任志強，陳 忠，張宗林

(駐黎陽機械公司軍事代表室，貴州 安順 561102)

0 引言

航空發(fā)動機齒輪是關鍵零部件，其加工精度是航空發(fā)動機可靠性、高性能的重要保證，直接影響著航空發(fā)動機的整體質(zhì)量［1-2］。發(fā)動機和飛機的起動系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等主要附件都是由發(fā)動機轉(zhuǎn)子通過齒輪傳動裝置帶動的。在整個飛行過程中，齒輪傳動都必須可靠地工作，以保證發(fā)動機和飛機所有附件的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和所需功率符合設計要求［3］。

發(fā)動機離合器齒輪是發(fā)動機上重要的傳動部件，在工作過程中主要承受離心力和彎曲應力的作用，且始終處于磨損擠壓狀態(tài)。該離合器齒輪材料為38CrMoAlA，在國內(nèi)外的航空發(fā)動機上得到了廣泛的應用。由于齒輪表面硬度要求高，滲氮是提高該材料表面性能的有效辦法［4］。該材料具有較好的滲氮性能和力學性能，經(jīng)滲氮處理后的零件，表面具有較高的硬度和較好的耐磨性，因此特別適合用于發(fā)動機上各類軸類零件及齒輪零件加工［5-6］。

2012年10月，發(fā)動機材質(zhì)為38CrMoAlA 的離合器齒輪在工廠試車后，磁粉檢測發(fā)現(xiàn)靠近齒輪端面的桿部有3 條磁痕顯示，該齒輪的制造工藝為:毛料→車外圓及端面槽→磨外圓→插花鍵→滲氮→高溫回火→磨外圓及端面→磨內(nèi)孔→拉內(nèi)孔花鍵→磁力探傷→發(fā)藍→終檢→油封入庫。本研究主要對齒輪端面上線型磁痕缺陷的性質(zhì)及產(chǎn)生原因進行分析，并提出相應的改進措施，對以后齒輪故障問題的處理和解決具有借鑒和指導作用。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 外觀檢查

故障離合器齒輪的外觀形貌見圖1。齒輪在裝配時，通過內(nèi)表面花鍵與啟動電機相配合，在發(fā)動機啟動時帶動整個齒輪組件的轉(zhuǎn)動，當發(fā)動機啟動后又通過該齒輪為啟動電機充電。

圖1 零件外觀及磁痕缺陷分布位置Fig.1 Defective parts appearance and the magnetic mark position

經(jīng)磁粉檢測后，在熒光燈下觀察，磁痕顯示位置位于靠近齒輪端面的桿部(圖1 箭頭所示)。3條磁痕顯示明顯，形貌均呈細線狀，其長度方向與桿部的磨削方向垂直;除了在桿部外表面有顯示外，這3 條磁痕在桿部端面的深度方向也有線狀顯示。磁痕的長度分別為:磁痕A 約為1.3 mm，磁痕B 約為1.1 mm，磁痕C 約為0.8 mm;磁痕A形貌如圖2 所示。

在體視顯微鏡下觀察，磁痕A 顯示位置可見開口明顯的線性缺陷，磁痕B 和C 位置開口特征不明顯。在該齒輪桿部可見明顯的磨損痕跡，局部位置已經(jīng)露出金屬色，在齒輪內(nèi)部的花鍵齒端面也可以觀察到明顯的掉塊現(xiàn)象，齒面也有損傷痕跡(圖3)。

1.2 電鏡觀察

擦掉磁痕后，在掃描電鏡下觀察，原磁痕A位置存在一條開口明顯的裂紋顯示(裂紋A')，裂紋頭部開口較大，尾端尖細，其整體形貌見圖4。原磁痕B 位置被標記痕跡所掩蓋，只有在頭部還保留有開口特征;原磁痕C 位置開口特征不明顯。

