1、高性能齿轮与抗疲劳制造高性能齿轮与抗疲劳制造 赵振业赵振业 汤春峰汤春峰 高玉魁高玉魁北京航空材料研究院北京航空材料研究院20112011年年8 8月月主要内容主要内容一、传动齿轮是关键基础构件与一、传动齿轮是关键基础构件与“瓶颈瓶颈”二、高性能齿轮涉及一个复杂技术体系二、高性能齿轮涉及一个复杂技术体系 三、创新抗疲劳制造，发展长寿命齿轮三、创新抗疲劳制造，发展长寿命齿轮四、实现抗疲劳制造是一场革命四、实现抗疲劳制造是一场革命一、齿轮是关键基础构件与一、齿轮是关键基础构件与“瓶颈瓶颈”1 1 齿轮是一种关键基础构件齿轮是一种关键基础构件传递运动和动力传递运动和动力传承人类文明传承人类文明见证技
2、术进步见证技术进步 关键基础构件关键基础构件 l 决定产品主要功能决定产品主要功能 l 失效导致灾难性后果失效导致灾难性后果l 疲劳是主要失效模式疲劳是主要失效模式2 2 齿轮决定机械装备功能和服役行为齿轮决定机械装备功能和服役行为直直 升升 机机船船 舶舶风电装置风电装置高速列车高速列车机机 床床汽汽 车车 3 3 齿轮制造大国与竞争弱势齿轮制造大国与竞争弱势第二齿轮大国第二齿轮大国第二大经济体第二大经济体与国外差距大与国外差距大关键齿轮依赖进口关键齿轮依赖进口与高端制造差距大与高端制造差距大引进 /仿制落后再引进/仿制再落后中中 低低 端端 制制 造造！？4 4 齿轮是高端制造的齿轮是高端
3、制造的“瓶颈瓶颈”汽汽 车车高速列车高速列车风电装置风电装置直升机直升机大型客机大型客机发动机发动机30000hTBO8000h？1015年年？8001200h？外购？三大问题三大问题寿寿 命命 短短可靠性差可靠性差结结 构构 重重2030年年直升机主减速器直升机主减速器788kg788kg 5 5 齿轮的主要失效模式是疲劳齿轮的主要失效模式是疲劳 弯曲疲劳弯曲疲劳 高应力高应力集中集中 疲劳源疲劳源 加工刀痕加工刀痕 不连续不连续 接触疲劳接触疲劳 赫兹赫兹定理定理6 6 传统传统“成形成形”制造是制造是“三大问题三大问题”的主要原因的主要原因12345Kt10.80.60.40.2固有疲劳
4、强度固有疲劳强度fMM50NILM50NILfN/f渗渗 碳碳硬度硬度60HRCKt f3 505 80疲劳强度应力集中敏感疲劳强度应力集中敏感硬度硬度60HRC划伤应力集中超过抗拉强划伤应力集中超过抗拉强度度潜在危险潜在危险高强度齿轮钢疲劳强度应力集中敏感高强度齿轮钢疲劳强度应力集中敏感 “成形成形”制造不适应高强度齿轮钢制造不适应高强度齿轮钢 “成形成形”制造制造满足设计规定要求满足设计规定要求形位形位精度精度表面粗糙度表面粗糙度 结构重量高结构重量高 K Kt t=3 =3 f f 50 50 低许用应力低许用应力 高安全系数高安全系数 l不适应高强度合金不适应高强度合金 l不适应先进设
5、计不适应先进设计 寿命短寿命短 K Kt t4 4 f f7070 实际构件实际构件 低于设计性能低于设计性能 可靠性差可靠性差附加附加 K Kt t4 47 7 表面应力集中与疲劳裂纹起始趋肤表面应力集中与疲劳裂纹起始趋肤frequentlyrarelyfrequently表面硬度提高，敏感性提高表面硬度提高，敏感性提高材料纯净度材料纯净度制造表面损伤制造表面损伤服役表面损伤服役表面损伤表面完整性不适应表面完整性不适应？二二、高性能齿轮涉及一个复杂技术体系高性能齿轮涉及一个复杂技术体系1 1 高性能齿轮技术体系高性能齿轮技术体系合金设计合金设计高净洁度高净洁度晶粒流线晶粒流线表面完整性表面完
