【热处理】通过仿真技术进行齿轮失效分析
确定失效分析的仿真过程
一 ,分析来样:
来样材质: 8620H
齿轮参数: 2M 直齿圆柱齿轮 无变位。
齿轮工艺: 下料-锻造-粗加工-热处理-磨加工-抛丸
供货材料直径: 80mm
寿命设计: 主动轮17亿次,从动轮3500万次
齿轮失效状态: 装配后使用15h断裂,裂纹源在齿根表面。
齿轮失效来样照片: 下图
二 ,材料分析:
化学成分分析表:
化学成份 |
C |
Si |
Mn |
S |
P |
Cr |
Ni |
Mo |
成份要求 |
0.18-0.23 |
0.15-0.35 |
0.7-0.9 |
≤0.035 |
≤0.04 |
0.4-0.6 |
0.4-0.7 |
0.15-0.25 |
成份结果 |
0.20 |
0.30 |
0.85 |
0.009 |
0.012 |
0.55 |
0.65 |
0.21 |
材料符合标准ASTM A29/A29M-04
对材料晶粒度,带状组织进行检测:
检测项目 |
级别 |
结果 |
晶粒度 |
8 |
合格 |
带状组织 |
1 |
合格 |
带状组织符合标准GB/T 34474.1-2017,晶粒度符合标准GB/T 6394-2002
三 ,齿轮动力学分析
1, 将齿轮组代入workbench,设置接触条件,对齿轮全齿接触应力进行分析,求解结果如下图:
注:求解结果仅供参考(客户保密)
分析可以得到:齿轮节圆,齿根处接触应力符合设计要求,无应力过大情况。
2, 将齿轮组代入adams,设置接触条件,对齿轮进行运行干涉,动态载荷分析,求解结果如下图:
注:求解结果仅供参考(客户保密)
分析可以得到: 齿轮运动无干涉,动态载荷符合设计要求。
四, Dante热处理工艺仿真分析
齿轮热处理工艺过程及曲线示意图
热处理曲线示意图
热处理仿真参数设置:
1, 齿轮网格划分:
2, 将工艺数据代入dante。
3, 求解分析数据
热处理组织分析数据
渗碳结果
残余奥氏体含量分布
铁素体含量分布
回火马氏体分布
分析可以得到:
齿轮正常的的热处理组织分布
奥氏体心部铁素体分布最大3%左右
残余奥氏体分布最大9%左右
回火马氏体分布最大96%左右
应力变形分析数据:
X向应力结果
X向变形位移
Y向应力结果
Y向变形位移
Z向应力结果
Z向变形结果
1, 对热处理应力进行全过程分析,在淬火各个阶段内拉应力均小于材料瞬时抗拉强度。
2, 热处理最终变形符合技术要求。
五, 表面组织分析:
对断裂齿轮表面裂纹源组织进行金相分析,金相结果如下:
检测项目 |
要求 |
结果(最大) |
合格/不合格 |
非马组织 |
≤0.02mm |
0.01732mm |
合格 |
晶间氧化 |
≤0.02mm |
0.0163mm |
合格 |
六 ,齿轮表面检查:
对同批次齿轮进行外观检查,发现齿根处有粗大加工痕迹。根据齿轮断裂状态也可以大体判断裂纹源在齿根处。
分析结论:
1, 对齿轮进行宏观分析,开裂源在齿根表面,对表面开裂的问题点展开分析。
2, 使用dante热处理仿真可以分析齿轮热处理工艺,能够得到组织分布,确定工艺无明显异常。
3, 通过对齿轮全齿轮接触面分析,动态载荷分析,结果符合齿轮设计要求,排除因齿轮齿根接触应力过大,或设计载荷分布问题导致的齿轮断裂
4, 对材料进行分析,排除因材料问题导致的断裂失效情况。
5, 对齿轮表面进行金相组织分析,非马及晶间氧化符合要求,排除因表面组织不良造成的表面开裂。
6, 经表面检查,齿根处有粗大加工刀痕,不但出现了失效裂纹源,还严重降低了齿根疲劳强度。此次断裂失效为粗大加工刀痕导致的齿轮提前开裂失效。