礦用挖掘機滲碳淬火薄片齒輪及齒圈預(yù)變形研究?

趙 萍，趙青春，郭 超

（太原重工 齒輪傳動分公司，山西 太原 030024）

0 引言

滲碳淬火作為主流的硬齒面齒輪制造工藝得到廣泛應(yīng)用，但其突出問題在于如何將齒輪經(jīng)滲碳淬火處理后的熱處理變形控制在理想范圍之內(nèi)。滲碳淬火齒輪常規(guī)的制造工藝流程為：鍛造—正火—粗車—調(diào)質(zhì)—半精車—滾齒—倒角—滲碳（非齒部涂防滲劑）—淬火—噴砂—精車—磨齒—插鍵槽。為避免過早出現(xiàn)點蝕、斷齒等質(zhì)量問題，先對齒面進行深層滲碳。根據(jù)以往經(jīng)驗，薄片齒輪和薄壁齒圈在淬火后會發(fā)生較大變形，如果控制不好，將嚴(yán)重影響齒輪產(chǎn)品質(zhì)量。因此，掌握滲碳淬火變形原因及其規(guī)律并采取針對性的措施加以控制，對于大型薄片齒輪和薄壁齒圈顯得尤為重要。本文提出了一種“預(yù)變形”的解決方案，可達到減小薄片齒輪和薄壁齒圈滲碳淬火變形的目的。

1 齒輪滲碳淬火變形原因及其影響因素

熱處理變形是指工件經(jīng)熱處理后，其形狀和尺寸發(fā)生變化的一種物理現(xiàn)象，主要是指工件的淬火變形［1，2］。引起熱處理變形需3個條件，即應(yīng)力、塑性和作用時間。其中應(yīng)力主要是指熱處理過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力等內(nèi)應(yīng)力，應(yīng)力之間相互疊加、影響，形成最終導(dǎo)致工件變形的殘余應(yīng)力，當(dāng)殘余應(yīng)力超過材料屈服強度時工件就會發(fā)生變形。

1.1 齒輪滲碳淬火變形原因

隨著淬火快速冷卻過程的進行，當(dāng)溫度在Ms點以上，工件發(fā)生的變形是熱應(yīng)力單獨作用引起的，這是由于工件表面和心部冷卻速度不一致造成的；當(dāng)溫度在Ms點以下，工件發(fā)生的變形主要是由組織應(yīng)力作用引起的，這是由于馬氏體比容比奧氏體大，齒輪滲碳后齒面含碳量高，Ms點低，而心部含碳量低，Ms點高，因此淬火時一般先從心部開始相變，然后，相變逐漸向外擴散，當(dāng)齒面發(fā)生馬氏體相變時，體積膨脹，此時心部組織已成為馬氏體，較難發(fā)生塑性變形，最終在齒面形成殘余壓應(yīng)力［3］。

齒輪經(jīng)滲碳淬火處理后發(fā)生變形主要是由零件在機加工過程中產(chǎn)生的加工應(yīng)力、熱處理過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力以及在自身重力等共同作用下引起的。對于大型薄片齒輪和薄壁齒圈等易變形結(jié)構(gòu)齒輪，滲碳淬火變形則表現(xiàn)得更加明顯。

1.2 影響齒輪滲碳淬火變形的因素

影響齒輪滲碳淬火變形的因素眾多，主要包括齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計、原材料及冶金質(zhì)量、鍛造過程、預(yù)備熱處理、機加工過程、滲碳淬火工藝及設(shè)備等。當(dāng)某一個或幾個方面具體環(huán)節(jié)出現(xiàn)如圖1 所示的問題時，就很可能導(dǎo)致滲碳淬火變形的失控。其中結(jié)構(gòu)設(shè)計、原材料等屬于固定的特征性因素，而冷、熱工藝則屬于變化的過程性因素。一般而言，對于特征性因素引起的滲碳淬火變形，通過對變形規(guī)律的總結(jié)，較易進行有效的控制；而過程性因素存在諸多的不確定性，引起的滲碳淬火變形往往難以控制［4］。

2 薄片齒輪和薄壁齒圈滲碳淬火變形

礦用挖掘機傳動齒輪箱中有為數(shù)不少的薄片齒輪（齒頂圓／齒寬≥8，如提升、推壓齒輪箱中二檔齒輪（如圖2 所示）及薄壁齒圈（如提升大齒圈，如圖3 所示），材料為17CrNiMo6和20CrNi2Mo，精度等級為6級，形狀基本對稱，傳遞較大功率，工作過程中齒面沖擊現(xiàn)象嚴(yán)重。