6、整性表层表层硬度硬度硬化硬化深度深度变变形形残余残余应力应力形形状状精精度度装装配配润润滑滑齿轮钢齿轮钢制造加工制造加工热热处处理理设设计计传动齿轮传动齿轮2 2 设计设计-材料材料-制造三位一体技术体系制造三位一体技术体系传动齿轮传动齿轮材料材料设计设计制造制造 模式：模式：基础技术先期发展基础技术先期发展 同等重要，独立发展同等重要，独立发展 高水平发展高水平发展 先发展后集成先发展后集成 三个基础技术体系三个基础技术体系p 设计主体设计主体-制造制造-材料协调技术体系材料协调技术体系p 制造主体制造主体-材料材料-设计协调技术体系设计协调技术体系p 材料主体材料主体-设计设计-制造协调技
7、术体系制造协调技术体系 两个相关技术体系两个相关技术体系p 检测技术体系检测技术体系p 评价与试验技术体系评价与试验技术体系 （1 1）设计技术发展设计技术发展耐高温耐高温 表层表层超高硬度超高硬度心部心部超高强度超高强度经济可承受性经济可承受性 体积小重量轻长寿命长寿命高可靠高可靠静强度安全-寿命损伤容限 （2 2）先进齿轮钢发展先进齿轮钢发展合金合金b MPa0.2 MPaKIC MPam1/2 9310110070099M50NiL1370120055CSS-42L17001200115德国德国Cr-Mn系系日本日本Cr-Mo系系美国美国SAE86系系汽汽 车车风风 电电高高 铁铁船船
8、舶舶中中 国国八八 国国 联联 军军中国中国20CrMnTi?三三 代代心部高强度心部高强度-高承载高承载 先进齿轮钢高纯净度发展先进齿轮钢高纯净度发展超纯净超纯净 超可硬性超可硬性 高纯熔炼高纯熔炼超纯熔炼超纯熔炼普通熔炼普通熔炼超高强度超高强度高韧性高韧性 耐腐蚀耐腐蚀 一代一代AISI 52100二代二代M50NiL三代三代CSS-42LVIM+VARO2%L10寿命寿命10ppm 16ppm 10 夹杂物夹杂物二类二类 铝化物铝化物 Al2O3四类四类 氧化物氧化物 氮化物氮化物 TiN20CrMnTi?鱼眼Al2O3 纯净度与齿轮失效纯净度与齿轮失效 夹 杂 物UktSktBIAOM
9、IANBIAOMIAN 表面起始裂纹表面起始裂纹 亚表面起始裂纹亚表面起始裂纹“鱼鱼 眼眼”疲疲 劳劳 杀杀 手手 两个两个“全过程全过程”研究与齿轮应用研究与齿轮应用应用基础应用基础理论理论应用技术应用技术材料应用研究材料应用研究工程化工程化 生产生产失效反馈失效反馈应用基础应用基础理论理论材料技术材料技术材料研制材料研制工程化工程化 生产生产失效反馈失效反馈齿齿 轮轮 钢钢芯芯部部硬化层硬化层齿齿轮轮赋予材料先天性能赋予材料先天性能赋予材料后天性能赋予材料后天性能 齿轮钢体系齿轮钢体系牌牌 号号 体体 系系 钢号组合钢号组合支撑技术体系支撑技术体系 材料研制体系材料研制体系 应用研究体系应
10、用研究体系 生产技术体系生产技术体系 失效反馈技术体系失效反馈技术体系 检测技术体系检测技术体系 评价技术体系评价技术体系 标准技术体系标准技术体系牌牌号号支撑体系支撑体系中中 国国八八 国国 联联 军军？三、创新抗疲劳制造，发展长寿命齿轮三、创新抗疲劳制造，发展长寿命齿轮1 1 抗疲劳制造是新一代先进技术抗疲劳制造是新一代先进技术 抗疲劳制造抗疲劳制造 是控制表面完整性，以疲是控制表面完整性，以疲 劳性能为主要判据和提高劳性能为主要判据和提高 疲劳强度的制造技术疲劳强度的制造技术 表面完整性表面完整性 是控制加工工艺形成的无是控制加工工艺形成的无 损伤或强化的表面状态损伤或强化的表面状态 A
