航空燃油齿轮泵主从动齿轮的修理技术研究

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　　摘  要：齿轮泵具有外形尺寸小、重量轻、自吸性能好、结构简单、工艺性好、工作可靠、耐冲击等优点，因此得到了广泛应用。该文对齿轮泵工作过程中主从动齿轮磨损工况进行分析，对主从动齿轮修理的工艺方法及解决方案进行归纳和总结，形成详尽的修理工艺技术，为同类齿轮泵中主从动齿轮的修理提供技术参考。
　　关键词：主从动齿轮;修理;抛光;激光熔覆
　　中图分类号： TH325           文献标志码：A
　　0 引言
　　齿轮泵具有外形尺寸小、重量轻、自吸性能好、结构简单、工艺性好、工作可靠以及耐冲击等优点，因此得到了广泛的应用。相反的，其最大的缺点是运动副零件易磨损，使用寿命短。
　　主从动齿轮是燃油齿轮泵的核心组成零件，发动机在工作过程中，经传动机匣及传动轴带动主动齿轮旋转[1]。主从动齿轮在啮合过程中，受制造以及安装误差、循环交变应力等因素共同作用，可能导致齿面材料发生疲劳，产生齿面磨损、点蚀、气蚀和剥落等故障，降低了齿轮的使用寿命，导致齿轮断齿、传动失效甚至发动机故障。为了消除故障隐患，在修理中一般应该严格控制齿轮的故障检查标准，大部分齿轮被判定为报废，更换新件，这样就浪费了齿轮的附加值，造成了修理成本增加。因此，对航空发动机燃油齿轮泵齿轮修理技术的研究，是十分重要的。
　　1 主从动齿轮的失效形式
　　从燃油齿轮泵的工作原理分析，主从动齿轮的主要失效形式有齿面磨损、点蚀、气蚀和剥落等，下面对主要的失效形式进行分析，图1为几种失效形式的实物照片。
　　1.1.1 齿面磨损
　　齿面磨损是指相互啮合的齿轮在工作过程中，轮齿表面金属因摩擦不断发生损耗或产生残余塑变，使齿面接触表面发生损伤导致齿轮齿廓和齿面尺寸发生改变的现象[2]。齿轮磨损的主要原因是燃油供应不足或者燃油不清洁，在齿轮的工作面之间夹入金属微粒、金属氧化物或其他磨料等，导致齿廓改变，侧隙加大。
　　1.1.2 齿面点蚀和剥落
　　点蚀是指齿轮啮合过程中，齿轮局部出现接触疲劳，使齿面接触应力超过了轮齿表面材料耐久极限，在轮齿工作表面或亚表层产生疲劳裂纹，随着工作时间延长，轮齿表面金属小块脱落，形成麻点剥落，齿面上的小坑即为点蚀坑。同时，裂纹中的燃油在齿轮的挤压下，油压增高，加速了裂纹的扩展，促进了齿面点蚀。
　　齿面剥落是指齿轮在高速重载作用下，由于材料本身存在缺陷或者热处理造成的过大内应力，使轮齿表层或次表层在接触应力作用下，材料以相当大的颗粒成片从齿面剥离，形成疲劳剥落损伤。
　　1.1.3 齿面气蚀
　　在主从动齿轮啮合过程中，前一对轮齿尚未脱开啮合前，后一对轮齿又进入啮合，在这段时间内，同时啮合的就有2对轮齿。这时在2对轮齿之间形成了和吸压油腔均不相通的闭死容积，而齿轮继续旋转时，闭死容积的大小会发生变化，这种现象称为困油现象。由于液体的可压缩性很小，当困油容积由大变小时，被封闭的液体受挤压，压力急剧升高，远远超过泵的输出压力（被封闭的液体也从一切可泄露的缝隙中强行挤出），使油液发热、引起振动和噪声，降低了泵的工作平稳性和寿命。当困油容积由小变大时，形成真空，产生气泡，带来气蚀、振动和噪声等危害。齿面气蚀就是在困油容积由小变大时产生的，由油液的强力冲击，将齿轮齿面的金属材料冲蚀，造成齿面气蚀凹陷[3]。
　　2 修理关键技术分析
　　2.1 主要技术指标
