航空发动机齿轮材料及加工精度分析

航空发动机齿轮材料及加工精度分析

白兆宏董雪莲苏云龙

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司黑龙江省哈尔滨市150066

摘要：航空齿轮是航空发动机的一个关键零部件。发动机以及飞机的起动系统、燃油系统、液压系统、滑油系统、等主要附件都是由发动机转子通过齿轮传动装置来带动的。在整个飞行过程当中，齿轮传动都必须要可靠地进行工作，来保证发动机以及飞机所有的附件的转向、转速和所需功率符合设计的要求。伴随航空发动机性能和可靠性要求的不断提升，齿轮承受的交变载荷和剧烈冲击的载荷在不断进行增加，所受的应力复杂，工况的恶劣性质，这对于齿轮在材料、强度、精度、耐久性和可靠性等各个方面都提出了更加高层次的要求。

引言：现阶段，各类的现役发动机齿轮故障经常都会发生，比如说，内齿圈断裂、齿面剥落、齿轮断齿等等，从而导致了发动机损伤以及飞机坠毁的事故，其中重要原因是因为在加工过程当中精度没能保证，对齿轮的正常工作产生了影响，甚至还对发动机的输出功率产生了影响。所以，本文主要针对齿轮加工过程当中滚齿、剃齿以及研齿三种常用的方法，提出了怎样提高齿轮加工精度的具体策略和方法。

1航空齿轮制造工艺特点分析

根据航空齿轮强度较高、质量较轻、结构十分复杂的情况，它的制造工艺的具体特点是：

（1）材料和毛坯：大都采用低碳和中碳高级合金钢，毛坯通常为模锻件，加工余量十分小，内部组织得到了改善，提高了机械的性能。

（2）热处理工序：选择合理的热处理方法以及时机，来改善切削的加工性能，对内部组织结构进行改善，消除残余的应力，以此提高表面完整性。

（3）齿面通常进行渗碳或氮化，让齿面达到很高的硬度，但是在非渗碳、氮化区，就要保持足够的韧性和强度。

（4）齿轮的精加工大都是采用磨齿。磨齿是齿轮加工中的一道关键工序，要严格控制加工的过程，来保证齿面有较好表面的完整性，不产生磨削烧伤以及较大的残余应力或者微裂纹；对于氮化齿轮，氮化工序要采取更加严密的措施，来控制零件变形在可以接受的范围之内。

（5）对于一些重载的齿轮，除了齿面要进行化学热处理之外，还安排了齿形光来整加工工序或者齿面强化工序，比如：喷丸和振动光饰，手工抛光以及机械抛光等。

（6）为保障齿轮工作的安全可靠以及长寿命，广泛用无损检测，比如：磨齿后的烧伤的检查，荧光探伤、磁力探伤等。

2新型航空齿轮材料的应用现状分析目前，国内外航空齿轮材料主要是采用的电渣或者真空重熔的高温合金钢，我国用于发动机的航空齿轮材料主要有12CrNi3A、38CrMoAlA、12Cr2Ni4A和18Cr2Ni4wA以及20crNi3A等等。其它国家也有相近牌号。这些材料加工成航空齿轮要进行复杂的化学热处理，让心部硬度为HRC3l到HRC41，表面硬度不能低于HRC60，让齿轮表面有着较高硬度，心部呈现一定的韧性，来适应齿轮的工作环境；且严格的规定了表层的含碳量、组织的均匀性、晶粒度以及化学热处理等中国发动机技术在进步，齿轮设计以及加工技术也在不断地改进，几十年以来，齿轮材料都以12Cr2Ni4A钢为主要，它是一种优良渗碳钢，有较高的淬透性，经过渗碳淬火加低温回火后，表面硬度高，心部强度和韧、塑性配合都很好。

