齒輪是現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)械傳動(dòng)零件。齒輪傳動(dòng)通過(guò)輪齒互相嚙合來(lái)傳遞空間任意兩軸間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力,，并可以改變運(yùn)動(dòng)的形式和速度,。齒輪傳動(dòng)使用范圍廣，傳動(dòng)比恒定,，效率較高,，使用壽命長(zhǎng)。在機(jī)械零件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中,，不僅要考慮材料的性能能夠適應(yīng)零件的工作條件,，使零件經(jīng)久耐用，而且要求材料有較好的加工工藝性能和經(jīng)濟(jì)性,，以便提高零件的生產(chǎn)率,，降低成本，減少消耗,。如果齒輪材料選擇不當(dāng),，則會(huì)出現(xiàn)零件的過(guò)早損傷，甚至失效,。因此如何合理地選擇和使用金屬材料是一項(xiàng)十分重要的工作,。
一、滿足材料的機(jī)械性能
材料的機(jī)械性能包括強(qiáng)度,、硬度,、塑性及韌性等，反映材料在使用過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的特性,。齒輪在嚙合時(shí)齒面接觸處有接觸應(yīng)力,，齒根部有最大彎曲應(yīng)力，可能產(chǎn)生齒面或齒體強(qiáng)度失效,。齒面各點(diǎn)都有相對(duì)滑動(dòng),，會(huì)產(chǎn)生磨損。齒輪主要的失效形式有齒面點(diǎn)蝕,、齒面膠合,、齒面塑性變形和輪齒折斷等。因此要求齒輪材料有高的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度,，齒面要有足夠的硬度和耐磨性,，芯部要有一定的強(qiáng)度和韌性。
例如,，在確定大,、小齒輪硬度時(shí)應(yīng)注意使小齒輪的齒面硬度比大齒輪的齒面硬度高30-50HBS，這是因?yàn)樾↓X輪受載荷次數(shù)比大齒輪多,，且小齒輪齒根較薄,，強(qiáng)度低于大齒輪。為使兩齒輪的輪齒接近等強(qiáng)度,，小齒輪的齒面要比大齒輪的齒面硬一些,。
另一方面,，根據(jù)材料的使用性能確定了材料牌號(hào)后。要明確材料的機(jī)械性能或材料硬度,，然后我們可以通過(guò)不同的熱處理工藝達(dá)到所要求的硬度范圍,，從而賦予材料不同的機(jī)械性能。如材料為40Cr合金鋼的齒輪,，當(dāng)840-860℃油淬,，540-620℃回火時(shí)，調(diào)質(zhì)硬度可達(dá)28-32HRC,，可改善組織,、提高綜合機(jī)械性能;當(dāng)860-880℃油淬，240—280℃回火時(shí),，硬度可達(dá)46-51HRC,，則鋼的表面耐磨性能好，芯部韌性好,，變形小;當(dāng) 500-560℃氮化處理,，氮化層0.15-0.6mm時(shí)，硬度可達(dá)52-54HRC,，則鋼具有高的表面硬度,、高的耐磨性、高的疲勞強(qiáng)度,，較高的抗蝕性和抗膠合性能且變形極小;當(dāng)通過(guò)電鍍或表面合金化處里后,，則可改善齒輪工作表面摩擦性能，提高抗腐蝕性能,。
二,、滿足材料的工藝性能
材料的工藝性能是指材料本身能夠適應(yīng)各種加工工藝要求的能力。齒輪的制造要經(jīng)過(guò)鍛造,、切削加工和熱處理等幾種加工,，因此選材時(shí)要對(duì)材料的工藝性能加以注意。一般來(lái)說(shuō),，碳鋼的鍛造,、切削加工等工藝性能較好，其機(jī)械性能可以滿足一般工作條件的要求,。但強(qiáng)度不夠高,，淬透性較差。而合金鋼淬透性好,、強(qiáng)度高,，但鍛造、切削加工性能較差,。我們可以通過(guò)改變工藝規(guī)程,、熱處理方法等途經(jīng)來(lái)改善材料的工藝性能,。
例如汽車變速箱中的齒輪選擇 20CrMnTi鋼，該鋼具有較高的機(jī)械性能,，在滲碳淬火低溫回火后,，表面硬度為58-62HRC,，芯部硬度為30-45HRC,。20CrMnTi的工藝性能較好，鍛造后以正火來(lái)改善其切削加工性,。此外,，20 CrMnTi還具有較好的淬透性，由于合金元素鈦的影響,，對(duì)過(guò)熱不敏感,，故在滲碳后可直接降溫淬火。且滲碳速度較快,，過(guò)渡層較均勻,，滲碳淬火后變形小。適合于制造承受高速中載及沖擊,、摩擦的重要零件,，因此根據(jù)齒輪的工作條件選用20CrMnTi鋼是比較合適的。
