1 齿轮零件的常规修复方法

　　齿轮零件失效后， 对部分仍有使用价值的零件进行修复后继续使用。常用的修复方法有：调整换位法、变位加工法、镶齿(圈)法、堆焊法、刷镀法和热喷涂法等。

　　常规的修复方法中，调整换位、变位加工、镶齿(圈)3 种方法具有很大局限性，不具备齿轮再制造修复的潜力。堆焊法热影响区大，会破坏齿轮本身的热处理性能，且易出现裂纹和气孔等缺陷;刷镀法结合强度大， 但不适于损坏较大的齿轮修复; 热喷涂法结合强度低， 不能满足主动轮重载荷、大冲击的工作特点。

　　针对以上几种常规修复方法的局限性，我们采用两种全新的方法修复磨损齿轮。以修复重载车辆的主动轮齿圈和侧减速器被动齿轮为例，对于失效的主动轮齿圈而言，我们运用激光熔覆增材再制造技术使其表面得到修复与强化，改善齿轮件的耐磨损、耐腐蚀、耐高温性能，恢复主动轮齿圈零件的技术性能，延长使用寿命，节约开支;对于重载车辆传动箱中渗碳齿轮而言，我们采用热胀减材再制造技术修复磨损后的渗碳齿轮，使其性能恢复到使用水平，从而达到再次服役的要求。

　　2 激光熔覆技术增材再制造修复主动轮齿圈

　　2.1 激光熔覆技术在齿轮修复上的应用

　　激光熔覆技术是通过在基体表面添加熔覆材料， 并利用高能密度的激光束使之与基体表面薄层一起快速熔凝， 在基体表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层， 从而显著改变基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等特性的工艺方法。激光熔覆独特的技术特点使其在工业领域得到了广泛的应用。主要可以归为三类：表面改性、表面修复和快速成型。其中激光熔覆表面修复主要集中在燃气轮机叶片、轧辊、齿轮轴等零件，对齿轮的修复研究得不多。主要原因是激光器功率小，修复效果不理想。近年来，大功率激光器和宽带扫描装置出现并普及， 为使用激光熔覆技术修复齿类零件提供了可能。

　　2.2 激光熔覆技术修复主动轮齿圈的优点

　　重载车辆的动力传动广泛采用开式齿轮传动，这种结构具有制造简单、更换方便的优点。但同时也存在工作环境恶劣的问题。尤其是重载车辆的主动轮齿圈，工作在载荷重、冲击大、速度不稳定、润滑不良的环境下，长期野外作业使其还面临着风沙大、温湿度大等恶劣的自然条件，常因齿面剧烈磨损而失效。

　　零件修复与再制造的要求。激光熔覆技术以其热影响区小、稀释率低、结合强度高，受到了科研和工业上的广泛关注。激光熔覆是一个复杂的过程，涉及到物理、化学、冶金、材料等诸多学科。与常规的热喷涂、堆焊等表面改性工艺相比较，激光熔覆具有以下特点：

　　(1)热影响区小，基体变形小，不破坏基体的力学性能。(2)冷却速度高达106℃/s，熔覆层组织晶粒细小、结构致密，甚至能产生非稳相、非晶态等。(3)可熔覆材料范围广，几乎没有限制。(4)熔覆层与基体为冶金结合，结合强度高。(5)熔覆层的稀释度小，基体材料对熔覆层成分、性能影响小。(6)过程易于控制，易于实现自动化。将激光熔覆技术应用于齿类零件的修复与再制造领域， 对于重载车辆主动轮齿圈来说具有巨大的经济效益和科研价值。

　　2.3 激光熔覆技术修复主动轮齿圈的技术可行性研究

　　利用激光熔覆技术修复主动轮齿圈， 关键在于设计出合适的激光熔覆粉末。课题组多年来致力于激光熔覆用的镍基粉末和堆焊用的中锰钢材料的研究， 且熔覆层和堆焊层的各项性能指标基本上能够满足主动轮齿圈的使用要求， 只要调整合金体系中微量元素及稀土元素的含量， 使熔覆层的各项性能指标进一步得到提高。理论上具备完成修复主动轮齿圈的技术条件。

