摘 要:在工廠試車時,某渦槳發(fā)動機減速器齒輪軸滾道發(fā)生剝落。采用宏觀觀察、磁粉探傷、 掃描電鏡分析、磨削燒傷檢查、金相檢驗和硬度測試等方法,分析了該齒輪軸滾道剝落的原因。結 果表明:該齒輪軸滾道發(fā)生了接觸疲勞剝落,滾道的工作表面存在磨削燒傷區(qū)域,使其接觸疲勞強 度降低,產生了疲勞裂紋,最終導致齒輪軸滾道發(fā)生剝落。
關鍵詞:齒輪軸滾道;剝落;接觸疲勞;磨削燒傷;二次淬火層
中圖分類號:TB30;V263.6 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)03-0061-04
渦槳發(fā)動機主要由燃氣渦輪、減速器和螺旋槳 組成,螺旋槳的轉速一般控制在1000r/min,而渦 輪的最佳工作轉速約為20000r/min,為保證渦輪 和螺旋槳都在正常范圍內工作,減速器的工作至關 重要。減速器齒輪軸采用行星齒輪結構,內有滑油 泵對其進行強制潤滑,滑油泵由 55 齒大齒輪與 19齒小齒輪經電子束焊接而成,其中55齒的齒輪 兩端 分 別 有 一 個 齒 輪 軸 外 圓,齒 輪 軸 材 料 為 14CrMnSiNi2MoA 鋼,表面經滲碳淬火處理[1-4]。 滲碳 層 深 度 要 求 為 1.0~1.2 mm,表 面 硬 度 ≥60HRC,齒輪軸外圓經磨削加工后作為軸承的 內圈使用,直徑約為50mm,與齒輪軸配套的外圈 及滾子材料為GCr15鋼[5-7]。
在進行工廠試車時,某型號渦槳發(fā)動機減速器 的金屬屑報警器發(fā)生報警,被迫停止試驗,該次試驗 時間共計72h,未達到發(fā)動機的首翻期(200h)。經 檢查發(fā)現發(fā)動機減速器齒輪軸滾道出現了剝落現 象。筆者對該齒輪軸滾道進行了宏觀觀察、磁粉探 傷、掃描電鏡(SEM)分析、磨削燒傷檢查、金相檢驗 和硬度測試等一系列理化檢驗,查明了齒輪軸滾道 出現早期剝落的原因,并提出了相關建議,以避免該 類問題再次發(fā)生。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
齒輪軸滾道剝落區(qū)的宏觀形貌如圖1所示,可 見剝落區(qū)呈碾壓、磨損形貌,其上有兩個距離相近且 宏觀上不連續(xù)的1# ,2# 剝落坑,兩處剝落坑均靠近 小齒輪一端,其尺寸分別約為10mm×8mm(周 向×軸向)、1mm×5mm(周向×軸向),兩個剝落 坑的間隔距離約為2mm,間隔區(qū)存在較多微裂紋, 微裂紋大致平行分布。
1.2 磁粉探傷
對齒輪軸滾道進行磁粉探傷,結果如圖2所示。 由圖2可知:滾道工作區(qū)存在數條軸向微裂紋,裂紋 分布在滾道上靠近小齒輪一端,各裂紋平直、短小, 長度為2~5mm;軸承外圈滾道存在較多密集分 布的小壓坑,未見剝落形貌;滾子周向存在多條接觸印痕,未見剝落形貌;保持架除外緣、兜孔存在一 定程度的磨損痕跡外,整體較為完整,各部件未出現 明顯的異常痕跡;齒輪軸上的大、小齒輪整體未出現 明顯變形或變色,輪齒完整,非工作齒面及工作齒面 嚙合痕跡均勻,未見明顯的偏載等異常現象。
1.3 SEM 分析
使用JSM5600LV 型SEM 對齒輪軸滾道剝落 區(qū)進行分析,結果如圖3所示。由圖3可知:剝落區(qū) 主要位于滾道接觸工作區(qū),呈典型的疲勞條帶形貌。
將滾道沿裂紋人工打開,斷口的SEM 形貌如 圖4所示,可見裂紋起源于滾道表面,呈線源特征, 裂紋源區(qū)未見冶金缺陷;裂紋擴展區(qū)呈細密、清晰的 疲勞條帶形貌;滲碳層呈沿晶+韌窩的混合特征形 貌,基體呈均勻、細小的韌窩形貌。
