铝合金高速齿轮箱开发及其旋转弯曲疲劳性能研究

摘要

随着国内高速铁路的快速发展，对高速机车零部件的综合性能要求越来越高，因此研究开发低成本、高寿命、高性能、轻量化的高速传动齿轮箱铸件成为当前迫切需要解决的难题。由于结构复杂、薄厚差大，齿轮箱毛坯通常都采用铸造工艺方法进行生产。其材质从最初的铸铁、铸钢到后来越来越多地采用更加轻质的铸铝合金，人们不断尝试寻找更加合适可靠的材料来替代传统材料。
　　铝硅合金具有非常好的铸造性能和使用性能，目前已经被国外厂商广泛应用于高速齿轮箱铸件。齿轮箱的铸造工艺由传统的金属型重力铸造铸件转变为低压铸造，采用后者铸造工艺可以使零件获得更高的精度、更致密的组织和更好的性能。随着材料、工艺的不断发展，对于齿轮箱材料性能的研究，也从最初的常规力学性能，发展到开始研究与实际工况密切相关的旋转弯曲疲劳性能。为适应苏州明志科技有限公司铸铝齿轮箱开发项目，本文对高速齿轮箱所用EN-AC42100合金熔炼过程中的变质方法进行试验、优化，并对高速齿轮箱铸造工艺和凝固组织进行模拟验证，最后对铝合金齿轮箱材料在旋转弯曲疲劳状态下的疲劳断裂进行研究。主要得到以下试验结果:
　　通过Al-10Sr单一变质剂与Al-10Sr/Al-5Ti-B复合细化变质剂处理后合金材料综合力学性能的对比发现，复合变质的效果较铝锶单一变质效果更好。当复合变质剂中Al-10Sr和Al-5Ti-B添加量分别为0.35％与0.2％时，齿轮箱材料的抗拉强度、屈服强度和硬度得到了优化，材料的延伸率也没有出现明显的下降。
　　通过高速齿轮箱铸造工艺及组织的计算机模拟和实际生产验证，确定对于高速齿轮箱的生产工艺可以采用精密组芯造型-低压浇注工艺。从生产结果来看，铸件关键部位的缺陷会显著降低。试验证明在进行齿轮箱铸造优化时，可以将有限元仿真模拟的结果作为实际工艺更改的参考依据。
　　通过旋转弯曲疲劳验证性试验和成组试验可以确定齿轮箱铸造材料的旋转弯曲疲劳极限约为70MPa。对于需要承受循环疲劳应力的高速齿轮箱来说，铸件表面或者内部存在显微气缩孔时会导致应力在这些缺陷处集中，当应力大小超过材料本身的疲劳强度极限时就会在缺陷处产生疲劳裂纹。齿轮箱铸铝材料的疲劳断口主要包含裂纹源、裂纹扩展区域和瞬断区域，在疲劳裂纹稳定扩展阶段会形成疲劳弧线，疲劳弧线的形貌与断裂面存在的疲劳裂纹源数量有关。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及工程意义

1．2 齿轮箱铸件的研究现状

1．2．1 齿轮箱体用材料发展

1．2．2 铝合金高速齿轮箱生产工艺现状

1．3 旋转弯曲疲劳性能的研究现状

1．3．1 旋转弯曲疲劳性能的研究方法

1．3．2 影响材料旋转弯曲疲劳性能的因素

1．4 本文研究的主要工作

第二章 试验内容方法及步骤

2．1 试验思路

2．2 试验原料及设备

2．2．1 试验原料

2．2．2 试验设备

2．3 试验方法及过程

2．3．1 齿轮箱用铝合金熔炼变质处理研究

2．3．2 齿轮箱试铸造工艺和组织模拟对比

2．3．3 齿轮箱铸件材料旋转弯曲疲劳性能研究

2．4 熔炼／铸造过程中操作要点

2．5 检测分析方法

2．5．1 常规力学性能测试

2．5．2 光镜显微观察分析

2．5．3 扫描电镜显微观察分析

第三章 高速齿轮箱铝合金材料变质方法研究

3．1 引言

3．2 铝锶单独变质齿轮箱材料常规性能检测及组织分析

3．3 Al-10Sr／Al-5Ti-B变质齿轮箱材料常规性能及组织分析

3．4 锶变质、铝钛硼变质剂对于材料细化变质作用机理

3．5 本章小结

第四章 高速齿轮箱铸造工艺及组织模拟优化

4．1 引言

4．2 高速齿轮箱铸造工艺的计算机模拟及优化

4．2．1 单零件冷却凝固模拟

4．2．2 确定铸件凝固方式并进行工艺模拟验证及优化

4．3 高速齿轮箱铸造组织的计算机模拟

4．4 高速齿轮箱实际生产的初步验证

4．4．1 组芯造型低压浇注工艺验证

4．4．2 组芯造型生产齿轮箱组织观察验证

4．5 本章小结

第五章 高速齿轮箱用铝合金旋转弯曲疲劳性能研究

5．1 引言

5．2 齿轮箱用材料检验性旋转弯曲疲劳测试及S-N曲线

5．2．1 旋转弯曲疲劳验证性试验

5．2．2 齿轮箱用材料旋转弯曲疲劳S-N曲线

5．3 齿轮箱用材料旋转弯曲疲劳断口观察及分析

5．3．1 齿轮箱用材料光镜显微观察

5．3．2 旋转弯曲疲劳断口微观形貌观察

5．4 齿轮箱用材料旋转弯曲疲劳裂纹萌生机理

5．5 齿轮箱用材科旋转弯曲疲劳裂纹扩展机理

5．6 本章小结

第六章 全文结论

前景展望

致谢

参考文献

硕士期间发表论文