采用壓床淬火減小齒輪畸變的工藝研究

金星燁，鄭衛(wèi)剛

(1. 武漢理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，湖北武漢430063;2. 武漢理工大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心，湖北武漢430063)

壓床淬火是在一種能夠限制齒輪畸變方向、公差固定的夾具上淬火的一種特殊工藝，它能夠使齒輪的畸變和漲縮量最小。如對于薄壁大盤型齒輪及汽車同步器齒套之類的齒輪，采用壓床淬火可以將生產(chǎn)過程中的材料、機(jī)械加工及熱處理生產(chǎn)中存在的各種潛在畸變因素在強(qiáng)壓作用下，去除或減小其影響。

在設(shè)計(jì)與調(diào)整好壓床淬火工藝的條件下，齒輪內(nèi)孔圓度及其安裝端面平面度均可達(dá)到技術(shù)要求。

采用淬火壓床對環(huán)套類齒輪畸變超差件進(jìn)行校正，不僅可以達(dá)到批量校正效果，而且校正效果很好。

1 淬火壓床結(jié)構(gòu)圖

圖1 (圖中p 為施加壓力)所示為美國格里森537 型脈動淬火壓床，可用于各種內(nèi)齒輪、錐齒輪等的淬火。采用這種設(shè)備加壓淬火后，可以有效地控制齒輪的翹曲和圓度畸變。加壓的心軸是光滑的，有的是錐形的。

圖1 帶內(nèi)齒輪的離合器體的壓床淬火

2 齒輪壓床淬火工藝

2.1 3 個(gè)階段壓力淬火方式

齒輪的壓床淬火多采用脈動式淬火壓床進(jìn)行3 個(gè)階段壓力淬火方式，可根據(jù)齒輪的結(jié)構(gòu)、材料淬透性等確定內(nèi)、外環(huán)及擴(kuò)張器壓力和3 個(gè)階段的噴油流量。通常，第一階段應(yīng)采用短時(shí)間大流量，使其快速越過奧氏體部穩(wěn)定區(qū)，進(jìn)入馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū);第二階段減少淬火油流量，適當(dāng)增加冷卻時(shí)間，使齒輪在較小的冷卻速度下完成馬氏體轉(zhuǎn)變，以減小畸變產(chǎn)生;第三階段應(yīng)采用大流量淬火油，使工件冷卻到低溫狀態(tài)，進(jìn)一步減小應(yīng)力，穩(wěn)定齒輪畸變。

2.2 齒輪壓床淬火畸變量控制因素

結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)制定表1 所示常見齒輪壓床淬火畸變超差原因及對策。壓床淬火齒輪畸變量的控制主要是受齒輪的加工精度和壓膜的設(shè)計(jì)與制造精度、壓床淬火工藝參數(shù)及現(xiàn)場調(diào)整的影響。其中，影響齒輪畸變的主要內(nèi)部因素是齒輪鋼材的淬透性。對此，應(yīng)根據(jù)齒輪模數(shù)、材料及其使用性能要求等選擇合理的淬透性。

表1 常見齒輪壓床淬火畸變超差原因及對策

2.2.1 通過正交工藝試驗(yàn)方案優(yōu)化工藝參數(shù)

表2 為載貨汽車后橋從動弧齒錐齒輪采用壓床淬火減小畸變的正交工藝試驗(yàn)方案。結(jié)果表明:對壓床淬火畸變影響由大到小的順序?yàn)橥鈮涵h(huán)壓力≥擴(kuò)張器壓力≥內(nèi)壓環(huán)壓力≥冷卻油流量。采用優(yōu)化正交工藝后壓床淬火取得明顯效果，優(yōu)化工藝參數(shù)后的壓床淬火合格率見表3。

表2 載貨汽車后橋從動弧齒錐齒輪壓床淬火正交試驗(yàn)因素和水平

表3 優(yōu)化工藝參數(shù)后的壓床淬火合格率

2.2.2 壓膜的設(shè)計(jì)

由于壓膜的設(shè)計(jì)、制造和調(diào)整比較復(fù)雜，因此，齒輪的淬火壓床多被大批量生產(chǎn)的專業(yè)廠家采用。不同的齒輪需要設(shè)計(jì)制造不同的壓膜，以便更好地控制畸變。同時(shí)應(yīng)考慮工件幾何形狀、化學(xué)成分和淬火過程的體積變化。圖2 所示為典型的齒輪淬火壓床用壓膜結(jié)構(gòu)圖。

圖2 典型的齒輪淬火壓床用壓膜結(jié)構(gòu)

壓膜應(yīng)通過現(xiàn)場工藝試驗(yàn)以選擇最佳施壓部位，應(yīng)選擇減少齒輪壓床淬火畸變的關(guān)鍵點(diǎn)，應(yīng)選擇在齒頂錐面或齒頂?shù)钠脚_上，與支承端面外緣保持一定的水平距離。

上壓膜壓力的選擇。壓力大小可根據(jù)齒輪的齒寬和厚度來確定。施壓點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離支承端面外緣，與呈現(xiàn)“鍋蓋形”的齒輪構(gòu)成一個(gè)懸臂梁體系，支承端面外緣是支點(diǎn)即固定端，內(nèi)緣部分則懸空是自由端，施壓點(diǎn)至支承端面外緣是水平距離即力臂長。因此，所施壓力雖然很小，但可以通過力臂而增大。

2.2.3 淬透性分析

由于22CrMnTiH 材料淬透性較高，在壓床淬火過程中，心部體積膨脹較大，內(nèi)應(yīng)力較大，變形趨勢大。應(yīng)嚴(yán)格控制齒輪毛坯材料。

