從齒輪的失效形式講述了表面完整性制造的重要性和必要性，并論述了國內外齒輪表面完整性制造的現狀與抗疲勞制造未來發展趨勢，指出齒輪的表面完整性制造技術是提升我國齒輪行業競爭力的關鍵途徑和產品升級的核心技術，更是齒輪制造從大到強必須克服的瓶頸。抗疲勞制造技術是在表面完整性制造基礎上為得到更佳的齒輪抗疲勞性能而發展的新技術。發展齒輪的表面完整性制造與抗疲勞造技術需要政、產、學、研、用的密切配合共同克服技術難題和瓶頸問題，以推動我國長壽命高端齒輪產品的研制和應用。

齒輪作為傳動系統的核心關鍵部件，不僅傳動動力和能量，更是世界文明和科學技術的傳承和一個國家科學技術發展水平的體現，從某種意義上講也是一個國家綜合實力的局部展示。我國現在已是齒輪生產大國，但生產的齒輪產品性能還是與國外存在一定的差距，如使用壽命短、承載能力差和質量不穩定等，那么是什么制約了我們對高端齒輪產品的研制呢? 一方面是我們現有的以利益為導向的科研評價體系問題，我們的研究部門很多單位已缺失可以長期潛心專門從事研究的科研團隊，現在不管是高校還是研究所，為了能夠申請到課題，很多項目都是跟蹤國外的熱門話題和炒作新概念，很少是專門針對某一個問題來持續研究幾十年的，而且項目經費也很少有持續支持幾十年去干一件事情的，這就很難保持科研人員隊伍長期進行專心研究; 另一方面是我們的認識還不到位，我們的產品現在多數還停留在滿足圖紙尺寸形狀要求的成形加工制造水平，甚至對于復雜的構件，連按照圖紙加工生產出來都有可能成為問題，這就難以要求我們加工生產的產品還要保證具有較好的服役性能。

齒輪產品的升級換代需要通過技術的革新和體制的完善來轉換產業結構，提升齒輪質量，尤其是要從成形制造轉變為表面完整性制造并逐步提升到抗疲勞制造。

本文從技術角度來闡述國內外齒輪的表面完整性制造技術現狀，并展望了未來的抗疲勞制造發展趨勢，以期對我國齒輪產業的結構調整和產品升級能夠提供一些參考和建議。

1 表面完整性制造的概念和技術體系

常見的齒輪失效形式有齒根的彎曲疲勞、齒面的接觸疲勞、磨蝕和磨損等，而且這些失效多數源自齒面或齒根的表面，因此齒輪表面顯得非常重要，表面完整性決定了其服役性能。表面完整性是指無損傷或得以強化的表面狀態及由其決定的性能。這些性能包括了零部件使用所涉及到的疲勞、腐蝕與摩擦磨損等3 個方面。關于表面完整性的概念與內涵表示在圖1中的實線框內，主要有表面狀態和表面性能兩個組成部分。表面狀態決定或影響了表面性能，表面性能體現或反映了表面狀態，它們之間具有映射關系。為獲得某種特定的齒輪性能，需要賦予強化的表面狀態。以工程中應用最為普遍的一種表面強化技術噴丸為例，噴丸強化對齒輪零件表面完整性狀態改善情況示意于圖2，它包括了表面粗糙度、表面硬度和表面殘余應力等。

圖1 齒輪表面完整性的內涵

圖2 噴丸強化與表面完整性

齒輪的表面完整性制造就是齒輪表面得到無損傷或強化狀態的加工制造技術。表面完整性制造技術和成形制造技術并不矛盾，成形制造是形狀制造，是表面完整性的前一工序，表面完整性制造則是性能制造，是在成形制造的基礎上對表面進行的表面性能的提升與保證。

表面完整性制造技術體系包括了加工技術體系和檢測控制體系兩個方面，前者主要側重所加工材料的特性與工藝參數的優化，后者則是對表面完整性狀態的檢測、監測與反饋控制。往往人們只注重前者，而對后者關注較少，這也是我們為什么產品質量不穩定的主要原因，需要重視和加強相關的研究。

