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摘 要：航空齿轮是航空发动机的关键零部件，发动机和飞机的起动、燃油、滑油、液压等系统的主要附件都是由发动机转子通过齿轮传动装置带动的，在整个飞行过程中，齿轮传动都必须可靠地工作。随着航空发动机性能和可靠性要求的不断提高，齿轮承受的交变载荷和剧烈冲击载荷在不断增加，所受应力复杂，工况恶劣，这对齿轮在材料、精度、强度、耐久性和可靠性等方面提出了更高的要求。基于此，本文主要对航空发动机齿轮材料及加工精度进行分析探讨。
关键词：航空发动机；齿轮材料；加工精度；分析研究
1 前言
目前，各类现役发动机齿轮时有故障发生，如内齿圈断裂、齿轮断齿、齿面剥落等，导致了发动机损伤和飞机坠毁事故，因此，需要从发动机的材料、设计及加工方法上分析原因。考虑到齿轮的设计方法多种多样，本文仅针对齿轮的材料及如何提高其加工精度方面进行分析，提出一些建议和方法。
2 新型航空齿轮材料的应用
随着航空发动机步入第四代的研制，发动机齿轮要求工作在更加高温、高速、重荷、快速起动的环境下，齿轮必须具有更高的强度，更好的高温抗疲劳、抗弯曲、抗胶合能力和更高的综合性能，这对航空齿轮的内在质量提出更高的要求。
新型航空材料除含有上述传统航空材料的合金元素外，还含有铌和铈等稀有元素，合金成分加入后，材料综合性能显著提高。新型航空材料应用研究从毛坯锻件开始，然后进行渗碳、淬火、回火工艺试验，再进行氮化工艺试验等。通过一系列技术攻关，已总结出了锻造工艺及工艺规范，渗碳淬火、回火工艺及工艺规范，氮化工艺及工艺规范，制订了金相标准和编制相关技术标准等。新型航空材料经渗碳、淬火后，在350℃回火，硬度可达HRC59以上；新材料的耐热性能高，能够在高达350℃的环境温度下工作；在材料的热加工工艺性能和淬透性试验中，当直径为150mm时，其淬透性曲线接近一水平直线，即使在950℃～1000℃温度上长时间加热，晶粒都不至于长大；齿轮的内部金相组织稳定，心部硬度在HRC35～43.5范围内。试验结果表明，新材料的各项机械性能，特别是屈服强度，大大优于传统的航空材料。采用新型航空材料制造的航空齿轮，己在一些重点型号中成功应用。
3 发动机齿轮材料的工艺性
航空发动机齿轮的制造工序基本上相同，一般都采用棒料经锻造—粗车—调质—半精车—粗磨基准—开齿（包括插齿、刨齿、滚齿、铣齿等）—磨齿—局部渗碳（渗氮或氰化）—高温回火（渗碳后扩散处理）—淬火—精磨基准—磨齿。对于一些精度要求高的螺旋锥齿轮，在工艺路线上要特别注意以下三点：
a.热处理前控制，如加工基准等尺寸；
b.热处理变形控制，主要是对油温和装炉方式进行控制，淬火油温控制在130±5℃范围内，捆绑时保持零件对称、均匀，把零件变形控制在最小；
c.热处理后，对基准尺寸进行修复[5]。例如：12Cr2Ni4A钢齿轮由900℃～950℃渗碳→650℃～670℃回火→780℃～800℃油淬→（-40℃）～（-70℃）冰冷处理→150℃～l70℃回火后，渗碳层硬度HRC≥58。渗碳层碳化物扩散层较浅，约0.15mm。淬透性d≤50mm，心部组织较粗大。16X3HBMФσ钢齿轮由930℃～950℃渗碳→650℃～680℃回火→900±20℃油淬→（-70℃）冰冷处理→250℃～350℃回火后，渗碳层硬度HRC≥6l（渗碳层接触强度极限约为1569MPa）。渗碳层碳化物扩散层较深，约0.30mm～0.45mm，渗碳层硬度由表及里递减平缓，心部组织较细小。这些差异除了热处理技术因素外，主要是合金元素决定的，这说明16X3HBMФσ钢的工艺性好。