22CrMnTiH 材料淬透性曲線帶見圖3。

圖3 22CrMnTiH 鋼的淬透性帶

22CrMnTiH 材料淬透性與化學(xué)成分回歸方程為:

J9=－15.54 +87.09wC+18.27wMn+ 11.14wCr

J15=－21.35 +83.44wC+20.21wMn+10.98wCr

應(yīng)用22CrMnTiH 鋼的淬透性回歸方程推導(dǎo)出的聯(lián)立方程控制熔煉成分含量，縮小淬透性帶的寬度，提高齒輪淬透性合格率。

3 從動弧齒錐輪工藝試驗(yàn)研究

3.1 材料的選擇及原工藝路線

A、B、C、D 4 種汽車后橋從動弧齒錐齒輪(圖4，其主要尺寸、參數(shù)及畸變要求見表4，壓床淬火工藝參數(shù)見表5)材料為22CrMnTiH3 鋼，有效硬化層深度分別為1.7 ～2.1 mm，表面與心部硬度分別為HRC58 ～64 和HRC33 ～45;碳化物、馬氏體與殘留奧氏體不大于5 級;齒輪運(yùn)動精度為8 級，接觸精度為7 級。

圖4 后橋從動弧齒錐齒輪簡圖

表4 齒輪的主要尺寸、參數(shù)及技術(shù)要求

表5 齒輪壓床淬火工藝參數(shù)

(1)齒輪加工工藝路線。下料→鍛造→正火→車削→銑齒→滲碳→空冷→二次加熱壓床壓力淬火→回火→精加工→檢驗(yàn)→入庫。

(2)原壓床壓力淬火工藝。采用瑞士奧利康淬火壓床進(jìn)行雙環(huán)(內(nèi)、外壓環(huán))施壓淬火，上壓模總壓力50 ～100 kN，中心柱塞壓力10 ～15 kN，內(nèi)、外壓環(huán)壓力分配為1.5∶ 2.5，施壓油冷時(shí)間3 ～4.5 min，噴油量350 ～450 L/min。

3.2 壓床淬火改進(jìn)方法

(1)采用低壓力單個(gè)壓環(huán)的淬火方法。由于采用的壓力相對較小，因此對淬火壓床的維護(hù)保養(yǎng)有利，可將上述工藝中的上壓膜總壓力降至3 ～16 kN，中心柱塞壓力降至2 ～3 kN。

(2)由于齒件單件質(zhì)量大，在高溫情況下材料屈服強(qiáng)度較低，疊加放置會造成下面齒輪畸變加大。改進(jìn)為利用組合料架水平單獨(dú)擺放(圖5)，可以有效避免疊加放置造成的下面齒輪的翹曲。

圖5 利用組合料架水平單獨(dú)擺放示意圖

(3)可以采用旋轉(zhuǎn)淬火壓床(圖6)進(jìn)行壓力淬火，以獲得較小彎曲畸變，并提高生產(chǎn)率。用淬火壓床下面的兩個(gè)輥?zhàn)又С泄ぜ⑹构ぜD(zhuǎn)，上面的輥?zhàn)佑脕韷鹤」ぜ⒓訅骸?/p>

圖6 旋轉(zhuǎn)淬火壓床

(4)延長外壓環(huán)保壓時(shí)間。當(dāng)外壓環(huán)壓住工件后，如果保壓時(shí)間短，工件會自由收縮。應(yīng)在壓床淬火第一階段和第二階段，增加保壓時(shí)間，減少脈沖次數(shù)。

(5)合理調(diào)整內(nèi)、外壓膜壓力。壓力淬火的目的是為了限制工件，抵消工件的轉(zhuǎn)變應(yīng)力，而不是重新定形達(dá)到最終形狀，所以內(nèi)、外壓膜的壓力應(yīng)取最小值，能矯正零件即可。

3.3 改進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果

采用以上改進(jìn)措施，將A、B、C 3 種齒輪各取20 件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖7，精度檢驗(yàn)情況見表6，其金相組織及硬度均合格，內(nèi)孔圓度誤差為0.092 ～0.120 mm、內(nèi)孔脹大量為0.325 ～0.385 mm、端面平面度(內(nèi)翹)為0.068 ～0.077，均符合畸變要求。

圖7 3 種齒輪低壓力單個(gè)壓環(huán)淬火后的畸變情況

表6 齒輪熱處理后精度檢驗(yàn)情況

3.4 采用淬火壓床的校正方法

對于D 齒輪的校正，可采用脈動淬火壓床(美國格里森537 型)進(jìn)行壓床淬火返修處理。加熱在RX3-45-9 型箱式爐內(nèi)(或轉(zhuǎn)底式爐)進(jìn)行，加熱溫度(850 ±10)℃。為了防止加熱時(shí)脫碳，爐內(nèi)通入適量保護(hù)氣體(如吸熱式RX 氣體)。

4 結(jié)論

淬火壓床可應(yīng)用于控制變形要求嚴(yán)格的零件，如汽車后橋從動齒輪、離合器齒套、同步器齒套、薄板類零件等。它是熱成型機(jī)械和淬火機(jī)合并的一種設(shè)備，工件在淬火過程中，按順序或同時(shí)完成熱沖壓、彎曲等成形加工，不僅可以減少工件加熱次數(shù)，提高設(shè)備生產(chǎn)率，而且有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量。

通過控制弧齒錐齒輪的加工精度和壓膜的設(shè)計(jì)與制造精度、壓床淬火工藝參數(shù)等，可大幅改進(jìn)齒輪翹曲畸變、內(nèi)孔圓度超差數(shù)量、表面脫碳熱處理等問題。

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