通過在實際生產(chǎn)過程中對齒輪滲碳淬火變形數(shù)據(jù)進行測量和分析，結(jié)果表明：齒輪滲碳淬火變形影響產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命，主要表現(xiàn)在齒頂圓、公法線和齒形、齒向等的變形，這些變形之間又是相互關(guān)聯(lián)的［5］。

圖1 導(dǎo)致齒輪滲碳淬火變形增大的各環(huán)節(jié)因素

圖2 薄片齒輪

圖3 薄壁齒圈

2.1 滲碳淬火變形對齒頂圓的影響

齒輪滲碳淬火后不但齒頂圓尺寸漲大，漲量不均勻，而且還會發(fā)生錐度、橢圓等變形。

齒頂圓形狀發(fā)生“錐度”變形，是由于自重、高溫滲碳引起的蠕變和淬火時加熱、冷卻溫度不均引起的，主要與滲碳淬火時裝卡方式有關(guān)。如果是單件齒輪淬火，變形呈“朝鮮鼓”形（兩端變形量大、中間變形量小）；如果是多件齒輪在吊具上重疊掛裝淬火，則兩端（上、下）的齒輪呈錐度變形，如圖4 所示。每個齒輪的外徑形狀變化相當(dāng)于一個“錐度”變化和“朝鮮鼓”形變化的迭加。

圖4 三支齒輪重疊掛裝淬火的變形

齒頂圓形狀發(fā)生“橢圓”變形，是由于材質(zhì)不均勻、裝爐方式不當(dāng)?shù)仍蚴沟谬X輪產(chǎn)生不均勻漲縮和不對稱變形。大型薄壁齒圈在滲碳淬火后常發(fā)生此種變形［6］。

2.2 滲碳淬火變形對公法線的影響

齒輪經(jīng)滲碳淬火處理后，公法線尺寸會漲大，且沿齒寬方向漲大量不同，一般說來，齒寬兩端公法線漲大量比中間大。

影響公法線漲量的因素主要有：①淬透性，如果選用的材料淬透性相對較好，滲碳淬火后公法線尺寸漲量就較大，反之則較??；②正火，如果正火不充分，組織就不均勻，也會影響公法線漲量；③切齒工藝，插齒齒面加工應(yīng)力小且均勻，沿齒寬方向應(yīng)力差值也小，而滾齒齒面加工應(yīng)力波動較大，因此滲碳淬火后滾齒齒面比插齒齒面公法線漲量大，此外，齒面粗糙度越低，滲碳淬火后公法線漲量就越?。虎艽慊鸾橘|(zhì)，室溫油冷卻比熱油冷卻公法線漲量大［7］。

2.3 滲碳淬火變形對齒形和齒向的影響

通常情況下，齒輪滲碳淬火后齒形變形規(guī)律為壓力角增大，這是由于材料組成成分及鍛造、機加工造成的預(yù)應(yīng)力，又加之在高溫下進行滲碳，易產(chǎn)生金屬流動變形而表現(xiàn)為“塌頂”，總的趨勢是輪齒齒頂減薄、齒根膨脹，如圖5 所示［8］；斜齒輪齒向變形規(guī)律為螺旋角減?。ㄗ笮蜃?、右旋偏右），如圖6 所示。值得注意的是，齒輪的齒形、齒向誤差，并不單純由壓力角、螺旋角變化引起，上述變形規(guī)律僅僅是一種主要的變形趨勢。

圖5 齒形變形

圖6 齒向變形

滲碳淬火后斜齒輪齒向變形比直齒輪大，因為螺旋角越大對齒向的影響就越大。齒向變形除與螺旋角大小有關(guān)外，還與齒輪模數(shù)、齒寬、齒數(shù)和滲碳層深度密切相關(guān)，齒數(shù)越少、齒寬越寬、滲碳層越深均會增大齒向變形。

斜齒輪在滾齒時受到很大的側(cè)擠壓力，會產(chǎn)生很大的加工應(yīng)力，滲碳淬火后不可避免地會發(fā)生端面翹曲。齒輪以中心向上浮起，形似荷葉，大型薄片齒輪表現(xiàn)得尤其明顯。螺旋角變形量與齒頂圓錐度和端面翹曲方向等因素密切相關(guān)。