上面的分析结果表明，我国的齿轮制造技术水平与俄罗斯还存在一定的差距。例如：同为12Cr2Ni4A（12X2H4A）钢齿轮，俄罗斯齿轮的金属流线沿零件外形分布，齿牙的金属流线也清晰可见，渗碳层组织较理想，碳化物呈颗粒状且分布均匀，渗碳层硬度由表及里递减平缓。而我国齿轮的金属流线虽然也基本上沿零件外形分布，但齿牙的流线大多被切断，渗碳层的针状马氏体组织较多，渗碳层的碳化物多呈角状、片状形态，且较粗大.分布也不均匀，渗碳层硬度由表及里的递减梯度较大，显然，这样的渗碳层组织对齿轮的抗磨损和抗疲劳性能是非常不利的。
4 航空发动机齿轮加工精度分析
齿轮的精度主要和运动精度、平稳性精度、接触精度有关。滚齿、插齿等工序中的一些误差项目必须严格控制，才能制造出高质量齿轮。例如：滚齿加工时主要是以两中心孔和端面做定位基准，因此分析滚齿的误差来源，掌握保证和提高加工精度的方法非常重要。在齿轮加工中，主要是用控制公法线长度和齿圈径向跳动来保证运动精度；用控制齿形误差和基节偏差来保证工作平稳性精度；用控制齿向误差来保证接触精度。
齿圈径向跳动是指在齿轮一周范围内，测头在齿槽内或轮齿上，与齿高中部双面接触，测头相对于轮齿轴线的最大变动量，即轮齿齿圈相对于轴中心线的偏心。这种偏心是由于在安装零件时，零件的两中心孔与工作台的回转中心安装不重合或偏差太大而引起；或者是因为顶尖和顶尖孔制造不良，使得定位面接触不好而造成偏心，所以齿圈径向跳动主要应从以上两个方面解决。
滚齿是用展成法原理加工齿轮，从刀具到齿坯间的分齿传动链要按一定的传动比关系保持运动的精确性。但是，这些传动链是由一系列传动元件组成的，
它们的制造和装配误差在传递运动过程中必然要集中反映到传动链的末端零件上，产生相对运动的不均匀性，从而影响轮齿的加工精度。公法线长度变动是反映齿轮牙齿分布不均匀的最大误差，造成误差的主要原因有：
a.滚齿机工作台蜗轮副回转精度不均匀；
b.滚齿机工作台圆形导轨磨损、分度蜗轮与工作台圆形导轨不同轴；
c.分齿挂轮齿面有严重磕碰伤或挂轮时咬合太松或太紧，从而影响公法线变动超差。在滚齿加工过程中渐开线齿形主要靠滚刀与齿坯之间保持一定速比的分齿来保证。由此可见，齿形误差主要是滚刀齿形误差决定的，滚刀刃磨质量不好很容易出现齿形误差；同时，滚刀在安装中产生的径向跳动、轴向窜动（即安装误差）也会影响齿形误差。常见的齿形误差有不对称、齿形角误差（齿顶变肥或变厚）、产生周期误差等。齿向误差是在分度圆柱面上，全齿宽范围内，包容实际齿向线的两条设计齿向线的端面距离。引起齿向误差的主要原因有：
a.机床、刀架的垂直进给方向与零件轴线有偏移；
b.上尾座顶尖中心与工作台回转中心不一致；
c.滚切斜齿轮时，差动挂轮计算误差大，差动传动链齿轮制造和调整误差太大；
d.夹具和齿坯制造、安装、调整精度低而引起齿向誤差。齿面粗糙度不好一般有几种现象：发纹、啃齿、鱼磷、撕裂等。引起齿面粗糙度差的主要原因有：
a.机床、刀具、工件系统整体刚性不足、间隙大；
b.滚刀和工件相对位置发生变化；
c.滚刀刃磨不当、零件材质不均匀；
d.切削参数选择不合适等。
参考文献
[1]张海，周志兵.航空发动机齿轮材料及加工精度分析研究[J].航天制造技术，2007（1）：38-40.