三,、材料的經(jīng)濟(jì)性要求
所謂經(jīng)濟(jì)性是指最小的耗費(fèi)取得最大的經(jīng)濟(jì)效益,。在滿足使用性能的前提下，選用齒輪材料還應(yīng)注意盡量降低零件的總成本,。我們可以從以下幾方面考慮：
從材料本身價(jià)格來(lái)考慮,。碳鋼和鑄鐵的價(jià)格是比較低廉的，因此在滿足零件機(jī)械性能的前提下選用碳鋼和鑄鐵,，不僅具有較好的加工工藝性能,，而且可降低成本。從金屬資源和供應(yīng)情況來(lái)看,，應(yīng)盡可能減少材料的進(jìn)口量及價(jià)格昂貴材料的使用量,。
從齒輪生產(chǎn)過(guò)程的耗費(fèi)來(lái)考慮。首先,，采用不同的熱處理方法相對(duì)加工費(fèi)用也不一樣,，如12CrNi3A鋼滲碳表面淬火的費(fèi)用要比氮化處理的費(fèi)用少得多，而碳氮共滲又具有生產(chǎn)周期短和成本低的特點(diǎn),。其次,，通過(guò)改進(jìn)熱處理工藝也可以降低成本。如某齒輪工作時(shí)在高速,、中載且承受中等沖擊條件下,，原選用中合金高級(jí)滲碳鋼18cr2Ni4WA材料,，其經(jīng)過(guò)910-940℃滲碳，850℃淬火,，180-200℃回火后機(jī)械性能的抗拉強(qiáng)度≥1177Mpa,、屈服強(qiáng)度 ≥834Mpa、延伸率≥10%,、斷面收縮率≥45%,，沖擊韌性≥980kJ/m2，硬度為58-62HRC,。雖能滿足齒輪的使用性能和工藝性能,，但零件的價(jià)格高。現(xiàn)選用價(jià)格相對(duì)便宜的低碳中合金,、中淬透性滲碳鋼20CrMnTi,。經(jīng)過(guò)910-940℃滲碳，870℃淬火,，180-200℃回火后機(jī)械性能的抗拉強(qiáng)度≥1100Mpa,、屈服強(qiáng)度≥850Mpa、延伸率≥10%,、斷面收縮率≥45%,，沖擊韌性≥680，硬度為58-62HRC,。僅此一項(xiàng)改進(jìn),，材料費(fèi)用不僅大大降低，而且滿足了其使用性能和工藝性能,。第三,，所選鋼種應(yīng)盡量少而集中，以便采購(gòu)和管理,。隨著齒輪形狀,、尺寸和材料向著多品種、多系列和個(gè)性化的方向發(fā)展,，尤其是在型號(hào)多,、產(chǎn)量小時(shí)，在齒輪鍛造,、機(jī)加工和熱處理等生產(chǎn)工藝方面,，存在著設(shè)計(jì)量大，生產(chǎn)周期長(zhǎng),、效率低,、成本高、能耗大、管理難和質(zhì)量不易保證等不利狀況,，因此在齒輪選材時(shí)精選,、優(yōu)選和壓縮材料牌號(hào)和規(guī)格有利于提高選材通用化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化程度,，提高材料的利用率,，提高材料采購(gòu)的計(jì)劃性，以減少庫(kù)存積壓,、加快資金流動(dòng),，方便儲(chǔ)存和保管以及降低材料的成本消耗。最后,，我們還可以通過(guò)改進(jìn)工藝來(lái)提高經(jīng)濟(jì)效益,。如模鍛件生產(chǎn)的模鍛工藝已突破傳統(tǒng)工藝的要求，在提供成型毛坯時(shí),，可利用少無(wú)切削工藝，模鍛與機(jī)械精加工相結(jié)合,，部分或全部取代切削加工直接生產(chǎn)零件,，或在生產(chǎn)中采用成組技術(shù)與工藝，也可提高產(chǎn)品質(zhì)量,、生產(chǎn)效率和降低成本,。
四、結(jié)束語(yǔ)
綜上所述,，在選擇齒輪材料時(shí),。必須了解我國(guó)工業(yè)發(fā)展形式，結(jié)合我國(guó)資源和生產(chǎn)條件,，從實(shí)際出發(fā),，全面考慮機(jī)械性能、工藝性能和經(jīng)濟(jì)性等方面的問(wèn)題,，只有合理選材才能保證齒輪質(zhì)量,、降低產(chǎn)品成本，從而提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,。
