加，提高了生產成本;另外，堆焊高硬度材料給后續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行齒輪的尺寸和性能的恢復。而熱脹法可以克服這些困難，它不受零部件材料的限制，只需對零部件進行熱擠壓，通過變形加工來達到恢復零部件工作尺寸的目的， 既節省了成本，又促進了材料的循環再利用。熱脹法最明顯的優點是可迅速恢復輪齒的尺寸， 輪齒的加工余量小，比較適合修復齒數大的盤狀齒輪。
3.3 熱脹法修復齒輪的技術可行性研究
從理論上講，熱脹法是犧牲了齒輪小部分的輪轂強度，用輪轂材料來補充輪齒的材料。所有的齒輪在設計制造過程中，都會有充足的設計裕度。輪齒齒面被磨損的材料不到1 mm， 相對整個輪齒而言，所占比例很小。初步計算表明，齒輪輪齒經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，這個厚度的減小對其強度的影響是微乎其微;此外，通過對大齒輪實際的測量，這些齒輪在制造之前的設計中的內緣厚度一般是30~35mm，按照新齒輪的設計強度和設計經驗，一般不小于15~20 mm 即可。對整個齒輪的磨損情況的分析和初步計算可知，內緣厚度減小了5~10 mm，完全可以滿足工作強度條件。如果通過了強度考核試驗，利用熱脹法修復滲碳齒輪在技術上是完全可行的。在輪齒的性能方面，由于材料沒有發生改變，而滲碳工藝及熱處理工藝也都是在原齒輪的工藝基礎上稍微調整，因此完全能夠達到原輪齒的性能。
4 結束語
我們秉承再制造修復的理念， 運用激光熔覆技術進行增材再制造的方式修復主動齒輪; 運用熱脹法進行減材再制造的方式修復滲碳齒輪，使其能夠恢復到磨損前的服役性能， 兩種方法體現了再制造技術在重載車輛零部件修理方面具有巨大的運用價值。從理論上講，激光熔覆技術和熱脹法具備修復齒輪的可行性。不足的是激光熔覆技術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力和熱應力對材料的影響，這些都需要做進一步的研究。
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