[2]朱朝阳.典型航空齿轮制造工艺浅析[C].长沙：中国航空学会第12届机械动力传输学术会议，2005.
关键词：航空发动机；齿轮材料；加工精度；分析研究
1 前言
目前，各类现役发动机齿轮时有故障发生，如内齿圈断裂、齿轮断齿、齿面剥落等，导致了发动机损伤和飞机坠毁事故，因此，需要从发动机的材料、设计及加工方法上分析原因。考虑到齿轮的设计方法多种多样，本文仅针对齿轮的材料及如何提高其加工精度方面进行分析，提出一些建议和方法。
2 新型航空齿轮材料的应用
随着航空发动机步入第四代的研制，发动机齿轮要求工作在更加高温、高速、重荷、快速起动的环境下，齿轮必须具有更高的强度，更好的高温抗疲劳、抗弯曲、抗胶合能力和更高的综合性能，这对航空齿轮的内在质量提出更高的要求。
新型航空材料除含有上述传统航空材料的合金元素外，还含有铌和铈等稀有元素，合金成分加入后，材料综合性能显著提高。新型航空材料应用研究从毛坯锻件开始，然后进行渗碳、淬火、回火工艺试验，再进行氮化工艺试验等。通过一系列技术攻关，已总结出了锻造工艺及工艺规范，渗碳淬火、回火工艺及工艺规范，氮化工艺及工艺规范，制订了金相标准和编制相关技术标准等。新型航空材料经渗碳、淬火后，在350℃回火，硬度可达HRC59以上；新材料的耐热性能高，能够在高达350℃的环境温度下工作；在材料的热加工工艺性能和淬透性试验中，当直径为150mm时，其淬透性曲线接近一水平直线，即使在950℃～1000℃温度上长时间加热，晶粒都不至于长大；齿轮的内部金相组织稳定，心部硬度在HRC35～43.5范围内。试验结果表明，新材料的各项机械性能，特别是屈服强度，大大优于传统的航空材料。采用新型航空材料制造的航空齿轮，己在一些重点型号中成功应用。
3 发动机齿轮材料的工艺性
航空发动机齿轮的制造工序基本上相同，一般都采用棒料经锻造—粗车—调质—半精车—粗磨基准—开齿（包括插齿、刨齿、滚齿、铣齿等）—磨齿—局部渗碳（渗氮或氰化）—高温回火（渗碳后扩散处理）—淬火—精磨基准—磨齿。对于一些精度要求高的螺旋锥齿轮，在工艺路线上要特别注意以下三点：
a.热处理前控制，如加工基准等尺寸；
b.热处理变形控制，主要是对油温和装炉方式进行控制，淬火油温控制在130±5℃范围内，捆绑时保持零件对称、均匀，把零件变形控制在最小；
c.热处理后，对基准尺寸进行修复[5]。例如：12Cr2Ni4A钢齿轮由900℃～950℃渗碳→650℃～670℃回火→780℃～800℃油淬→（-40℃）～（-70℃）冰冷处理→150℃～l70℃回火后，渗碳层硬度HRC≥58。渗碳层碳化物扩散层较浅，约0.15mm。淬透性d≤50mm，心部组织较粗大。16X3HBMФσ钢齿轮由930℃～950℃渗碳→650℃～680℃回火→900±20℃油淬→（-70℃）冰冷处理→250℃～350℃回火后，渗碳层硬度HRC≥6l（渗碳层接触强度极限约为1569MPa）。渗碳层碳化物扩散层较深，约0.30mm～0.45mm，渗碳层硬度由表及里递减平缓，心部组织较细小。这些差异除了热处理技术因素外，主要是合金元素决定的，这说明16X3HBMФσ钢的工艺性好。
