一种离子氮化齿轮承载能力的计算判断方法与流程

本发明属于齿轮热处理工艺技术领域，特别涉及一种离子氮化齿轮承载能力的计算判断方法。

背景技术：

目前，渗碳淬火齿轮在渗碳淬火工艺过程中产生的畸变量很大，特别是透平压缩机上的薄壁渗碳淬火齿轮，渗碳淬火后的畸变量很大，经常出现尺寸超差报废的质量问题，渗碳淬火齿轮的畸变，一直困扰着齿轮热处理界，成为世界性的难题。离子氮化齿轮的畸变量很小，可以说采用离子氮化代替渗碳淬火工艺，也就直接避开了渗碳淬火畸变的痼疾，国内外一直在研究用氮化工艺代替渗碳淬火的工艺，做了大量的研究工作，但到目前为止，也没有一个通用计算方法或者判据。

技术实现要素：

本发明的目的在于找到一种透平压缩机上的薄壁渗碳淬火齿轮，应用离子氮化进行表面强化的力学判据的离子氮化齿轮承载能力的计算判断方法。

为实现上述目的，本发明提供一种离子氮化齿轮承载能力的计算判断方法,包括对齿轮的强度进行计算；所述齿轮的强度计算包括应用agma2101-d04标准计算轮齿耐点蚀性能、轮齿的弯曲应力、轮齿弯曲应力许用值、齿轮的许用屈服强度、轮齿接触应力许用值及离子氮化渗层深度；

根据所述离子氮化渗层深度要求，选择离子氮化的硬度梯度曲线；

依据齿轮的设计参数，应用有限元软件进行齿轮的接触应力的模拟分析，得到齿轮的接触应力分布曲线；所述齿轮的设计参数包括模数、齿数、旋转角、压力角、齿顶高系数、齿跟高系数、变位系数及旋向；

进行齿轮表面浅层剥落的力学分析：将所述离子氮化的硬度梯度曲线转化为强度分布曲线；将所述齿轮的接触应力分布曲线与所述强度分布曲线绘制在同一坐标的曲线图中，进行分析比较，判定此强度分布曲线能否满足该齿轮的要求。

本发明的提供的离子氮化齿轮承载能力的计算判断方法是在传统的齿轮承载能力计算的基础上，针对离子氮化齿轮的浅层剥落机理，从力学分析入手，从表层剥落的根本原因上，有针对性地设计出了力学判断依据，从而为离子氮化代替渗碳淬火的可行性提供依据。

附图说明

图1是本发明实施例提供的根据渗氮层深度选择的一离子氮化的硬度梯度曲线示意图；

图2是本发明实施例提供的将接触应力分布曲线同硬度转化的强度分布曲线绘制在同一坐标的曲线图进行比较的示意图；

图3是本发明实施例提供的依据74号齿轮的设计参数，应用有限元软件进行齿轮的接触应力的模拟分析,输出的应力分布曲线示意图；

图4是本发明实施例提供的针对74号齿轮，将接触应力分布曲线同硬度转化的强度分布曲线绘制在同一坐标的曲线图中的示意图。

具体实施方式

本发明实施例所涉及的离子氮化齿轮材料为35crmov，其化学成分符合gbt3077标准，材料的冶炼采用电炉冶炼、电渣重熔精炼。涉及的齿轮为透平离心压缩机上的薄壁渗碳淬火齿轮。

本发明实施例提供的离子氮化齿轮承载能力的计算判断方法是在传统的齿轮承载能力计算的基础上，针对离子氮化齿轮的浅层剥落机理，从力学分析入手，从表层剥落的根本原因上，有针对性地设计出了力学判断依据，从而为离子氮化代替渗碳淬火的可行性提供依据，具体包括：

步骤10、采用agma2101-d04美国标准进行齿轮的强度计算；所述齿轮的强度计算包括轮齿耐点蚀性能计算，轮齿的弯曲应力计算，轮齿的弯曲应力许用值计算、齿轮的许用屈服强度计算、轮齿接触应力许用值计算及离子氮化渗层深度计算；以上计算均按照agma2101-d04美国标准进行计算，属于现有技术，此处不再赘述。其中，对离子氮化渗层深度采用硬度梯度法检验，渗氮层深度要求是截止到硬度hv400为止。