11、FML与设计图纸一致与设计图纸一致“成形成形”制造制造与设计图纸一致与设计图纸一致与设计性能一致与设计性能一致抗疲劳制造抗疲劳制造 2 2 理理 论论 基基 础础 应应 力力 集集 中中l 形状形状 Ktl 表面表面 SKtl 均匀性均匀性 UKt“无应力集中无应力集中”抗疲劳概念：抗疲劳概念：不同应力集中构件具有无应力 集中时材料的固有疲劳强度从应力集中视角认识疲劳问题从应力集中视角认识疲劳问题从应力集中入手解决疲劳问题从应力集中入手解决疲劳问题Kt=1无应力集中Kt 1”“无应力集中”抗抗疲疲劳劳制制造造构构件件设设计计与与制制造造Kt=1 无应力集中抗疲劳制造构件设计与制造无应力集中”“
12、tK1 3 3 抗疲劳表面变质层抗疲劳表面变质层表面完整性高，构件功能好表面完整性高，构件功能好 表面完整性低，构件功能差表面完整性低，构件功能差 l 抗疲劳制造是抗疲劳制造是跨学科技术跨学科技术 抗疲劳制造 力学 设计 制造 冶金 物理 摩擦 测量 化学化学 l 涉及表面形貌和亚表面特征涉及表面形貌和亚表面特征 吸附吸附 氧化氧化 应变应变 冶金冶金 基体基体 磨磨 削削渗渗 氮氮渗渗 碳碳改改 性性 三个科学规律三个科学规律 形成规律形成规律 演化规律演化规律 控制规律控制规律 4 4 抗疲劳制造关键技术抗疲劳制造关键技术抗疲劳细节设计抗疲劳细节设计 技术体系技术体系低应力集中低应力集中疲
13、劳载荷谱疲劳载荷谱材料技术体系材料技术体系 牌号体系牌号体系高纯材料高纯材料 抗疲劳制造技术体系抗疲劳制造技术体系 (1)(1)表层硬化表层硬化 (2)(2)抗疲劳机械加工抗疲劳机械加工 (3)(3)表层组织再造改性表层组织再造改性 (4)(4)抗疲劳装配抗疲劳装配 (5)(5)长效腐蚀防护长效腐蚀防护 (6)(6)整体制坯整体制坯 (7)(7)精密热处理精密热处理 (8)(8)疲劳寿命评价与试验疲劳寿命评价与试验 (9)(9)检测检测（1）表层硬化是齿轮的核心技术 提高接触疲劳提高接触疲劳渗碳渗碳表面压应力表面压应力或表面拉应力或表面拉应力拉应力拉应力 渗层渗层/基体界面基体界面渗氮渗氮表面
14、压应力表面压应力拉应力拉应力 渗层渗层/基体界面基体界面场场 再提高弯曲疲劳再提高弯曲疲劳弯曲疲劳弯曲疲劳 KtKt=5 80=5 80M50NiL表层压应力场表层压应力场pil 疲劳强度疲劳强度 63 疲劳寿命 100倍拟制疲劳应力集中敏感拟制疲劳应力集中敏感 (2)(2)抗疲劳机械加工抗疲劳机械加工HRC6062HRC6264HRC6872Ra1Ra2Ra3“成形”加工引发疲劳强度应力集中敏感引发疲劳强度应力集中敏感抗疲劳加工回复固有疲劳强度回复固有疲劳强度功效功效高精高精 高效高效 低应力低应力表面应力集中表面应力集中 SKSKt t 表面完整性表面完整性 抗疲劳磨削提高疲劳强度抗疲劳磨
15、削提高疲劳强度SKtSKSKtSKt （3 3）表层组织再造改性表层组织再造改性SKSKt t1 1长寿命长寿命 SKSKt t1 1 f f实际构件实际构件 与设计性能一致与设计性能一致 高可靠高可靠附加附加 残余压应力场残余压应力场组织超细化组织超细化 提高疲劳强度提高疲劳强度喷丸喷丸 挤压挤压 滚压滚压 模拟模拟 仿真仿真 数字化数字化激光冲击激光冲击 超声冲击超声冲击复合化复合化 亚表面起始裂纹断齿断齿疲劳疲劳表面表面 亚表面亚表面长寿命长寿命（4 4）“无应力集中无应力集中”装配装配机械损伤机械损伤颗粒颗粒 纤维纤维尘埃尘埃 撞击撞击 安装损伤安装损伤 存储存储 搬运搬运配合应力配合