圖2 磁痕A 形貌及桿部磨損痕跡Fig.2 Magnetic marks a morphology and rod wear

圖3 齒輪內(nèi)花鍵端面的損傷痕跡Fig.3 End of the internal spline gear damage

圖4 裂紋A'整體形貌Fig.4 Appearance of crack A'

1.3 斷口觀察

沿裂紋A'打開斷口，并結(jié)合人為斷口部分進行對比觀察。原始斷口處于滲層部位，源區(qū)為線源;人為斷口由滲層表面起裂，其源區(qū)也具有線源特征;斷口整體形貌及原始、人為斷口的分布位置如圖5 所示。

圖5 斷口整體形貌及分布情況Fig.5 Fracture morphology and distribution

對原始斷口進行放大觀察，源區(qū)附近形貌以準解理+沿晶特征為主，擴展區(qū)形貌為準解理特征，并伴有沿晶形貌(圖6)。人為斷口的源區(qū)及滲層擴展區(qū)形貌均為準解理特征，局部區(qū)域可見少量的沿晶特征，其典型形貌見圖7;人為斷口的非滲層擴展區(qū)為最后斷裂位置，該區(qū)的微觀形貌為韌窩。另外，在整個斷口上未發(fā)現(xiàn)材質(zhì)類缺陷。

圖6 原始斷口微觀組織形貌Fig.6 Micro appearane of original fracture

圖7 原始斷口微觀組織形貌Fig.7 Microstructure morphology of artificial fracture

1.4 金相檢查

在磁痕B 和磁痕C 位置取樣后沿深度方向進行金相檢查。腐蝕前觀察，未見夾雜物超標現(xiàn)象。腐蝕后觀察，2 條磁痕位置存在裂紋(分別為裂紋B'和裂紋C')，2 條裂紋的擴展深度均在滲層范圍內(nèi)，其中裂紋B'深度約為0.37 mm，裂紋C'深度約為0.31 mm(圖8)。2 條缺陷開始呈穿晶擴展特征，當擴展到一定深度后，其尾端呈現(xiàn)出沿晶擴展的特征。零件的中心組織為回火索氏體(圖9)。

1.5 化學成分分析

在齒輪輻板位置去除滲層后取樣進行化學成分分析，結(jié)果見表1。從表1 可以看出，該齒輪的化學成分符合GJB 1951—1994《航空用優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼棒規(guī)范》中對38CrMoAlA 鋼的技術(shù)要求。

1.6 故障再現(xiàn)

此次故障出現(xiàn)后，對庫存同批次同型號齒輪進行磁粉檢測，未發(fā)現(xiàn)有磁痕缺陷顯示。裝機試車后，再進行磁力探傷檢查，發(fā)現(xiàn)有同類型的缺陷顯示，缺陷的位置及形貌均同此次故障相同(圖10)。

圖8 裂紋B'和C'深度方向整體形貌Fig.8 Appearance of crack B' and C' along the depth direction

表1 化學成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1 Result of chemical composition analysis (mass fraction/%)

圖9 中心位置回火索氏體組織Fig.9 Microstructure of tempering sorbite

圖10 故障模擬齒輪裂紋形貌Fig.10 Crack morphology of fault simulation gear

2 分析與討論

2.1 缺陷的性質(zhì)及產(chǎn)生原因

電鏡觀察的結(jié)果表明，斷口上未見材質(zhì)類缺陷，金相檢查也未發(fā)現(xiàn)夾雜物超標現(xiàn)象;化學成分分析表明，該零件的成分符38CrMoAlA 的技術(shù)要求。以上說明零件的材質(zhì)正常。從3 處缺陷的宏、微觀形貌可以確定，該零件磁痕顯示的缺陷性質(zhì)為裂紋。故障再現(xiàn)表明:齒輪在試車前未發(fā)現(xiàn)異常，在試車后有磁痕缺陷顯示，這說明裂紋是在工作過程中產(chǎn)生的。裂紋原始斷口未見疲勞斷裂特征，其形貌與人為斷口的滲層區(qū)形貌相近，由此可以確定裂紋的產(chǎn)生是一次性的。

