行星減速器

摘   要：減速器是重要的機械零部件，在我國裝備和制造業(yè)中發(fā)揮著重要作用。隨著科技進步，各國研發(fā)的中小功率減速器正向模塊化、批量化、高精度、低成本的方向發(fā)展。我國引入了高水平的機床和齒輪精度均可與國際先進水平相比，但在傳動件材料和控制技術上仍與國際先進水平有一定差距。所以，我國在提升制造工藝、改進工作能力的同時，也需要對減速器齒輪的材料和質(zhì)量進行改進。

關鍵詞：減速器；齒輪；精度；材料

1  減速器技術現(xiàn)狀

減速器是機械零部件中的重要成分，在我國的裝備和制造業(yè)中發(fā)揮著重要作用。其產(chǎn)品在冶金、鋼鐵，電力、煤礦、紡織、環(huán)保等行業(yè)中都取得了廣泛的使用。

在我國，主要有工業(yè)通用減速器和專用減速器。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，減速器行業(yè)已將科研、設計、制作和售后服務等環(huán)節(jié)聯(lián)系在一起，成為完善的制造業(yè)體系。自十一屆三中全會以來，借助于引入先進的加工設備，引入新技術，和實施自主研發(fā)等手段，我國的減速器技術取得了較大的發(fā)展，實施了各種自主設計和改造工作，最終推動我國減速器行業(yè)的快速發(fā)展，提升了產(chǎn)品的技術和設計制造能力。現(xiàn)如今，我國工業(yè)領域又開發(fā)出一些全新的減速器，不但可以體現(xiàn)出模塊化設計的特點，也在總體技術、承載能力、外形質(zhì)量等指標呈現(xiàn)出較大的提升。然而，由于產(chǎn)品的構成單一、質(zhì)量穩(wěn)定性差、產(chǎn)品可靠性差，尤其是一些大型的或是提出了特別要求的產(chǎn)品無法達到市場要求，需要進行改進。齒輪箱

20世紀80年代末至90年代初，隨著滲碳淬火硬齒面齒輪減速器技術的不斷推廣，我國通用齒輪減速器已取得了初步發(fā)展，相繼推出了ZBJ19004－1988、ZBJ19026－1990、YB/T050－1993等減速器系列標準，進而取得了自主知識產(chǎn)權標準，一些可以生產(chǎn)硬齒面減速器的大型企業(yè)應運而生，有效地推動了我國齒輪技術的發(fā)展，減少我國和國外企業(yè)之間的差異，推動我國經(jīng)濟實現(xiàn)快速發(fā)展。

20世紀80年代時，只有少數(shù)國外企業(yè)進入我國市場，雖然他們在技術上領先于我國，但無法對發(fā)展勢頭迅猛的我國硬齒面減速器企業(yè)產(chǎn)生很大威脅。至20世紀90年代，隨著我國對外開放政策的推進，國外眾多知名企業(yè)進軍國內(nèi)市場，他們在技術規(guī)模和裝備上都具有世界領先優(yōu)勢，其通用減速器進行了更新?lián)Q代，不斷推出全新的減速器標準，在承載能力等主要指標上進行了較大提升，且在推進模塊化設計方面進行了大量工作。對比而言，我國提出的標準相對落后，且在價格上不占優(yōu)勢。

20世紀90年代中期，在市場經(jīng)濟快速發(fā)展的形勢下，我國齒輪行業(yè)的科研和產(chǎn)品開發(fā)格局發(fā)生了較大變化，許多企業(yè)都希望學習國外的先進水平，開發(fā)出可與國外企業(yè)競爭的新產(chǎn)品，并在行業(yè)發(fā)展中處于優(yōu)勢地位。齒輪箱

2  減速器及其材料的發(fā)展趨勢

隨著科技進步和技術的快速發(fā)展，各國研發(fā)的中小功率減速器正在向模塊化、批量化、高精度、低成本的方向發(fā)展。另外，現(xiàn)有的減速器根據(jù)市場的需求做出了快速回應，大功率減速器正在朝著高精度、高可靠性、低噪聲、占地小、質(zhì)量輕的方向發(fā)展；而高速重載減速器的未來發(fā)展方向為大功率，高精度和較強的監(jiān)控性。

