锥齿轮材料的选择

锥齿轮的材料及其选择原则

　　锥齿轮设计时，应使齿面具有较高的损、抗点蚀、抗胶合及抗塑性变形的能力，而齿根要有较高的抗折断的能力。因此，对轮齿材料性能的基本要求为：齿面要硬、齿芯要韧。

　　（一） 常用锥齿轮的材料

　　1． 合金钢

　　合金钢的韧性好，耐冲击，还可以通过热处理或化学热处理其力学性能及提高齿面硬度，故适应于用来制造齿轮。

　　（1）锻钢

　　除尺寸过大或外形过于复杂的，一般都用锻钢制造齿轮，常用的是含碳量在(0.15～ 0.6)%的碳钢或合金钢。制造锥齿轮的锻钢可分为：

　　软齿面（硬度≤350HBS）：经热处理后切齿的齿轮所用的锻钢　对于强度、速度及精度都要求不高的齿轮，应采用以便于切齿，并使刀具不致迅速磨损变钝。因此，应将齿轮毛坯经过正火（正火）或调质处理后切齿。切制后即为成品。其精度一般为8级，精切时可达7级。这类锥齿轮制造简便、经济、生产效率高。

　　硬齿面（硬度＞350HBS）：需进行精加工的齿轮所用的锻钢　高速、重载及精密机器（如精密机床、航空发动机）所用的锥齿轮，除要求材料性能优良，轮齿具有高强度及齿面具有高硬度（如58～65HRC）外，还应进行磨齿等精加工。需精加工的锥齿轮目前多是先切齿，再做表面硬化处理，后进行磨齿精加工，精度可达5级或4级。这类锥齿轮精度高，价格较贵，所以热处理方法有表面淬火、渗碳、氮化、软氮化及氰化等。所以材料视具体要求及热处理方法而定。

　　合金钢根据所含金属的成分及性能，可分别使材料的韧性、耐冲击、及抗胶合的性能等获得提高，也可通过热处理或化学热处理材料的力学性能及提高齿面的硬度。所以对于既是高速、重载又要求尺寸小、质量小的航空锥齿轮，就都用性能优良的合金钢（如20CrMnTi，20Cr2Ni4A等）来制造。

　　（2）铸钢

　　铸钢的性及强度均较好，但应经退火及正火处理，时也可进行调质。铸钢常用于尺寸较大的锥齿轮。

　　2．铸铁

　　灰铸铁性质较脆，抗冲击及性都较差，但抗胶合及抗点蚀的能力较好。灰铸铁锥齿轮常用于工作平稳、速度较低、功率不大的场合。

　　3．非金属材料

　　对高速轻载及精度不高的锥齿轮传动，为了降低噪声，常用非金属材料（如夹布胶木、尼龙等）做小轮，大轮仍用钢或铸铁制造。为使大齿轮具有足够的抗磨损及抗点蚀的能力，齿面的硬度应为250～350HBS。

　　常用的锥齿轮材料及其力学性能列于表<常用齿轮材料及其力学特性>。

　　（二）锥齿轮材料的选择原则

　　锥齿轮材料的种类很多，在选择时应考虑的因素也很多，下述几点可供选择材料时参考：

　　（1） 锥齿轮材料满足工作条件的要求。例如，用于飞行器上的锥齿轮，要满足质量小、传递功率大和可靠性高的要求，因此选择机械性能高的合金钢；矿山机械中的锥齿轮传动，一般功率很大、工作速度较低、周围环境中粉尘含量ji高，因此往往选择铸钢或铸铁等材料；家用及办公用机械的功率很小，但要求传动平稳、低噪声或无噪声、以及能在少润滑状态下正常工作，因此常选用工程塑料作为锥齿轮材料。总之，工作条件的要求是选择齿轮材料时应考虑的因素。

　　（2）应考虑锥齿轮尺寸的大小、毛坯成型方法及热处理和制造工艺。大尺寸的齿轮一般采用铸造毛坯，可选用铸钢或铸铁作为锥齿轮材料。中等或中等以下尺寸要求较高的齿轮常选用锻造毛坯。可选择锻钢制作。尺寸较小而又要求不高时，可选用圆钢作毛坯。锥齿轮表面硬化的方法有：渗碳、氮化和表面淬火。采用渗碳工艺时，应选用低碳钢或低碳合金钢作齿轮材料；氮化钢和调质钢能采用氮化工艺；采用表面淬火时，对材料没有特别的要求。

　　（3）正火碳钢，不论毛坯的制作方法如何，只能用于制作在载荷平稳和轻度冲击下工作的齿轮，不能承受大的冲击载荷；调质碳钢可用于制作在中等冲击载荷下工作的锥齿轮。

　　（4）合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的锥齿轮。

　　（5）飞行器中的锥齿轮传动，要求齿轮尺寸尽可能小，应采用表面硬化处理的高强度合金钢。

　　（6）金属制的软齿面锥齿轮，配对两轮齿面的硬度差应保持为30～50HBS或更多。当小轮与大轮的齿面具有较大的硬度差（如小轮齿面为淬火并磨制，大轮齿面为正火或调质），且速度又较高时，较硬的小轮齿面对较软的大轮齿面会起较显著的冷作硬化效应，从而提高了大齿轮齿面的疲劳。因此，当配对的两个锥齿轮齿面具有较大的硬度差时，大轮的接触疲劳许用应力可提高约20％，但应注意硬度高的齿面，粗糙度值也要相应地减小。

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