齿轮的表面完整性与抗疲劳制造技术的发展趋势

从齿轮的失效形式讲述了表面完整性制造的重要性和必要性，并论述了国内外齿轮表面完整性制造的现状与抗疲劳制造未来发展趋势，指出齿轮的表面完整性制造技术是提升我国齿轮行业竞争力的关键途径和产品升级的核心技术，更是齿轮制造从大到强必须克服的瓶颈。抗疲劳制造技术是在表面完整性制造基础上为得到更佳的齿轮抗疲劳性能而发展的新技术。发展齿轮的表面完整性制造与抗疲劳造技术需要政、产、学、研、用的密切配合共同克服技术难题和瓶颈问题，以推动我国长寿命高端齿轮产品的研制和应用。

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。

图1 齿轮表面完整性的内涵

图2 喷丸强化与表面完整性

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。

图3 齿轮的使用性能与技术要求

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

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。

图4 齿轮的机械加工方法

为了确保齿轮的表面完整性，必须控制机械加工工艺参数; 为了保证机械加工过程中没有烧伤或产生过大的残余拉应力，还必须在线检测这些表面完整性的参数和反馈控制机械加工工艺。

齿轮在机械加工过程中易产生表面缺陷。常见的机械加工齿轮表面缺陷有因热量过大导致的表面脱碳或氧化、表面烧伤或软点、表面微观裂纹等形式，见图5。表面脱碳或氧化、表面烧伤都可能导致组织出现黑色组织，硬度降低或局部出现软点，表面强度降低和抗弯曲与接触疲劳性能恶化，严重时出现断齿或齿面掉块等失效现象。当表面磨削加工工艺参数不当或冷却润滑不好时，一方面烧伤不严重时表面层可能出现较大的残余拉应力，另一方面烧伤严重时将形成微观或宏观裂纹，称为磨削烧伤裂纹。为了确保齿轮的表面完整性，不仅需要在零部件最终加工成形后检测其表面完整性，还需要在机械加工过程中进行在线检测，齿轮的在线监测是非常重要的，对此国外已建立了如图6 所示的完整的检测设备体系和方法。

图5 齿轮加工与表面缺陷

从目前可用的齿轮表面完整性检测方法来看，可以分为在工业生产中可以检测并已经成熟应用的检测技术和需要在实验室内进行并已经成熟可用的检测技术两个层次。

图6 齿轮表面损伤的检测方法

工业上常见的检测表面完整性损伤方法有肉眼观察、裂纹探视、腐蚀( 齿轮钢铁材料常用硝酸乙酸溶液) 、声发射、功耗、巴克豪森等方法; 实验室里表面完整性损伤的检测方法包括X 射线分析、硬度测试和冶金分析检测等。

为了方便检测齿轮零件的表面完整性，国外( 如芬兰) 研制了实用简便的巴克豪森分析方法，并成功应用在工业生产中，如图7 所示的手工检测、自动检测和机器人在线检测。依据多次检测结果，可根据残余应力的性质和数值大小对加工工艺给予正确及时的评价分析。

图7 巴克豪森表面检测

( a) 手动检查和自动检测; ( b) 机器人在线检测

2.2 齿轮的热处理硬化及表面完整性控制

非主要的承力齿轮常常采用45 钢调质处理后直接机械加工而使用。最近发展的低碳贝氏体-马氏体钢来制作齿轮也无需热处理硬化。机械工业常常采用20CrMnTi、20CrMnTiH42CrMo、39NiCrMo3、40CrMoA17、SAE4140 和AISI5130 等材料来制造重要的关键承力齿轮，而航空航天工业则要采用优质的高强度合金钢制造，如高纯夹杂物精细控制的M50NiL、9310 钢等材料常常被用来制造承力齿轮。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。近年来发展的深层渗碳和深层渗氮技术为形成适宜的硬化层深度和硬度梯度提供了较好的新思路和成熟的工艺方法。

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。

齿轮喷丸强化的历史已有60 余年，最初是为了解决齿轮根部的断裂问题，逐渐发展成为提高齿轮的接触疲劳与弯曲疲劳以及应力腐蚀开裂与磨损等使用性能的关键改性工艺。目前国外已经把喷丸强化从常规喷丸转变为精细喷丸，而且研发了齿根与齿面不同弹丸直径与不同喷丸强度的先后喷丸强化工艺新技术以及先高强度后低强度喷丸的二次喷丸强化新技术，从而进一步提高了齿轮的服役性能。国内的喷丸强化还是停留在传统的喷丸强化技术，缺少对精细喷丸的严格控制和新喷丸强化技术的研发。齿轮喷丸强化表面完整性的控制关键是表面层内残余应力分布的状态控制与表面粗糙度的优化，要避免出现“欠喷”和“过喷”这两种不当的喷丸强化。“欠喷”因喷丸强度较低而达不到预期的强化效果，“过喷”将因强度过高引入表面微裂纹或粗糙度过大而造成“过犹不及”。

齿轮的滚压强化是借助滚压在表面引入残余压应力。主要是采用圆的辊子或滚珠来碾压齿轮表面，对于齿根还缺少系统的研究，这可能是由于受根部辊子或滚珠不易运动所限制。国内对此开展的研究很少，需要研发滚压强化设备和开发相关工艺技术来提高齿轮的服役性能。