齒輪在工作過程中受力最大的部位是齒根，而在裂紋萌生的位置受力較小，通過計算可知該處的受力遠低于38CrMoAlA 的抗拉強度，工作應力不是造成該齒輪開裂的主要原因，工作應力只是起到了誘發(fā)的作用。裂紋萌生的主要應力來自于齒輪的加工制造過程。該齒輪的制造工藝包括一次拋光、一次磨外圓和端面及2 次磨內(nèi)孔，拋磨過程均會給齒輪內(nèi)部帶來較大的殘余應力，如果后續(xù)沒有相應的去應力處理工藝，這些殘余應力會帶到工廠試車過程中。通過復查該齒輪的制造工藝，發(fā)現(xiàn)所有這些磨拋工藝之后均沒有進行過低溫退火去應力處理。綜合以上分析，導致齒輪開裂的主要原因與加工過程中存在較大的殘余應力有關。

2.2 危害性分析

離合器齒輪是發(fā)動機傳動系統(tǒng)中重要的傳動部件，此次故障齒輪的裂紋產(chǎn)生位置均位于靠近端面的桿部，盡管深度較淺，但是隨著發(fā)動機工作時間的延長，裂紋在工作應力下如果發(fā)生擴展直至斷裂，將會導致發(fā)動機外部附件系統(tǒng)的失效，如滑油系統(tǒng)、油路系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等的失效，從而導致發(fā)動機停止工作，造成等級事故的發(fā)生。

3 改進措施

齒輪裂紋萌生的主要原因與制造過程中存在較大的殘余應力有關，因此可以從兩方面進行改進:

1)改進加工工藝以減小在制造過程中產(chǎn)生的殘余應力。如減小每次磨拋的進刀量，優(yōu)化冷卻液的冷卻效果。

2)增加低溫去應力退火工藝降低殘余應力。

采取以上改進措施后，后續(xù)加工的零件未出現(xiàn)此類故障。此外，發(fā)動機在工作過程中的震動對于消除殘余應力較小的齒輪也有一定的作用［7-9］。

4 結(jié)論

1)齒輪上3 條磁痕缺陷的性質(zhì)均為發(fā)動機工作過程中產(chǎn)生的一次性裂紋。

2)零件在制造過程中存在較大的殘余應力，在工作應力的誘發(fā)下導致了裂紋在滲氮層表面的開裂。

［1］張海，周志兵.提高航空發(fā)動機齒輪加工精度方法的研究［J］.機械制造，2012，50(5):11-12.

［2］白明遠，劉高遠，王大為.發(fā)動機傳動軸齒輪斷裂失效分析［J］.失效分析與預防，2007，2(3):37-41.

［3］張海，周志兵.航空發(fā)動機齒輪材料及加工精度分析研究［J］.航天制造技術(shù)，2007 (1):38-40.

［4］余釗輝，張建國，王泓，等.38CrMoAlA 鋼表面氮化多沖疲勞性能研究［J］.熱加工工藝，2010，39(14):155-157.

［5］陶春虎，鐘培道，王仁智，等.航空發(fā)動機轉(zhuǎn)動部件的失效與預防［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2000:264.

［6］《航空材料手冊》編輯委員會.航空材料手冊(第1 卷):結(jié)構(gòu)鋼 不銹鋼［M］.北京:中國標準出版社，1988:106.

［7］張勇，路增林.振動時效技術(shù)機理［J］.機械工業(yè)標準化與質(zhì)量，2001 (12):33-35.

［8］饒德林，朱政強，葛景國，等.振動時效消除拼焊不銹鋼板的殘余應力［J］.振動與沖擊，2005，24(2):140-142.

［9］尹何遲，陳立功，張光業(yè)，等.振動焊接工藝效果研究［J］.振動與沖擊，2006，25(4):132-134.