上面的分析结果表明，我国的齿轮制造技术水平与俄罗斯还存在一定的差距。例如：同为12Cr2Ni4A（12X2H4A）钢齿轮，俄罗斯齿轮的金属流线沿零件外形分布，齿牙的金属流线也清晰可见，渗碳层组织较理想，碳化物呈颗粒状且分布均匀，渗碳层硬度由表及里递减平缓。而我国齿轮的金属流线虽然也基本上沿零件外形分布，但齿牙的流线大多被切断，渗碳层的针状马氏体组织较多，渗碳层的碳化物多呈角状、片状形态，且较粗大.分布也不均匀，渗碳层硬度由表及里的递减梯度较大，显然，这样的渗碳层组织对齿轮的抗磨损和抗疲劳性能是非常不利的。
4 航空发动机齿轮加工精度分析
齿轮的精度主要和运动精度、平稳性精度、接触精度有关。滚齿、插齿等工序中的一些误差项目必须严格控制，才能制造出高质量齿轮。例如：滚齿加工时主要是以两中心孔和端面做定位基准，因此分析滚齿的误差来源，掌握保证和提高加工精度的方法非常重要。在齿轮加工中，主要是用控制公法线长度和齿圈径向跳动来保证运动精度；用控制齿形误差和基节偏差来保证工作平稳性精度；用控制齿向误差来保证接触精度。
齿圈径向跳动是指在齿轮一周范围内，测头在齿槽内或轮齿上，与齿高中部双面接触，测头相对于轮齿轴线的最大变动量，即轮齿齿圈相对于轴中心线的偏心。这种偏心是由于在安装零件时，零件的两中心孔与工作台的回转中心安装不重合或偏差太大而引起；或者是因为顶尖和顶尖孔制造不良，使得定位面接触不好而造成偏心，所以齿圈径向跳动主要应从以上两个方面解决。
滚齿是用展成法原理加工齿轮，从刀具到齿坯间的分齿传动链要按一定的传动比关系保持运动的精确性。但是，这些传动链是由一系列传动元件组成的，
它们的制造和装配误差在传递运动过程中必然要集中反映到传动链的末端零件上，产生相对运动的不均匀性，从而影响轮齿的加工精度。公法线长度变动是反映齿轮牙齿分布不均匀的最大误差，造成误差的主要原因有：
a.滚齿机工作台蜗轮副回转精度不均匀；
b.滚齿机工作台圆形导轨磨损、分度蜗轮与工作台圆形导轨不同轴；
c.分齿挂轮齿面有严重磕碰伤或挂轮时咬合太松或太紧，从而影响公法线变动超差。在滚齿加工过程中渐开线齿形主要靠滚刀与齿坯之间保持一定速比的分齿来保证。由此可见，齿形误差主要是滚刀齿形误差决定的，滚刀刃磨质量不好很容易出现齿形误差；同时，滚刀在安装中产生的径向跳动、轴向窜动（即安装误差）也会影响齿形误差。常见的齿形误差有不对称、齿形角误差（齿顶变肥或变厚）、产生周期误差等。齿向误差是在分度圆柱面上，全齿宽范围内，包容实际齿向线的两条设计齿向线的端面距离。引起齿向误差的主要原因有：
a.机床、刀架的垂直进给方向与零件轴线有偏移；
b.上尾座顶尖中心与工作台回转中心不一致；
c.滚切斜齿轮时，差动挂轮计算误差大，差动传动链齿轮制造和调整误差太大；
d.夹具和齿坯制造、安装、调整精度低而引起齿向誤差。齿面粗糙度不好一般有几种现象：发纹、啃齿、鱼磷、撕裂等。引起齿面粗糙度差的主要原因有：
a.机床、刀具、工件系统整体刚性不足、间隙大；
b.滚刀和工件相对位置发生变化；
c.滚刀刃磨不当、零件材质不均匀；
d.切削参数选择不合适等。
参考文献
[1]张海，周志兵.航空发动机齿轮材料及加工精度分析研究[J].航天制造技术，2007（1）：38-40.
[2]朱朝阳.典型航空齿轮制造工艺浅析[C].长沙：中国航空学会第12届机械动力传输学术会议，2005.