齿轮的表面完整性与抗疲劳制造技术的发展趋势

齿轮作为传动系统的核心关键部件，不仅传动动力和能量，更是世界文明和科学技术的传承和一个国家科学技术发展水平的体现，从某种意义上讲也是一个国家综合实力的局部展示。我国现在已是齿轮生产大国，但生产的齿轮产品性能还是与国外存在一定的差距，如使用寿命短、承载能力差和质量不稳定等，那么是什么制约了我们对高端齿轮产品的研制呢?一方面是我们现有的以利益为导向的科研评价体系问题，我们的研究部门很多单位已缺失可以长期潜心专门从事研究的科研团队，现在不管是高校还是研究所，为了能够申请到课题，很多项目都是跟踪国外的热门话题和炒作新概念，很少是专门针对某一个问题来持续研究几十年的，而且项目经费也很少有持续支持几十年去干一件事情的，这就很难保持科研人员队伍长期进行专心研究;另一方面是我们的认识还不到位，我们的产品现在多数还停留在满足图纸尺寸形状要求的成形加工制造水平，甚至对于复杂的构件，连按照图纸加工生产出来都有可能成为问题，这就难以要求我们加工生产的产品还要保证具有较好的服役性能。齿轮产品的升级换代需要通过技术的革新和体制的完善来转换产业结构，提升齿轮质量，尤其是要从成形制造转变为表面完整性制造并逐步提升到抗疲劳制造。本文从技术角度来阐述国内外齿轮的表面完整性制造技术现状，并展望了未来的抗疲劳制造发展趋势，以期对我国齿轮产业的结构调整和产品升级能够提供一些参考和建议。

1、表面完整性制造的概念和技术体系常见的齿轮失效形式有齿根的弯曲疲劳、齿面的接触疲劳、磨蚀和磨损等，而且这些失效多数源自齿面或齿根的表面，因此齿轮表面显得非常重要，表面完整性决定了其服役性能。表面完整性是指无损伤或得以强化的表面状态及由其决定的性能。这些性能包括了零部件使用所涉及到的疲劳、腐蚀与摩擦磨损等3个方面。

关于表面完整性的概念与内涵表示在图1中的实线框内，主要有表面状态和表面性能两个组成部分。表面状态决定或影响了表面性能，表面性能体现或反映了表面状态，它们之间具有映射关系。为获得某种特定的齿轮性能，需要赋予强化的表面状态。以工程中应用最为普遍的一种表面强化技术喷丸为例，喷丸强化对齿轮零件表面完整性状态改善情况示意于图2，它包括了表面粗糙度、表面硬度和表面残余应力等。

齿轮的表面完整性制造就是齿轮表面得到无损伤或强化状态的加工制造技术。表面完整性制造技术和成形制造技术并不矛盾，成形制造是形状制造，是表面完整性的前一工序，表面完整性制造则是性能制造，是在成形制造的基础上对表面进行的表面性能的提升与保证。表面完整性制造技术体系包括了加工技术体系和检测控制体系两个方面，前者主要侧重所加工材料的特性与工艺参数的优化，后者则是对表面完整性状态的检测、监测与反馈控制。往往人们只注重前者，而对后者关注较少，这也是我们为什么产品质量不稳定的主要原因，需要重视和加强相关的研究。齿轮的服役性能主要包括长寿命和低噪音等指标，因此在设计时需要综合这两个方面的需求来选择适宜的表面完整性制造加工工艺。从提高齿轮的弯曲疲劳寿命和接触疲劳寿命来讲，采用无损伤的机械加工工艺，表面渗碳、渗氮、碳氮共渗等化学热处理来提高表面层的硬度和强度，喷丸或激光冲击强化等表面强化工艺来引入残余压应力，最后为了减小表面粗糙度形成的应力集中影响，对齿轮齿根和齿面进行精细的抛光或磨削。从降低齿轮啮合时的噪音而言，对于表面的粗糙度和纹理度要求都很高。必须严格控制啮合面的齿形尺寸和加工精度，并保证完好的装配和润滑。这样，齿轮的表面完整性加工设计要求见图3。2、齿轮表面完整性制造技术的现状2．1齿轮的机械加工及表面完整性控制齿轮的机械加工及表面完整性控制为了提高齿轮加工的生产效率和确保齿轮的表面完整性，通常将齿轮的机械加工分为粗加工和精加工，常见的齿轮加工方式见图4。粗加工时的进给量较大，生产效率较高，主要是完成制出成形加工前所需的大致轮廓，其对表面完整性的要求不高，主要是要控制在成形加工最终尺寸要求内的表面层不引入组织缺陷和过大的残余拉应力，所采用的措施是磨轮高速快磨和高速的冷却与润滑;但在精加工时进给量和磨削速度都很小，就是典型的“磨洋工”才能出细活，而且要确保表层的残余应力处于很小数值或残余压应力状态。无论是粗加工还是精加工当接触面较大和冷却润滑条件不好时，表面都极易产生烧伤，这对齿轮的承载和使用寿命将产生不利影响，尤其是关键的重载齿轮表面不允许存在烧伤缺陷，因此对于机械加工过程中表面完整性的在线检测与监测显得非常重要和必要。