　　3 热胀法修复渗碳齿轮

　　3.1 热胀法在齿轮修复上的运用

　　热胀法利用金属或合金的塑性变形性能，使零件在一定的外力作用的条件下改变其几何形状而不损坏。热胀法修复零部件的方法，一般是压力加工的方法，但其工作对象不是毛坯，而是具有一定尺寸和形状的零部件。这个方法是将零部件不工作部位的部分金属转移到零件的磨损工作部位，以恢复其名义尺寸。因此，用这种方法不仅改变零部件的外形， 而且改变金属的机械性质和组织结构。国内一些工厂尝试用热胀法对大齿轮进行修复， 但到目前为止还没有一套成熟的工艺修复方法。我们以热胀法在发动机活塞鞘、轴类零部件的成型工艺为参考， 提出了一种全新的减材修复渗碳齿轮的新方法。齿轮磨损失效后，只是轮齿表层损耗掉一部分材料， 而在轮毂部分有充足的材料可以对这部分损耗进行补充。通过设计合适的模具，限制齿轮在轴向的自由度，而保留其在径向的自由度。通过对轮毂和轮齿部分进行加热挤压变形，使其径向向外塑性变形，从而使得整个轮齿外形略大于新齿轮的外形尺寸。通过进一步加工及热处理， 获得性能与新齿轮相同的再制造齿轮。

　　3.2 热胀法修复渗碳齿轮的优点

　　在一些大型重载车辆的齿轮传动箱、变速箱和侧减速器中，包含着众多的渗碳齿轮。这些齿轮材料大部分使用20Cr2Ni4A 或18Cr2Ni4WA 制造，毛坯材料的价格昂贵，渗碳处理后齿面硬度很高。以侧减速器中被动齿轮为例， 它使用20Cr2Ni4A 材料制造， 经渗碳后齿面硬度达到HRC57 以上，渗碳层深度为1.2~1.8 mm。经过一段时间的使用后，齿面磨损严重，许多齿轮修理厂尝试了多种方法对其进行修复。其中一种是对其进行堆焊修复，即在磨损的齿面上满焊一层高硬度材料后，对齿面进行铣削、磨削等机械加工，其工艺流程为：脱碳→堆焊→粗加工→渗碳→半精加工→热处理→精加工。由于渗碳层高的含碳量对堆焊工艺有很大制约，堆焊后热影响区极易出现裂纹，故堆焊之前要先进行复杂的除碳工艺;其次，满焊造成机械加工量增加，提高了生产成本;另外，堆焊高硬度材料给后续加工带来了极大的困难。基于以上原因，使用这种堆焊工艺无法进行齿轮的尺寸和性能的恢复。而热胀法可以克服这些困难，它不受零部件材料的限制，只需对零部件进行热挤压，通过变形加工来达到恢复零部件工作尺寸的目的， 既节省了成本，又促进了材料的循环再利用。热胀法最明显的优点是可迅速恢复轮齿的尺寸， 轮齿的加工余量小，比较适合修复齿数大的盘状齿轮。

　　3.3 热胀法修复齿轮的技术可行性研究

　　从理论上讲，热胀法是牺牲了齿轮小部分的轮毂强度，用轮毂材料来补充轮齿的材料。所有的齿轮在设计制造过程中，都会有充足的设计裕度。轮齿齿面被磨损的材料不到1 mm， 相对整个轮齿而言，所占比例很小。初步计算表明，齿轮轮齿经过热胀后如果在径向方向上增加1 mm， 轮毂厚度的减小不到0.2 mm，这个厚度的减小对其强度的影响是微乎其微;此外，通过对大齿轮实际的测量，这些齿轮在制造之前的设计中的内缘厚度一般是30~35mm，按照新齿轮的设计强度和设计经验，一般不小于15~20 mm 即可。对整个齿轮的磨损情况的分析和初步计算可知，内缘厚度减小了5~10 mm，完全可以满足工作强度条件。如果通过了强度考核试验，利用热胀法修复渗碳齿轮在技术上是完全可行的。在轮齿的性能方面，由于材料没有发生改变，而渗碳工艺及热处理工艺也都是在原齿轮的工艺基础上稍微调整，因此完全能够达到原轮齿的性能。

　　4 结束语

　　我们秉承再制造修复的理念， 运用激光熔覆技术进行增材再制造的方式修复主动齿轮; 运用热胀法进行减材再制造的方式修复渗碳齿轮，使其能够恢复到磨损前的服役性能， 两种方法体现了再制造技术在重载车辆零部件修理方面具有巨大的运用价值。从理论上讲，激光熔覆技术和热胀法具备修复齿轮的可行性。不足的是激光熔覆技术得到的熔覆层存在裂纹问题、稀释问题和寿命问题， 热胀法在修复的工艺过程中存在脱碳不完全、两次渗碳以及热处理过程中组织应力和热应力对材料的影响，这些都需要做进一步的研究。