步骤20、进行齿面表层剥落的力学判据(即在离子氮化齿轮的强度计算中，要增加表层剥落的机理的力学分析，即是在齿轮强度设计上，没有考虑浅层表面剥落的机理因素的情况下，提出了一个预防齿轮表层剥落的力学判据)，具体包括：

步骤201、选择满足步骤10中所述渗层深度的离子氮化的硬度梯度曲线，例如，可以从已有生成的离子氮化的硬度梯度曲线示意图选取一个，详见图1。

步骤202、齿轮的有限元力学分析：依据齿轮的设计参数，应用有限元软件进行齿轮的接触应力的模拟分析；应用有限元软件对拟转为离子氮化的透平压缩机薄壁齿轮进行应力的模拟分析：先用ug软件建立齿轮啮合的实体模型，再用有限元软件ansys建立啮合齿轮的有限元模型，并利用ansys软件的非线性接触分析功能，对啮合齿轮的接触应力进行仿真，计算其接触应力，得出该齿轮接触点的剪切应力的分布曲线。

步骤203、表层剥落的力学判据：对齿轮进行表层剥落的力学分析，即将步骤202得到的接触应力分布曲线与硬度转化的强度分布曲线绘制在同一坐标的曲线图中，进行分析比较,若能保证任一横坐标处强度值都高于应力值，且高出30％以上，则合格。图2中接触应力曲线1的齿轮按此力学分析合格，满足要求；图2中接触应力曲线2的齿轮按此力学分析不合格，不能满足要求。

下面结合一具体实施例对本发明所提供的离子氮化齿轮承载能力的计算判断方法进行说明。

以74号齿轮为例，采用本发明离子氮化齿轮承载能力的计算判断方法，包括以下步骤：

步骤a、采用agma2101-d04美国标准计算74号齿轮的渗氮层深度0.45mm；

步骤b、选择满足渗氮层深度0.45mm要求的硬度梯度曲线(见图1)。

步骤c、依据齿轮的设计参数，应用有限元软件进行齿轮的接触应力的模拟分析,输出的应力分布曲线见图3所示；

步骤d、对齿轮进行表层剥落的力学分析判断；将接触应力分布曲线同硬度转化的强度分布曲线绘制在同一坐标的曲线图中，进行分析比较，见图4所示；力学分析强度值完全满足要求。

本发明具有以下有益效果：

1、离子氮化齿轮的承载能力计算，采用本发明的离子氮化表面强化工艺代替渗碳淬火工艺的承载能力的计算和判断方法，可以将现在的透平压缩机上的薄壁渗碳淬火齿轮，转由离子氮化代替，可以解决渗碳淬火的畸变问题。

2、本发明离子氮化表面强化工艺代替渗碳淬火工艺的承载能力的计算和判断方法，不仅适用于透平压缩机上的薄壁渗碳淬火齿轮；也适用于其它类产品的薄壁渗碳淬火齿轮；还适用于其它心部强度满足要求的渗碳淬火齿轮。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：

技术总结
本发明提供离子氮化齿轮承载能力的计算判断方法,包括对齿轮的强度进行计算；选择满足所述离子氮化渗层深度的离子氮化的硬度梯度曲线；依据齿轮的设计参数，应用有限元软件进行齿轮的接触应力的模拟分析，得到齿轮的接触应力分布曲线；进行齿轮表面浅层剥落的力学分析：将所述离子氮化的硬度梯度曲线转化为强度分布曲线；将所述齿轮的接触应力分布曲线与所述强度分布曲线绘制在同一坐标的曲线图中进行分析比较，判定此离子氮化的硬度梯度曲线能否满足该齿轮的要求。该方法是为离子氮化代替渗碳淬火的可行性提供依据。

技术研发人员：张勇;张忠和;侯秀丽;王飞宇;王全振;赵大为;蒋申柱;赵亮
受保护的技术使用者：沈阳透平机械股份有限公司
技术研发日：2017.06.08
技术公布日：2017.11.03