齒輪的服役性能主要包括長壽命和低噪音等指標，因此在設計時需要綜合這兩個方面的需求來選擇適宜的表面完整性制造加工工藝。從提高齒輪的彎曲疲勞壽命和接觸疲勞壽命來講，采用無損傷的機械加工工藝，表面滲碳、滲氮、碳氮共滲等化學熱處理來提高表面層的硬度和強度，噴丸或激光沖擊強化等表面強化工藝來引入殘余壓應力，最后為了減小表面粗糙度形成的應力集中影響，對齒輪齒根和齒面進行精細的拋光或磨削。從降低齒輪嚙合時的噪音而言，對于表面的粗糙度和紋理度要求都很高。必須嚴格控制嚙合面的齒形尺寸和加工精度，并保證完好的裝配和潤滑。這樣，齒輪的表面完整性加工設計要求見圖3。

圖3 齒輪的使用性能與技術要求

2 齒輪表面完整性制造技術的現狀

2.1齒輪的機械加工及表面完整性控制

為了提高齒輪加工的生產效率和確保齒輪的表面完整性，通常將齒輪的機械加工分為粗加工和精加工，常見的齒輪加工方式見圖4。粗加工時的進給量較大，生產效率較高，主要是完成制出成形加工前所需的大致輪廓，其對表面完整性的要求不高，主要是要控制在成形加工最終尺寸要求內的表面層不引入組織缺陷和過大的殘余拉應力，所采用的措施是磨輪高速快磨和高速的冷卻與潤滑; 但在精加工時進給量和磨削速度都很小，就是典型的“磨洋工”才能出細活，而且要確保表層的殘余應力處于很小數值或殘余壓應力狀態。無論是粗加工還是精加工當接觸面較大和冷卻潤滑條件不好時，表面都極易產生燒傷，這對齒輪的承載和使用壽命將產生不利影響，尤其是關鍵的重載齒輪表面不允許存在燒傷缺陷，因此對于機械加工過程中表面完整性的在線檢測與監測顯得非常重要和必要。

圖4 齒輪的機械加工方法

為了確保齒輪的表面完整性，必須控制機械加工工藝參數; 為了保證機械加工過程中沒有燒傷或產生過大的殘余拉應力，還必須在線檢測這些表面完整性的參數和反饋控制機械加工工藝。

齒輪在機械加工過程中易產生表面缺陷。常見的機械加工齒輪表面缺陷有因熱量過大導致的表面脫碳或氧化、表面燒傷或軟點、表面微觀裂紋等形式，見圖5。表面脫碳或氧化、表面燒傷都可能導致組織出現黑色組織，硬度降低或局部出現軟點，表面強度降低和抗彎曲與接觸疲勞性能惡化，嚴重時出現斷齒或齒面掉塊等失效現象。當表面磨削加工工藝參數不當或冷卻潤滑不好時，一方面燒傷不嚴重時表面層可能出現較大的殘余拉應力，另一方面燒傷嚴重時將形成微觀或宏觀裂紋，稱為磨削燒傷裂紋。為了確保齒輪的表面完整性，不僅需要在零部件最終加工成形后檢測其表面完整性，還需要在機械加工過程中進行在線檢測，齒輪的在線監測是非常重要的，對此國外已建立了如圖6 所示的完整的檢測設備體系和方法。

圖5 齒輪加工與表面缺陷

從目前可用的齒輪表面完整性檢測方法來看，可以分為在工業生產中可以檢測并已經成熟應用的檢測技術和需要在實驗室內進行并已經成熟可用的檢測技術兩個層次。

圖6 齒輪表面損傷的檢測方法

工業上常見的檢測表面完整性損傷方法有肉眼觀察、裂紋探視、腐蝕( 齒輪鋼鐵材料常用硝酸乙酸溶液) 、聲發射、功耗、巴克豪森等方法; 實驗室里表面完整性損傷的檢測方法包括X 射線分析、硬度測試和冶金分析檢測等。

為了方便檢測齒輪零件的表面完整性，國外( 如芬蘭) 研制了實用簡便的巴克豪森分析方法，并成功應用在工業生產中，如圖7 所示的手工檢測、自動檢測和機器人在線檢測。依據多次檢測結果，可根據殘余應力的性質和數值大小對加工工藝給予正確及時的評價分析。