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。

总体而言我国齿轮的加工目前大多数还停留在成形制造阶段，缺少齿轮的表面完整性制造技术体系，即使常规的喷丸强化这种表面改性技术在实际工程上也因存在问题较多而应用效果不够理想，更谈不上齐全的表面完整性质量检测技术平台，这导致了我国制造的齿轮类关键基础传动构件处于低中端水平，难以制造出高端的齿轮传动零部件。在这种技术背景下，我国的高端齿轮应用不得不依靠进口，如国内的高铁齿轮从德国进口、直升机发动机传动齿轮从意大利进口等，因而严重限制了我国国民经济的发展和国防实力的提升。

3 齿轮抗疲劳制造技术的未来发展趋势

世界齿轮机械制造业的发展根据齿轮制造技术的特点和要求可分为3 个阶段。第一个阶段可称为齿轮的“成形”制造。它是以成本、时间、空间等为技术判据，满足形位、表面粗糙度等设计图纸规定要求的制造技术。其主体是切削加工，标志性指标是表面粗糙度Ｒa，目标是精密和高效。60 年来在解决齿轮装备“有无”理念指导下，中国通过引进、仿制国外技术发展了齿轮机械制造业，建立了良好的齿轮“成形”制造平台，并成为齿轮制造大国。但是，中国至今仍停滞在传统的齿轮“成形”制造水平上。由于齿轮“成形”制造没有与齿轮使用性能直接挂钩，加之切削加工又是表面应力集中的主要来源，易诱发疲劳强度的应力集中敏感性，以致成为齿轮结构重、寿命短、可靠性差“三大问题”的主要原因。第二个阶段可称为齿轮的“表面完整性”制造。1948 ～ 1970 年，美国齿轮制造业顺应机械制造业发展需求，研究发展了齿轮的“表面完整性”制造。这种制造旨在控制齿轮的表面完整性，是一种以疲劳性能为主要判据和提高疲劳强度的制造技术。与“成形”制造不同，它除了满足形位、表面粗糙度等设计图纸规定要求外，还要达到关键构件的设计性能。其标志性指标是表面粗糙度Ｒa、残余应力、疲劳性能为主的“标准数据组”，目标是精密、高效和疲劳性能，主体仍是切削加工。其成效主要表现为: ① 1970 年发布标志性成果“机械加工构件表面完整性指南”; ② 1971年美国空军颁布了“军用飞机安全寿命设计规范”; ③ 第三代战机寿命从3000 飞行小时提升到了5000 飞行小时。1970 年至今，美国齿轮制造业创新发展了多种齿轮的表层改性新表面完整制造技术，并于20 世纪90 年代初提出了经济可承受性概念，使齿轮装备寿命不断得以提高并减免维修。

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。北京航空材料研究院赵振业院士在几十年的长寿命关键构件抗疲劳制造研究基础上，使飞机起落架达到并超过国外最高规定寿命，提出了“无应力集中”抗疲劳概念，创新理论研究、紧密结合工程应用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。抗疲劳制造将把中国关键构件和机械制造带入一个长寿命、高可靠、结构减重和经济可承受性的新时代，一个绿色、环保、人性化和可持续发展的新时代，一个占据国际先进水平和竞争地位的新时代。

抗疲劳制造的核心是表层改性，尤其是高能或高能复合表层改性。但是，在关键构件制造厂中，80%以上的工序是切削加工，而切削加工是关键构件疲劳强度应力集中效应的诱发者和“三大问题”的主要原因。在关键构件制造厂中，很少甚至没有表层改性工序，更不要说车间，而表层改性，尤其是高能或高能复合表层改性是关键构件疲劳强度应力集中效应的抑制者和解决“三大问题”的关键技术。实现抗疲劳制造是一场革命，其内涵不仅涉及制造理念、管理理念、制造技术和从业者，还包括制造车间、工艺和工序设置。其中的核心和主导者就是表层改性，尤其是高能或高能复合表层改性。

建立齿轮的抗疲劳加工工艺参数( 加工参数输入) 与表面和次表面性能以及齿轮零件服役性能等之间的关系是齿轮抗疲劳制造研究的重点和难点。研究和发展齿轮新型的抗疲劳制造技术，研发齿轮的深层渗碳和渗氮、高能复合表面改性新技术，创新高性能设备和研发新工艺，进一步提高齿轮表层的硬度和残余压应力水平并使其具有一定的韧性将是未来齿轮抗疲劳制造工艺和设备研究的主要方向。建立齿轮的抗疲劳制造质量检测体系和健康监测平台，开发新型无损、在线的检测技术与健康监测和研发相关设备将是齿轮抗疲劳检测研究的重点。通过检测可确保制造的齿轮抗疲劳性达到要求，通过健康监测可使齿轮的表面与次表面性能的破坏程度得到控制，从而实现齿轮长寿命、高可靠和安全使用的目的。

齿轮抗疲劳制造技术的未来发展趋势可简单总结为高、精、细、深。高是齿轮的表面性能要求高; 精是齿轮的表面最终要采用精加工; 细是齿轮加工工艺要求更细; 深是齿轮的表面改性层要深，可承担较高载荷和具有较长的使用寿命。

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造技术体系，需要体制的完善、市场的作用，更需要我们意识的改变和核心技术的培育，希望大家共同努力，为实现齿轮制造强国梦而努力。

来源：金属热处理