1.4 磨削燒傷檢查
依據 HB7717—2002《航空鋼制件磨削燒傷酸 浸蝕檢查》,在良好光照條件下對齒輪軸滾道表面進 行磨削燒傷檢查,結果如圖5所示,可見滾道表面微 裂紋及剝落區(qū)附近均有黑白相間條紋狀的燒傷痕 跡,因此判定該軸承滾道表面存在淬火燒傷。
1.5 金相檢驗
分別在齒輪軸滾道正常區(qū)域及微裂紋區(qū)域的 軸向截面處取樣,將試樣腐蝕后進行金相檢驗,結 果如圖6所示。由圖6可知:試樣正常區(qū)域表層 存在 連 續(xù) 的 白 色 二 次 淬 火 燒 傷 層,深 度 小 于 11μm,次表層存在連續(xù)的深黑色回火燒傷層,深 度小于52μm;微裂紋貫穿于滾道表面,并與滾道 表面呈90°夾角,微裂紋可見較多分叉,呈細小、曲 折擴展形態(tài),尾端尖銳,微裂紋區(qū)域的表層存在連 續(xù)的白色二次淬火燒傷層,次表層存在連續(xù)的深 黑色回火燒傷,裂紋位于燒傷區(qū)域內,并且裂紋附 近未見明顯的冶金缺陷[8]。
1.6 硬度測試
采用FM-910型顯微硬度計對齒輪軸燒傷區(qū)域 及正常 區(qū) 域 的 硬 度 梯 度 進 行 測 試,測 試 載 荷 為 200g,壓痕間隔為0.05mm,測試結果如圖7所示, 可見當壓痕間隔為0.05mm 時,燒傷區(qū)域的硬度低于正常區(qū)域硬度。
2 綜合分析
經上述理化檢驗結果可知:齒輪軸滾道剝落區(qū) 有片層狀碾壓磨損特征,可見清晰的疲勞條帶形貌, 因此可以判定齒輪軸滾道剝落區(qū)發(fā)生了接觸疲勞剝 落;齒輪軸滾道軸向微裂紋起源于表面,呈線源特 征,裂紋擴展區(qū)可見細密、清晰的疲勞條帶形貌,齒 輪軸滾道軸向微裂紋為疲勞裂紋。
齒輪軸滾道剝落區(qū)端部輪廓平直,其形貌與 滾道工作區(qū)的微裂紋存在一定相似之處,分析認 為可能是滾道表面首先形成平直的微裂紋,然后 在接觸應力的作用下,裂紋發(fā)生擴展,直至滾道發(fā) 生剝落。滾道疲勞微裂紋起源于表面而非次表 面,說明疲勞微裂紋的產生與滾道表面完整性存 在較大關系。
由齒輪軸滾道磨削燒傷檢查結果可知,整個滾 道表面均可見較多條紋狀燒傷。金相檢驗結果顯 示:試樣表層微裂紋區(qū)域附近可見明顯的燒傷,微裂 紋、剝落均在燒傷區(qū)域內。滾道表面存在較為嚴重 的磨削燒傷,磨削燒傷破壞了滾道表面的顯微組織, 導致燒傷區(qū)域的硬度、韌性和強度降低;另一方面在 滾道表面會形成較大的殘余拉應力,降低其接觸疲 勞強度,從而促進疲勞裂紋的萌生,引起齒輪軸發(fā)生 剝落[9-12]。
在磨削過程中,砂輪過硬、磨削進給量太大、冷 卻不足等異常情況的發(fā)生均可使磨削區(qū)域的局部瞬 時溫度高,導致工件表面產生燒傷。
3 結論與建議
齒輪軸滾道表面存在磨削燒傷是其發(fā)生剝落的 根本原因,齒輪軸滾道剝落為接觸疲勞所致,滾道微 裂紋的性質為疲勞裂紋,齒輪軸滾道接觸疲勞剝落、 微裂紋均起源于磨削燒傷區(qū)域。
建議對齒輪軸磨削工藝進行排查,避免磨削過 程中發(fā)生異常情況。為避免磨削燒傷可采取的預防 措施有:① 選擇恰當的切削液,進行充分而均勻的 冷卻;② 選擇合適的砂輪,在磨料確定的前提下,可 選用硬度低的砂輪,并及時進行修整;③ 合理選擇 磨削進給量。
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