　　根据燃油泵主从动齿輪的功能、性能特点及工作环境等，将主从动齿轮修理中的技术指标分为2项。1）判断是否可修理指标（简称修理前指标）。2）修理后是否合格的指标（简称修理后指标）。
　　修理前主要指标有4个。1）齿面粗糙度。2）齿面上气蚀深度及面积。3）齿面点蚀及剥落的深度及剥落。4）齿宽及轴径的尺寸及磨损情况。
　　修理后主要指标有3个。1）齿面的粗糙度。2）齿形的精度。3）齿宽及轴径的尺寸。
　　2.2 主要工艺流程
　　主从动齿轮修理的主要工艺流程如图2所示。
　　2.2.1 清洗
　　将主从动齿轮放入航空用清洗剂中，用毛刷刷洗干净。
　　2.2.2 磁力探伤
　　将清洗的齿轮进行磁粉探伤检查，保证修理的齿轮无裂纹。
　　2.2.3 故检
　　根据修理技术指标进行检查，包括外观检查和尺寸检查。其中，针对主从动齿轮齿面气蚀的故障缺陷，我们建立了标准样件，如图3所示， 在故检时进行比对判断是否可修理。
　　2.2.4 抛光齿面及齿槽
　　用抛光轮或抛光膏抛光去除齿面上的轻微划痕、擦伤、压伤、材料凸起及凹痕，用抛光轮及油石打磨去除齿槽的材料冲蚀痕迹。
　　2.2.5 抛修外圆及端面
　　对于齿轮两轴径外圆及端面有轻微擦伤、划道和划痕等缺陷的零件在研磨车头上抛光，去除缺陷，保证粗糙度及尺寸要求，对于抛光无法去除缺陷的情况将零件进行配磨，在精密数控外圆磨床S21CNC上进行磨削加工，保证粗糙度及尺寸要求。
　　2.2.6 配磨
　　配磨主从动齿轮的两端面及外圆轴径，修复缺陷，保证齿宽尺寸及轴径尺寸。1）齿轮两端面均匀去余量。2）齿轮两端面对轴径的跳动不大于0.005 mm。3）齿轮两端面平面度0.005 mm，只允许内凹。4）成套的主动齿轮与从动齿轮的齿宽尺寸差值不大于0.005 mm，注意的是，测量齿宽尺寸时在齿顶圆附近测量，用任何一齿轮的齿宽尺寸最大值减去另一个齿轮齿宽的最小值，保证齿宽差不大于0.005 mm。
　　2.2.7 打磨齿面气蚀区
　　打磨齿面气蚀区包括5点。1）用牙钻以气蚀最深处为中心进行扩大打磨，打磨直径在φ2 mm～φ3 mm，打磨深度为0.4 mm～1.2 mm，打磨后的齿轮如图4所示。2）对于缺陷深度大于2.6 mm的不再进行打磨。3）打磨完成后去除打磨处毛刺，保证打磨处与周边圆滑过渡。4）对气蚀区的打磨必须彻底，为激光熔覆修补做好基础工作。5）打磨过程中防止碰伤齿轮其余表面。 　　2.2.8 激光熔覆修补
　　对主从动齿轮表面的气蚀缺陷激光熔覆修补，这是气蚀缺陷修理的关键工艺技术。
　　2.2.8.1 激光熔覆修补技术的工艺特点
　　激光熔覆修补技术的工艺特点有6个。1）冷却速度快，高达106 K/s，容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相，例如非稳相、非晶态等。2）激光束能量密度较高，作用时间较短，可以将基材热影响区大小及热变形降低到最小程度。3）激光熔覆层组织致密，微观缺陷少，结合强度高。4）激光熔覆层的位置和尺寸可以精确控制。5）激光熔覆低噪省，对环境无污染，无辐射。6）激光熔覆层稀释率低， 一般小于5%，与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合。
　　2.2.8.2 激光熔覆修补检查项目
　　激光熔覆修补填充材料为GH3625，修补完的零件需要进行金相检查，主要检测修复层与基体冶金结合情况，还需要进行洛氏硬度检查，主要沿激光修补区域与基体相接处进行硬度检查。