3  新型減速器齒輪材料的技術要求

通過對傳統(tǒng)材料的分析和對比，我國在金屬材料、建筑材料與有機高分子材料的產(chǎn)量和消費數(shù)量的排名等方面均處于世界的領先位置。在減速器的設計和制造方面，研究方向?qū)呔取⒏咝省⒌统杀景l(fā)展。

當前，我國引入了高水平的機床和齒輪精度均可與國際先進水平相比，但傳動件的材料和控制技術仍無法與國際先進水平相比。所以，在提升制造工藝、改進工作能力的同時，還需對減速齒輪的材料和質(zhì)量進行改進。減速器的使用和運作由齒輪之間的相互嚙合實現(xiàn)力的傳遞，在減速器設計過程中，不僅要分析材料的性能是否與零件當前的工作條件保持一致，還要分析材料的經(jīng)濟性，以保證材料易于制造，以便提高零件的生產(chǎn)效率，減少企業(yè)的經(jīng)營成本和不必要的損耗。如果齒輪材料選取不當，則會使零件出現(xiàn)早期磨損，甚至無法使用。齒輪箱

3.1材料的機械性能和要求

材料的機械性能主要包括硬度、強度等指標，反映材料在使用時所展示的特性。齒輪在嚙合時齒面接觸的時候存在著接觸應力，齒根部存在較大最大彎曲應力，可能會出現(xiàn)齒面失效現(xiàn)象。齒面各點有可能會產(chǎn)生對比滑動，甚至出現(xiàn)磨損。齒輪失效的主要形式為齒面點蝕、齒面膠合、齒面塑性變形和輪齒折斷等。所以，齒輪材料應保持較高的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度，齒面應有足夠的硬度和耐磨性，芯部要有一定的強度和韌性。

3.2材料的加工工藝要求

材料的工藝性能是指材料本身可以更好地適應于加工能力的所有要求。齒輪的制造需要進行鍛打、切削和熱處理等工序，故選材時要對工藝功能加以注意。

伺服行星減速機

3.3材料本身的經(jīng)濟性要求

經(jīng)濟性指的是花費最小的成本，取得最大的收益。在達到功能要求的情況下，也需要考慮如何減少齒輪的制造成本。

4  國內(nèi)外減速器齒輪材料選用情況

4.1國內(nèi)外減速器齒輪材料選用情況

當前，我國的減速器材料的選擇主要借助于JB/T10816－2007、JB/T10817－2007中提出的相關規(guī)定實施。齒輪和齒輪軸均采用鍛打件，材料為20CrMnMo，齒面滲碳淬火，齒面硬化層深度0.15ma～0.25mn；齒輪表面硬度為54～58HRC，芯部硬度為33～38HRC；出輪軸表面硬度為58～62HRC，芯部硬度為38～42HRC。允許使用有同樣力學性能的其他類型材料，但不得使用鑄造齒輪。軸的材料為42CrMo，調(diào)質(zhì)處理，硬度為255～286HBW。允許使用有同樣力學性能的其他類型材料，但不得使用鑄件。齒輪箱

當前，國外的硬齒面齒輪材料中主要選擇了優(yōu)質(zhì)合金鋼17CrNiMo滲碳淬火精加工而形成，齒輪和熱處理的質(zhì)量由ISO6336－1996的相關級別進行控制。而國內(nèi)類似性能最為靠近的材料為20CrNi2Mo，國內(nèi)部分重載齒輪使用的材料為20CrNiMo。

4.2減速器齒輪新材料的選擇

通過相關技術的發(fā)展，新材料的引入，我國的課題研究人員開發(fā)出17CrNiMo6材料，取代以往的材料。通過在市場中進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)17CrNiMo6是一種高強度滲碳齒輪用鋼，在中小型汽車的發(fā)動機和傳動軸上使用或是在傳動系統(tǒng)中的齒輪使用，如風電增速機上大量的使用了這種材料。齒輪箱