3 薄片齒輪和薄壁齒圈滲碳淬火預(yù)變形處理

所謂“預(yù)變形”處理，即按照齒輪滲碳淬火變形規(guī)律，在滲碳淬火前用機加工方法對齒輪某些參數(shù)（例如齒頂圓尺寸、螺旋角等）進行修正以施加反變形，預(yù)先施加的反變形便會與熱處理變形相抵消，從而達到減小齒輪滲碳淬火變形的目的。如設(shè)工件名義尺寸為L，預(yù)變形量為±ΔL，則滲碳淬火前應(yīng)按照工藝尺寸L′＝L±ΔL進行預(yù)變形加工。

預(yù)變形處理的關(guān)鍵是正確確定預(yù)變形量，而預(yù)變形量的確定依據(jù)是在對薄片齒輪和薄壁齒圈滲碳淬火后的變形數(shù)據(jù)進行測量、分析、總結(jié)和積累的基礎(chǔ)上得出的，其前提條件是嚴(yán)格控制各環(huán)節(jié)，尤其是滲碳淬火過程，使變形最終趨于穩(wěn)定。

3.1 薄片齒輪和薄壁齒圈齒頂圓預(yù)變形處理

在實際生產(chǎn)過程中，齒輪在滲碳淬火前齒頂圓已加工至尺寸，滲碳淬火后發(fā)生的諸如齒頂圓尺寸漲大、形狀錐變或橢圓等變形若超出特定范圍，會嚴(yán)重影響齒輪箱運行聲音。

對于齒頂圓尺寸漲大問題，薄片齒輪和薄壁齒圈可分別按表1確定預(yù)變形量，滲碳淬火前按工藝尺寸（名義尺寸－預(yù)變形量）加工齒頂圓，滲碳淬火后齒頂圓漲大量與預(yù)變形量相互抵消，從而達到減小齒頂圓變形的目的。

對于齒頂圓形狀發(fā)生錐變、橢圓等問題，可在磨齒時增加齒頂?shù)箞A代替手工齒頂?shù)菇?，從而保證了齒頂圓尺寸沿齒寬方向的一致性。

表1 薄片齒輪和薄壁齒圈滲碳淬火前預(yù)變形量 mm

3.2 薄片齒輪和薄壁齒圈齒向預(yù)變形處理

為保持齒根的殘余壓應(yīng)力，滲碳淬火齒輪在磨齒時只磨有效齒面而不磨齒根，同時要求齒面兩側(cè)磨削量均勻，滲碳淬火后若齒向變形過大，超出滾齒時齒部預(yù)留的公法線余量，則磨齒時齒面無法正常完全磨起；若繼續(xù)磨齒直至齒面完全磨起，則公法線減小而磨削量增加，不僅會導(dǎo)致齒面滲碳層和有效硬化層深淺不均、齒面殘余壓應(yīng)力分布不均，還會導(dǎo)致有效齒面與齒根過渡曲線之間出現(xiàn)“臺階”現(xiàn)象，加劇齒輪箱運行過程中的振動及噪聲問題。

對于齒向變形問題，薄片齒輪和薄壁齒圈滾齒時按工藝螺旋角（名義螺旋角＋預(yù)變形量）進行加工，滲碳淬火后螺旋角減小量與預(yù)變形量相互抵消，從而達到減小齒向變形的目的。

薄片齒輪和薄壁齒圈可按式（1）計算螺旋角預(yù)變形量fβ：

其中：fHβ為螺旋線傾斜偏差，μm，可通過齒輪檢查儀測量得出；β為螺旋角；Lβ為螺旋線計值范圍，mm。

3.3 其他

除上述提到用機加工方法對齒頂圓、螺旋角進行預(yù)變形處理以減小齒輪滲碳淬火變形外，還應(yīng)注意加工應(yīng)力和表面粗糙度對其的影響。例如插齒與滾齒相比，加工應(yīng)力小且均勻，沿齒寬、齒高方向的應(yīng)力差值也小，滲碳淬火后對齒形、齒向影響就?。积X面粗糙度越低，滲碳淬火后公法線漲量就小。因此，控制齒面加工應(yīng)力和提高齒面粗糙度均有助于減小齒輪滲碳淬火變形。

4 結(jié)語

本研究并未從根本上減小滲碳淬火變形，僅僅從機加工方面進行研究，治標(biāo)而不治本，具有一定的局限性。影響齒輪滲碳淬火變形的因素眾多且彼此之間又相互影響，如何進行有效地控制仍然是一個亟待解決的棘手問題，有待于國內(nèi)外專家、學(xué)者做進一步的研究。

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