圖7 巴克豪森表面檢測

( a) 手動檢查和自動檢測; ( b) 機器人在線檢測

2.2 齒輪的熱處理硬化及表面完整性控制

非主要的承力齒輪常常采用45 鋼調質處理后直接機械加工而使用。最近發展的低碳貝氏體-馬氏體鋼來制作齒輪也無需熱處理硬化。機械工業常常采用20CrMnTi、20CrMnTiH42CrMo、39NiCrMo3、40CrMoA17、SAE4140 和AISI5130 等材料來制造重要的關鍵承力齒輪，而航空航天工業則要采用優質的高強度合金鋼制造，如高純夾雜物精細控制的M50NiL、9310 鋼等材料常常被用來制造承力齒輪。承力齒輪常常需要采用感應淬火、滲碳、滲氮或碳氮共滲以及滲硼或其他元素來增加表面層的硬度，提高表面層的強度，從而來增加表面層的疲勞抗力和減小表面磨損。適宜的硬化層深度和硬度梯度是齒輪熱處理硬化的關鍵。過硬的表面和較大的硬化梯度或較淺的硬化層深度極易形成具有雞蛋殼似的硬層，這將導致齒輪受載后表面層發生早期剝落，應引起足夠的重視，并采用適當的硬化工藝來避免出現此類情況。低于規定的硬度和較小的硬化層硬度梯度或較深的硬化層則易在表面形成磨損或難以達到預期的硬化效果。近年來發展的深層滲碳和深層滲氮技術為形成適宜的硬化層深度和硬度梯度提供了較好的新思路和成熟的工藝方法。

齒輪熱處理硬化的表面完整性控制就是控制表面硬化層的組織結構、硬度梯度和硬化層深度以及殘余應力等。齒輪熱處理硬化控制不當易導致表層出現黑色組織、脫碳、白亮層較深、微觀裂紋等缺陷，也易導致本應形成的殘余壓應力變成殘余拉應力。

2.3齒輪的表面強化及表面完整性控制

齒輪除了表面硬化來提高表面層的硬度和強度外，為了提高齒輪根部的彎曲疲勞性能和延長齒面的接觸疲勞壽命，往往在表面硬化處理后再采用噴丸強化、滾壓強化和激光沖擊強化來引入殘余壓應力以改善表面層內的殘余應力狀態，進一步提高齒輪的服役壽命。

齒輪噴丸強化的歷史已有60 余年，最初是為了解決齒輪根部的斷裂問題，逐漸發展成為提高齒輪的接觸疲勞與彎曲疲勞以及應力腐蝕開裂與磨損等使用性能的關鍵改性工藝。目前國外已經把噴丸強化從常規噴丸轉變為精細噴丸，而且研發了齒根與齒面不同彈丸直徑與不同噴丸強度的先后噴丸強化工藝新技術以及先高強度后低強度噴丸的二次噴丸強化新技術，從而進一步提高了齒輪的服役性能。國內的噴丸強化還是停留在傳統的噴丸強化技術，缺少對精細噴丸的嚴格控制和新噴丸強化技術的研發。齒輪噴丸強化表面完整性的控制關鍵是表面層內殘余應力分布的狀態控制與表面粗糙度的優化，要避免出現“欠噴”和“過噴”這兩種不當的噴丸強化。“欠噴”因噴丸強度較低而達不到預期的強化效果，“過噴”將因強度過高引入表面微裂紋或粗糙度過大而造成“過猶不及”。

齒輪的滾壓強化是借助滾壓在表面引入殘余壓應力。主要是采用圓的輥子或滾珠來碾壓齒輪表面，對于齒根還缺少系統的研究，這可能是由于受根部輥子或滾珠不易運動所限制。國內對此開展的研究很少，需要研發滾壓強化設備和開發相關工藝技術來提高齒輪的服役性能。