　　激光熔覆修补后应对齿轮进行着色探伤检查，要求激光修复区外不允许有激光辐照损伤和溅射物粘接，激光修复区不允许有咬边、漏补、夹渣、气孔、疏松以及凹坑等缺陷，激光修复区表面应平整光滑。
　　激光熔覆修补后应进行去应力处理，保证齿轮尺寸的稳定性。
　　2.2.9 激光熔覆区打磨
　　对齿轮齿面激光熔覆修补部位进行打磨抛光，修复区应与齿面其他部位光滑过渡，修复部位沿渐开线型面只允许内凹不大于0.005 mm。
　　2.2.10 磁力探伤
　　主从动齿轮气蚀部位经过激光熔覆修补粗打磨后进行无损探伤，修复部位不允许有线性显示（即不允许有微裂纹存在）。
　　2.2.11 清洗
　　清洗步骤如下。1）浸泡，将主从动齿轮放入电加热槽内，加热至t=50 ℃～60 ℃的煤油中保持30 min。2）超声波清洗，热浸泡后的齿轮在5 min内放入超声波清洗机内进行超声波清洗。
　　2.2.12 修理后检查
　　航空产品对性能的要求极高，主从动齿轮的设计要求更严格，一般是以恢复设计尺寸和几何外形为最终目的，修理标准与制造标准几乎相同，所以在修理后对齿轮需要进行最终检查，按照修理后指标执行。
　　3 修理存在的主要问题
　　3.1 修复成功率低
　　由于主从动齿轮齿面出现的齿面磨损、点蚀、气蚀、剥落和胶合等故障，小批量零件修理手段单一，以手工作业为主。操作者的技能水平是零件修复成功率的主要影响因素，易造成零件的报废和返修。主从动齿轮的修理合格率低，主要受激光熔覆技术的影响，从一组数据中可以明显看出，见表1和表2。针对这一问题，工艺安排过程中要尽量减少手工作业，探索更加规范的修理方法。
　　3.2 评价方法欠缺
　　一般情况下，修理是以恢复设计几何外形和尺寸为最终目的，并利用无损探伤对修复部位进行缺陷检测，但是对修复部位的接触疲劳寿命、残余应力等性能缺乏系统的评价方法。寿命评估是修理后质量控制与评价方法的一个难点，目前是将修理好的齿轮装泵进行一个寿命周期来评价。
　　4 修理的经济性
　　燃油齿轮泵齿轮副设计的精度高，齿轮精度一般达到五级或高于五级;为了达到设计要求，工艺流程复杂，加工周期长。某型燃油泵使用的主动齿轮的加工周期在3个月左右，这对制造的生产组织是个很大的考验。为了满足用户的使用需求，将使用到寿命的泵分解大修，将大修后性能合格的泵进行继续服役。这样，实现了发动机正常维护修理。因此，对燃油齿轮泵主从动齿轮的修理技术进行研究，挖掘齿轮制造成本中的附加值，减少换件修理，降低维修成本，延长齿轮的服役寿命，提高资源利用效率，保障飞行安全，具有显著的经济和社会效益。
　　5 结语
　　主从动齿轮是燃油齿轮泵的重要组成部分，其修理技术是燃油齿轮泵修理的关键，在整个修理流程中，除了无损检测、配磨使用设备外，其余修理过程主要以人工修理为主，再加上修理后指标几乎和制造指标相同，修理技术难度大，对工人的技能水平要求极高。
　　该文主要对主从动齿轮的修理技术进行了研究与总结，为后续修理技术的改进提供技术支持，为进一步实现人工修理与机械修理一体化做好准备。
　　参考文献
　　[1]李召华，韩梅，郎娟芳，等.齿轮失效形式分析[J].機电产品开发与创新，2011，24（2）：97-98.
　　[2]韩振南.齿轮传动系统的故障振动方法的研究[D].山西：太原理工大学，2003.
　　[3]何存兴.液压元件[M].北京：机械工业出版社，1982.
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