16、应力尺寸精度尺寸精度配合精度配合精度动态精度动态精度 腐蚀损伤腐蚀损伤 酸酸 湿湿 汗汗 气气同同 轴轴 度度 系系 统统 刚刚 度度相相 关关 构构 件件 （5）抗疲劳制坯抗疲劳制坯近净形坯近净形坯包络流包络流 线线均匀组织均匀组织细晶粒细晶粒UKt组织遗传组织遗传 （6）精密热处理精密热处理变形控制变形控制氢脆控制氢脆控制晶粒控制晶粒控制表面控制表面控制 残余应力场残余应力场 控制控制（7 7）检测技术体系检测技术体系标准数据组标准数据组最少数据组最少数据组残余应力残余应力应力腐蚀应力腐蚀疲劳疲劳扩展数据组扩展数据组标准数据组标准数据组蠕变蠕变力学性能力学性能设计数据设计数据配合数据配合数
17、据共轭啮合共轭啮合配合应力配合应力相关配合相关配合最少数据组最少数据组l形位形位l形貌形貌l组织组织l硬度硬度动态数据动态数据元件动态元件动态配合动态配合动态组合动态组合动态（8 8）疲劳寿命评价与试验体系疲劳寿命评价与试验体系服服 役役 反反 馈馈 变速器试验变速器试验 疲劳寿命评价体系疲劳寿命评价体系 (1)(1)齿齿 轮轮 (2)(2)元元 件件 (3)(3)工工 艺艺 (4)(4)试试 验验 器器 5 抗疲劳制造技术体系与平台抗疲劳制造技术体系与平台抗疲劳技术体系抗疲劳技术体系试生产技术体系试生产技术体系生产技术体系生产技术体系专业化生产线专业化生产线演演 示示齿轮制造齿轮制造疲劳评价
18、疲劳评价相关构件相关构件失效反馈失效反馈 四、实现抗疲劳制造是一场革命四、实现抗疲劳制造是一场革命 1 1 自主创新抗疲劳制造自主创新抗疲劳制造自主自主创新创新成成 本本 维维 修修 长寿命长寿命 高可靠高可靠 再减重再减重 面临挑战面临挑战自主创新自主创新两极分化两极分化梯度转移梯度转移抗疲劳制造抗疲劳制造国家级机密国家级机密拿不来拿不来合作不来合作不来买不来买不来全球经济全球经济国际环境国际环境转变发展方式转变发展方式引进仿制引进仿制国家核心技术国家核心技术2“2“全过程全过程”研究形成可靠可用技术研究形成可靠可用技术 抗疲劳制造抗疲劳制造 科学认识论科学认识论 真理真理 实践实践认识认识
19、抗疲劳制造抗疲劳制造 真知真知 理论理论技术技术应用应用基础理论基础理论制造技术制造技术失效反馈失效反馈工程化工程化生产生产 全过程全过程 3 3 实现抗疲劳制造是一场革命实现抗疲劳制造是一场革命l 观念转变：观念转变：“有有 无无”经济可承受性经济可承受性 l 技术转变：技术转变：“成形成形”制造制造 抗疲劳制造抗疲劳制造 l 管理转变：管理转变：检检 验验 过程控制过程控制l 素质转变：素质转变：低低 技技 能能 高高 技技 能能 被被 动动 主主 动动 齿轮长寿命、高可靠、减免维修新时代齿轮长寿命、高可靠、减免维修新时代 齿轮业经济可承受性、环保、人性化新时代齿轮业经济可承受性、环保、人
20、性化新时代全全 局局 性性 技技 术术 进进 步步科学科学制造制造技术技术齿轮齿轮装备装备 4 4 创新抗疲劳制造，建设齿轮制造强国创新抗疲劳制造，建设齿轮制造强国制造强国制造强国国际竞争国际竞争制造新理念制造新理念齿齿 轮轮寿命寿命几倍百倍几倍百倍可靠性可靠性1 1几个数量级几个数量级表层硬化表层硬化机械加工机械加工表层改性表层改性抗疲劳制造抗疲劳制造数字化数字化 模拟模拟 仿真仿真 预测预测5 5 抗疲劳制造实现长寿命飞机起落架经历抗疲劳制造实现长寿命飞机起落架经历设计寿命设计寿命 3000Fh3000Fh原起落架原起落架 200Fh200Fh 服役服役 79Fh(79Fh(最短最短)“成形成形”制造制造 2525年年 未合格未合格 长寿命长寿命起落架起落架 3000Fh3000Fh 5000Fh 5000Fh +30+30载荷载荷 60006000Fh Fh 未失效未失效 (F-15(F-15飞机飞机 5000Fh 5000Fh 世界最高水平世界最高水平)服役服役 2020年年 无故障无故障请指正请指正 谢谢！谢谢！