激光沖擊強化由于脈沖能量高和傳輸效率好而近年來在工業上得以應用，最初是應用在航空工業的發動機壓氣機葉片上，近年來推廣應用于汽車行業的齒輪上。與噴丸強化相比，其表面殘余壓應力數值更大，可更好地改善齒輪的疲勞性能和延長服役壽命。國外最近的發展趨勢是研發多脈沖激光發射裝置，從而制備出類似手術臺探照燈似的激光器來輻照零件，一方面可以提高激光沖擊強化的生產效率，另一方面可以增加激光沖擊強化的表面覆蓋率。國內對激光沖擊強化的研究目前還處在初級階段，這體現在一方面是基礎研究還不系統和充分，另一方面是還不具備高性能穩定的激光沖擊強化設備相應的研發能力。

2.4齒輪的最終加工及表面完整性控制

齒輪在表面熱處理硬化或強化后常常出現黑色氧化皮或其他一些缺陷，如表面粗糙度過大或表面脫碳等。齒輪的最終加工常常是為了保證表面質量而進行的精細加工，如研磨、珩磨和拋光等。日本、德國最近發展了很多較新的拋光工藝并申請了很多專利技術，國內最近也研發出了脈沖電化學機械拋光技術用于齒輪的拋光以提高表面光潔度。齒輪的最終加工對于齒輪的表面完整性影響很大，應該加以重視和研究，國內對此還不是很關注，因此常常在齒輪表面硬化或強化后交付客戶使用，而沒有進一步通過最終的精細加工來改善表面完整性從而更好地延長齒輪的服役壽命。

總體而言我國齒輪的加工目前大多數還停留在成形制造階段，缺少齒輪的表面完整性制造技術體系，即使常規的噴丸強化這種表面改性技術在實際工程上也因存在問題較多而應用效果不夠理想，更談不上齊全的表面完整性質量檢測技術平臺，這導致了我國制造的齒輪類關鍵基礎傳動構件處于低中端水平，難以制造出高端的齒輪傳動零部件。在這種技術背景下，我國的高端齒輪應用不得不依靠進口，如國內的高鐵齒輪從德國進口、直升機發動機傳動齒輪從意大利進口等，因而嚴重限制了我國國民經濟的發展和國防實力的提升。

3 齒輪抗疲勞制造技術的未來發展趨勢

世界齒輪機械制造業的發展根據齒輪制造技術的特點和要求可分為3 個階段。第一個階段可稱為齒輪的“成形”制造。它是以成本、時間、空間等為技術判據，滿足形位、表面粗糙度等設計圖紙規定要求的制造技術。其主體是切削加工，標志性指標是表面粗糙度Ｒa，目標是精密和高效。60 年來在解決齒輪裝備“有無”理念指導下，中國通過引進、仿制國外技術發展了齒輪機械制造業，建立了良好的齒輪“成形”制造平臺，并成為齒輪制造大國。但是，中國至今仍停滯在傳統的齒輪“成形”制造水平上。由于齒輪“成形”制造沒有與齒輪使用性能直接掛鉤，加之切削加工又是表面應力集中的主要來源，易誘發疲勞強度的應力集中敏感性，以致成為齒輪結構重、壽命短、可靠性差“三大問題”的主要原因。第二個階段可稱為齒輪的“表面完整性”制造。1948 ～ 1970 年，美國齒輪制造業順應機械制造業發展需求，研究發展了齒輪的“表面完整性”制造。這種制造旨在控制齒輪的表面完整性，是一種以疲勞性能為主要判據和提高疲勞強度的制造技術。與“成形”制造不同，它除了滿足形位、表面粗糙度等設計圖紙規定要求外，還要達到關鍵構件的設計性能。其標志性指標是表面粗糙度Ｒa、殘余應力、疲勞性能為主的“標準數據組”，目標是精密、高效和疲勞性能，主體仍是切削加工。其成效主要表現為: ① 1970 年發布標志性成果“機械加工構件表面完整性指南”; ② 1971年美國空軍頒布了“軍用飛機安全壽命設計規范”; ③ 第三代戰機壽命從3000 飛行小時提升到了5000 飛行小時。1970 年至今，美國齒輪制造業創新發展了多種齒輪的表層改性新表面完整制造技術，并于20 世紀90 年代初提出了經濟可承受性概念，使齒輪裝備壽命不斷得以提高并減免維修。