伴随航空发动机步入第四代的研制，发动机齿轮要求工作在更加高温、高速、重荷、快速起动的环境之下，齿轮要具有更高强度，更好的高温去抗疲劳、去抗弯曲、抗去胶合能力和很高的综合性能，这对航空齿轮的内在质量提出了更高要求。新型航空材料除了含有传统航空材料的合金元素之外，还含有铌和铈等的稀有元素，合金成分加入之后，材料综合性能显著的提高。新型航空材料应用研究要从毛坯锻件来开始，然后再进行渗碳、回火工艺、淬火试验，再去进行氮化工艺的试验等。通过这一系列技术攻关，己总结出锻造工艺和工艺规范，渗碳淬火、回火工艺以及工艺规范，氮化工艺以及工艺规范，制订了一定标准和编制中相关技术标准等等。新型航空材料经过渗碳、淬火之后，在3回火，硬度可达HRC59上；新材料的耐热性高，能够在高达350℃的环境之下工作；在材料的热加工工艺性能以及淬透性试验等中，当直径为150mm之时，其淬透性曲线接近一水平直线，哪怕在950℃～1000℃温度上进行长时间加热，晶粒都不会长大；齿轮的内部金相组织更为稳定，心部硬度在HRC35～43.5之间。试验结果表明，新材料各项机械性能，尤其屈服强度，优于传统的航空材料。用新型航空材料制造的航空齿轮，在一些重点型号中已经成功应用。

3航空发动机齿轮加工精度的控制

3.1提高齿轮的精度、减小齿面的粗糙度值

提高齿轮精度、减小齿面粗糙度值可采用磨削或是研磨等方法，但是已经加工好的齿轮在无磨削余量的情况之下，就等采用研齿加工方法。比如，采用EP6的Cronex特种研磨材料，对发动机齿轮研磨，研磨时要在低速空载荷下研磨，然后再加速加压（通过控制载荷来控制压力）进行研磨。研磨之后齿面粗糙度值可从原来的2.25um减小0.25um。因为齿轮是在实际的啮合状态之下研磨，不仅粗糙度值会减小，而且提升了齿轮的接触精度。经过了研磨，齿轮的接触长度就会增加，让齿轮啮合过程中接触更平稳，与此同时，振动和噪声也会减小。

3.2剃齿刀的齿顶强度低，切削速度更高

在剃齿过程当中，剃齿刀齿向一直处于大工作负荷的不利状态，所以，剃齿前齿坯的齿形要尽量让剃齿刀刀顶少地参与工作。当用标准渐开线剃刀剃齿之时，要考虑剃齿中产生中凹现象。航空发动机齿轮通常都采用专用的剃前插刀，让剃前余量分布较为合理，在没专用的剃前刀具之时，也可把标准或专用精插刀或滚刀前角适当地加大，让刀具齿形角变小，加工出的齿形顶宽更为细，这样可降低剃齿刀齿顶工作负荷。

3.3齿轮的精度控制

齿轮的精度主要和运动精度、接触精度、平稳性精度有关。滚齿和插齿等工序中的一些误差项目要严格控制，才能制造出高质量的齿轮。比如：滚齿加工时主要以两中心孔以及端面做定位基准，所以分析滚齿的误差来源，去保证和提高加工精度的方法十分重要。在齿轮加工当中，主要是用的控制公法线长度以及齿圈径向跳动来确保运动精度；用控制齿形误差以及基节偏差来确保工作平稳性精度；用控制齿向误差来确保接触精度。

3.4滚齿加工的过程控制

在滚齿加工过程中渐开线齿形主要是靠滚刀和齿坯之间保持一定速比的分齿。由此我们可见，齿形误是滚刀齿形误差来决定的，滚刀刃磨质量不好很容易地出现齿形误差；同时，滚刀在安装当中产生的径向跳动、轴向窜动（即安装误差）也会对齿形误差产生影响，包容的实际齿向线的两条设计齿向线端面距离。

结束语

努力提高国产航空发动机齿轮材料和加工精度，是中国航空工业要解决的一大重大课题。国内在把国外新型航空齿轮的材料国产化时，必须注重改进以及完善合金熔炼技术，来降低合金杂质含量；改进并提高重要的齿轮毛坯锻造技术，让金属流线沿的零件外形（尤其是齿形）和主应力的方向进行分布。

参考文献：

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