5  合金元素及其在合金中的作用

Mo、Ni、Cr等合金元素是齒輪軸材料的基本成本，齒輪軸是碳化物、非碳化物形成元素的組合體。滲碳時，Mo、Cr對表面碳濃度的增加有幫助，且增幅非常明顯，這得益于其本身的化學性質(zhì)。但是，Ni具有相反作用，會逐漸降低碳濃度直至平緩，使?jié)B碳性能更強。不同元素的淬透性有差異。例如，鋼可因Cr的添加而提高其淬透性，但Ni的性能不明顯。如果在鋼中同時添加Cr、Ni，鋼的淬透性將突增，特別是二者比例為1:3時效果更明顯。Mo可對貝氏體產(chǎn)生抑制，為全馬氏體組織的生成提供條件；Mo提高了淬火變形的控制力度，使用尺寸由此增加，這也是在心部淬透性提升的結果；加入Mo后，即使碳含量范圍擴展，滲碳層硬度也不會受到很大影響，可得到更平穩(wěn)的硬化層；滲碳層氧化現(xiàn)象可由Mo的加入被抑制，且對滲碳層在疲勞加載、斷裂應力沖擊方面具有更高的承受力。Mo還有其他優(yōu)勢，如可細化鋼晶粒、控制過熱敏感性、即使環(huán)境溫非常高鋼也會非常穩(wěn)定而難以變形。鋼內(nèi)碳化物同Mo發(fā)生化學反應，形態(tài)也隨之改變。如果碳化物外形是球狀、細小的，則能夠?qū)X輪、軸承質(zhì)量有幫助，延長其使用周期，在耐磨性、抗疲勞方面都有不錯的效果。齒輪箱

根據(jù)相關標準和使用參數(shù)，選擇力學性能差距不大的35CrMo、20CrNi2Mo和17CrNiMo6等材料與通用型減速器使用材料42CrMo和20CrMnMo進行化學成分和機械性能的分析和對比，對比結果如表1和表2所示。

伺服行星減速機

6  材料性能說明

42CrMo和35CrMo都屬于調(diào)質(zhì)鋼，且都具有疲勞極限和較強的抗沖擊能力，是用來制造傳動件的主要材料。與35CrMo對比，42CrMo的抗拉強度和滲透性等指標更好，更容易制造出強度較高且可進行大面積調(diào)制的部件。

20CrMnMo、20CrNi2Mo、17CrNiMo6等材料都屬于高級滲碳鋼，滲碳淬火以后的強度較大，具有較強的耐磨性，可用于制造要求表面硬度高、耐磨性好的部件，可以制造要求較高的硬齒面齒輪。

通過對比上述5種材料的機械性能，42CrMo和35CrMo都是調(diào)質(zhì)鋼，具有較高的強度，塑性和韌性也較強，故更適用于制造軸。通過對比2種材料，42CrMo抗低速接觸強度和疲勞強度更優(yōu)，而材料價格與35CrMo差距不大，故更適用于減速器的輸出軸材料。

而對于新型輕量化減速器齒輪傳動的整個系統(tǒng)來說，20CrMnMo、20CrNi2Mo、17CrNiMo6等高級滲碳鋼的抗接觸強度和疲勞強度指標都較好，故適合用作減速器齒輪材料。通過對機械性能的對比，可以得到17CrNiMo6、20CrNi2Mo比20CrMnMo的抗交變載荷及疲勞強度等指標更好，其中17CrNiMo6的高抗彎強度比20CrNi2Mo至少要高出200MPa，熱處理更加容易推進，降低了加工成本，且2種材料的價格差距不大。所以，17CrNiMo6更適用于制造減速器的齒輪。齒輪箱

7  結論

通過以上對比，5種材料都有自身的優(yōu)勢和不足。從上面得出，42CrMo比35CrMo更適用于制造軸，20CrMnMo、20CrNi2Mo和17CrNiMo6適用于制造硬齒面齒輪和軸的材料，但17CrNiMo6的機械性能和滲透性都好于另兩種齒輪用鋼。

同時，17CrNiMo6良好的熱處理性能和熱處理工藝可有效地保證產(chǎn)品的質(zhì)量，在測算減速器的疲勞強度時，熱處理等級按中等要求MQ級進行選擇，極限應力取σ_{Hlim齒輪箱}＝1500MPa，σ_Flim＝500MPa，與我國減速器企業(yè)的生產(chǎn)需求保持一致。在實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量提升的同時，有效提升了產(chǎn)業(yè)的綜合競爭能力，防止了技術壟斷，推動了我國產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整和技術進步。

參考文獻

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