齒輪制造技術發展的第三個階段可稱為齒輪的“抗疲勞”制造。北京航空材料研究院趙振業院士在幾十年的長壽命關鍵構件抗疲勞制造研究基礎上，使飛機起落架達到并超過國外最高規定壽命，提出了“無應力集中”抗疲勞概念，創新理論研究、緊密結合工程應用提出并大力倡導關鍵構件的“抗疲勞”制造。所謂“抗疲勞”制造是控制表面完整性和表面變質層，以疲勞性能為主要判據和提高疲勞強度的制造技術; 表面完整性是控制加工工藝形成的無損傷或強化的表面狀態; 表面變質層是控制加工工藝形成的無損傷或強化的亞表層狀態。與“表面完整性”制造不同，抗疲勞制造不僅要滿足形位、表面粗糙度等設計圖紙規定要求和達到關鍵構件的設計性能外，還要保證關鍵構件長壽命使用。其標志性指標中，除了表面粗糙度Ｒa等“標準數據組”外，還有“表面變質層數據組”，抗疲勞制造的目標和使命轉變為精密、長壽命和經濟可承受性，主體變為抗疲勞切削加工和高能或高能復合表層改性。其成效主要表現為關鍵構件疲勞壽命較“成形”制造提高幾十倍到幾百倍，可靠性提高一個到幾個數量級。抗疲勞制造將把中國關鍵構件和機械制造帶入一個長壽命、高可靠、結構減重和經濟可承受性的新時代，一個綠色、環保、人性化和可持續發展的新時代，一個占據國際先進水平和競爭地位的新時代。

抗疲勞制造的核心是表層改性，尤其是高能或高能復合表層改性。但是，在關鍵構件制造廠中，80%以上的工序是切削加工，而切削加工是關鍵構件疲勞強度應力集中效應的誘發者和“三大問題”的主要原因。在關鍵構件制造廠中，很少甚至沒有表層改性工序，更不要說車間，而表層改性，尤其是高能或高能復合表層改性是關鍵構件疲勞強度應力集中效應的抑制者和解決“三大問題”的關鍵技術。實現抗疲勞制造是一場革命，其內涵不僅涉及制造理念、管理理念、制造技術和從業者，還包括制造車間、工藝和工序設置。其中的核心和主導者就是表層改性，尤其是高能或高能復合表層改性。

建立齒輪的抗疲勞加工工藝參數( 加工參數輸入) 與表面和次表面性能以及齒輪零件服役性能等之間的關系是齒輪抗疲勞制造研究的重點和難點。研究和發展齒輪新型的抗疲勞制造技術，研發齒輪的深層滲碳和滲氮、高能復合表面改性新技術，創新高性能設備和研發新工藝，進一步提高齒輪表層的硬度和殘余壓應力水平并使其具有一定的韌性將是未來齒輪抗疲勞制造工藝和設備研究的主要方向。建立齒輪的抗疲勞制造質量檢測體系和健康監測平臺，開發新型無損、在線的檢測技術與健康監測和研發相關設備將是齒輪抗疲勞檢測研究的重點。通過檢測可確保制造的齒輪抗疲勞性達到要求，通過健康監測可使齒輪的表面與次表面性能的破壞程度得到控制，從而實現齒輪長壽命、高可靠和安全使用的目的。

齒輪抗疲勞制造技術的未來發展趨勢可簡單總結為高、精、細、深。高是齒輪的表面性能要求高; 精是齒輪的表面最終要采用精加工; 細是齒輪加工工藝要求更細; 深是齒輪的表面改性層要深，可承擔較高載荷和具有較長的使用壽命。

4 結束語

齒輪的表面完整性制造與抗疲勞制造將賦予齒輪表面具有新性能與功能，使齒輪零件具有長壽命、抗疲勞、高可靠的服役特性，是實現我國齒輪產業結構升級、產品換代的關鍵核心技術，也是我國齒輪生產行業從中低端產品生產邁向高端產品制造的重要途徑。

實現齒輪從成形制造到表面完整性制造的轉變并發展新的齒輪抗疲勞制造技術體系，需要體制的完善、市場的作用，更需要我們意識的改變和核心技術的培育，希望大家共同努力，為實現齒輪制造強國夢而努力。

來源：金屬熱處理