锥齿轮齿面剥落失效的原因分析

锥齿轮齿面剥落失效的原因分析

航空发动机是飞机的“心脏”，我国的飞机发动机经过多年的发展已经形成了较为完备的发动机制造体系，在某型发动机中所使用的锥齿轮经过地面长时间的试车后对其表面进行检测后发现锥齿轮表面有局部脱落现象，并伴随有条状擦伤痕迹，严重影响锥齿轮的使用。需要在对锥齿轮进行材料、金相组织以及硬度等检测的基础上对造成锥齿轮损坏的原因进行分析，找出造成锥齿轮损坏的原因并为后期做好对于锥齿轮的调整提供充分的理论依据。

标签：锥齿轮；齿面剥落；金相组织；失效

前言

航空发动机结构复杂、所使用的各种零部件需要在各种恶劣的条件下进行工作，从而需要确保航空发动机各零部件具有良好的使用寿命和使用质量，某发动机上所使用的主、从动锥齿轮在地面试车时发现其在长时间使用试车后锥齿轮齿面出现了轻微的点蚀和锥齿轮的齿面压溃，而后继续试车锥齿轮齿面的损坏更为严重甚至于发生有齿面剥落的现象。应当做好对于锥齿轮的材料及金相等的分析，找出造成锥齿轮失效的原因，以便从根本上解决问题提高锥齿轮的使用质量和使用寿命。

1 某发动机锥齿轮失效检测

某发动机所使用的锥齿轮在地面满负荷运行测试40h后发现其锥齿表面存在着轻微的麻点状的点蚀和条状的挤压压痕，而后继续对其进行测试达几百小时后发现锥齿轮锥齿表面发生了严重的剥落现象，严重的影响了锥齿轮的使用寿命和使用的可靠性。此锥齿轮主要材料为18CrNi4A，整体经过锻铸成型，经过地面测试后发现其静态测试符合要求，但是其动态特性较差，经过使用后容易造成零件失效。

1.1 锥齿轮失效部位外观分析

通过对失效的锥齿轮进行观察后发现，主动锥齿轮各齿均存在着不同程度的磨损，锥齿面上存在着明显的挤压变形的痕迹，且变形的痕迹贯穿整个齿面，同时在距齿顶2/3处存在有凸起波形条纹的折皱且存在一定程度的剥落。与主动齿相似的是，从动齿在锥齿工作面上存在有较为明显的挤压变形线，锥齿面存在着一定的金属附着残留，并在一些锥齿面上发现有麻点点蚀和齿面剥落的现象，锥齿齿面损坏严重使得锥齿轮无法继续使用。使用电子显微镜对锥齿齿面剥落位置进行观察后发现，锥齿轮齿面的剥落位置光亮、线型清晰，裂纹穿晶，同时剥落位置还存在着清晰的二次裂纹，锥齿面的剥落主要从齿节向齿顶方向发展，同时在使用电子显微镜观测时发现有较为明显的接触疲劳条带，在齿面并未发现其他缺陷的明显痕迹。

1.2 锥齿轮损坏位置的金相检测

在对锥齿齿面进行检测时并未发现有明显的烧伤痕迹，锥齿轮的轮齿低倍流线基本符合零件几何外形的尺寸要求，且锥齿轮的轮齿的断口表面的晶粒细致未见有其他明显的缺陷，对于锥齿轮齿面的非金属夹杂物进行检查并未发现有明显的异常。同时对采集自失效锥齿轮上的锥齿采用显微硬度法对锥齿齿面节圆处进行检测后发现，主动锥齿轮的锥齿齿面渗碳层深度略高于设计要求，而从动锥齿齿面的渗碳层深度则与技术要求相符。锥齿齿面的表面显微组织如图1所示，其中表面锥齿齿面的组织分析后为高碳马氏体与颗粒状碳化物和少量残余奥氏体的组合物。

锥齿轮齿面中心的组织经观测后发现其为低碳马氏体和少量的铁素体。其显微组织如图2所示。通过对锥齿轮齿面的表面和心部进行硬度检测后发现，锥齿轮齿面的硬度和心部的硬度均符合设计要求。

2 发动机锥齿轮齿面失效原因分析

通过对锥齿轮齿面进行材料组织、金相组织以及其他的力学性能检测后发现，锥齿轮齿面的各项性能指标都达到了图纸设计要求，在锥齿轮齿面的测试时所发现的主动锥齿轮齿面表面渗碳层厚度略高于设计要求其都有锥齿轮齿面的表面硬度有所提高但这不是造成锥齿轮齿面剥落的主要原因，应当在做好对于锥齿轮齿面各项检测的基础上进行认真、细致的分析，找出造成锥齿轮齿面剥落的主要原因，从而在根本上解决问题。通过对锥齿轮齿面剥落的深度进行测量后发现，其剥落点最深度其主要是位于锥齿轮齿面的硬化层内，同时对锥齿轮齿面剥落位置使用电子显微镜进行观测后发现，锥齿轮齿面剥坑内的金属表面组织存在有贝壳状的花纹，具有较为明显的疲劳破坏的特性，结合以上信息分析认为是由于锥齿轮副在工作时各齿面之间接触应力分布不均所造成的，而后通过对锥齿轮齿面进行动态测试发现锥齿轮副接触齿面的啮合接触应力区的动载状态分布存在一定的异常，从而也从测量证实了先期的猜测，锥齿轮在运行的过程中，由于主、副锥齿轮接触应力分布不均匀导致锥齿轮在运行的过程中，一些部件齿面的接触应力过大，从而使得锥齿轮两齿面在啮合的过程中发生局部碾压，从而破坏了锥齿轮齿面的接触效果，锥齿轮齿面在接触的过程中由于其表面凹凸不平，导致锥齿轮齿面在接触的过程中会产生较大的摩擦，并在接触时较大的接触应力会将锥齿轮齿面的部分压平从而产生小的表面折叠，并在锥齿轮齿面齿尖处产生一定的应力集中，锥齿轮的转动速度较快，从而造成接触面的接触应力极大，在应力的反复作用下将会使得锥齿轮齿面发生一定的局部塑形变形进而产生表面的裂缝，同时较大的接触力会将润滑油等挤入到缝隙中形成油楔从而使得裂缝在运动中不断扩大、延伸并最终导致锥齿轮齿面产生剥落的现象。造成锥齿轮齿面产生麻点点蚀的原因最主要的是包括摩擦力在内的表面切应力。当锥齿轮齿面的产生裂缝时，由于锥齿轮所使用的材料在脱碳或是表面温度较高时将会使得锥齿轮齿面表层软化，从而降低了锥齿轮齿面的强度和抗塑形变形的能力，从而导致锥齿轮齿面产生剥落。

3 结束语

锥齿轮是发动机中的重要组成部分之一，其使用性能的好坏对于发动机的质量有着十分重要的影响，文章在对某发动机锥齿轮进行失效分析的基础上，通过对锥齿轮从所使用的材料性能、金相组织等多方面进行研究，确定了造成锥齿轮齿面剥落的最主要的原因，从而为下一步的对锥齿轮齿面的处理指明了道路。

参考文献

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