2．2齿轮的热处理硬化及表面完整性控制承力齿轮常常需要采用感应淬火、渗碳、渗氮或碳氮共渗以及渗硼或其他元素来增加表面层的硬度，提高表面层的强度，从而来增加表面层的疲劳抗力和减小表面磨损。适宜的硬化层深度和硬度梯度是齿轮热处理硬化的关键。过硬的表面和较大的硬化梯度或较浅的硬化层深度极易形成具有鸡蛋壳似的硬层，这将导致齿轮受载后表面层发生早期剥落，应引起足够的重视，并采用适当的硬化工艺来避免出现此类情况。低于规定的硬度和较小的硬化层硬度梯度或较深的硬化层则易在表面形成磨损或难以达到预期的硬化效果。齿轮热处理硬化的表面完整性控制就是控制表面硬化层的组织结构、硬度梯度和硬化层深度以及残余应力等。齿轮热处理硬化控制不当易导致表层出现黑色组织、脱碳、白亮层较深、微观裂纹等缺陷，也易导致本应形成的残余压应力变成残余拉应力。2．3齿轮的表面强化及表面完整性控制齿轮除了表面硬化来提高表面层的硬度和强度外，为了提高齿轮根部的弯曲疲劳性能和延长齿面的接触疲劳寿命，往往在表面硬化处理后再采用喷丸强化、滚压强化和激光冲击强化来引入残余压应力以改善表面层内的残余应力状态，进一步提高齿轮的服役寿命。激光冲击强化由于脉冲能量高和传输效率好而近年来在工业上得以应用，最初是应用在航空工业的发动机压气机叶片上，近年来推广应用于汽车行业的齿轮上。与喷丸强化相比，其表面残余压应力数值更大，可更好地改善齿轮的疲劳性能和延长服役寿命。国外最近的发展趋势是研发多脉冲激光发射装置，从而制备出类似手术台探照灯似的激光器来辐照零件，一方面可以提高激光冲击强化的生产效率，另一方面可以增加激光冲击强化的表面覆盖率。国内对激光冲击强化的研究目前还处在初级阶段，这体现在一方面是基础研究还不系统和充分，另一方面是还不具备高性能稳定的激光冲击强化设备相应的研发能力。2．4齿轮的最终加工及表面完整性控制齿轮在表面热处理硬化或强化后常常出现黑色氧化皮或其他一些缺陷，如表面粗糙度过大或表面脱碳等。齿轮的最终加工常常是为了保证表面质量而进行的精细加工，如研磨、珩磨和抛光等。日本、德国最近发展了很多较新的抛光工艺并申请了很多专利技术，国内最近也研发出了脉冲电化学机械抛光技术用于齿轮的抛光以提高表面光洁度。齿轮的最终加工对于齿轮的表面完整性影响很大，应该加以重视和研究，国内对此还不是很关注，因此常常在齿轮表面硬化或强化后交付客户使用，而没有进一步通过最终的精细加工来改善表面完整性从而更好地延长齿轮的服役寿命。

3齿轮抗疲劳制造技术的未来发展趋势齿轮制造技术发展的第三个阶段可称为齿轮的“抗疲劳”制造。某院士提出并大力倡导关键构件的“抗疲劳”制造。所谓“抗疲劳”制造是控制表面完整性和表面变质层，以疲劳性能为主要判据和提高疲劳强度的制造技术;表面完整性是控制加工工艺形成的无损伤或强化的表面状态;表面变质层是控制加工工艺形成的无损伤或强化的亚表层状态。与“表面完整性”制造不同，抗疲劳制造不仅要满足形位、表面粗糙度等设计图纸规定要求和达到关键构件的设计性能外，还要保证关键构件长寿命使用。其标志性指标中，除了表面粗糙度Ｒa等“标准数据组”外，还有“表面变质层数据组”，抗疲劳制造的目标和使命转变为精密、长寿命和经济可承受性，主体变为抗疲劳切削加工和高能或高能复合表层改性。其成效主要表现为关键构件疲劳寿命较“成形”制造提高几十倍到几百倍，可靠性提高一个到几个数量级。

4结束语齿轮的表面完整性制造与抗疲劳制造将赋予齿轮表面具有新性能与功能，使齿轮零件具有长寿命、抗疲劳、高可靠的服役特性，是实现我国齿轮产业结构升级、产品换代的关键核心技术，也是我国齿轮生产行业从中低端产品生产迈向高端产品制造的重要途径。实现齿轮从成形制造到表面完整性制造的转变并发展新的齿轮抗疲劳制