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        關于滲碳淬火齒輪畸變的探討

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        人氣:-發表時間:2019-08-26 10:50【

        滲碳淬火齒輪的應用較為廣泛,但齒輪在滲碳淬火中產生畸變也是一種普遍現象。引起齒輪熱處理畸變的原因是多方面的,如材質、齒輪幾何形狀、冷熱加工工藝等。針對這些原因,并結合生產實踐,提出了減小滲碳淬火齒輪畸變的一些措施。對于不可避免畸變的齒輪,可通過預留機加工余量的方法來補償齒輪的畸變。

        現代工業的發展對齒輪傳動精度的要求越來越高,既要求承載能力高,使用壽命長,安全可靠,同時還要求體積小、重量輕,傳動平穩、噪聲低,這在近年來蓬勃發展的風能發電機齒輪箱上得到了體現。而能達到以上各項要求的只有滲碳淬火并磨齒的齒輪。然而,滲碳淬火畸變卻一直是我國齒輪生產中需要攻克的一道難關。滲碳淬火畸變不僅影響齒輪的精度,而且還對齒輪強度產生影響。通常,為了保持齒根的殘余應力,滲碳淬火齒輪只磨削有效齒面而不磨削齒根的過渡曲線部分。但由于熱處理產生不均勻畸變,一部分輪齒磨削后在有效齒面與齒根過渡曲線部分之間形成了“磨削臺階”。磨削臺階一方面使輪齒漸開線工作長度縮短、重疊系數下降、嚙合沖擊增大,影響傳動質量(振動、噪聲),另一方面由于臺階處圓角很小,應力集中可能十分嚴重,而且砂輪邊緣在磨削時產生的高溫可能使“臺階”處硬度降低、強度下降,所以帶“臺階”的齒輪在服役過程中往往會在臺階處首先產生疲勞裂紋,再逐漸擴展而造成輪齒折斷。因此,減小滲碳淬火畸變形就成為當今齒輪熱處理生產中亟待解決的技術難題。

        1、熱處理應力與畸變

        工件在加熱和冷卻時,一方面由于其內外不可避免地存在一定的溫差而引起比體積差,同時表面和心部的不同時相變也會造成比體積差,這是產生熱處理應力的根本原因。由于工件內外溫差所產生的內應力謂之熱應力,由工件內外組織轉變不同時而產生的內應力謂之組織應力。而工件熱處理后的殘余應力則是熱應力和組織應力綜合作用迭加的結果。由熱處理所造成的畸變一般可分為如下三種類型:體積變化、形狀對稱變化和扭曲。體積變化是指形狀不變,通常只是各部分的尺寸發生同樣伸縮的情況。形狀對稱變化是在不同的方向上,分別出現對稱性的尺寸變化;扭曲則是非對稱性的形狀變化。三種類型的形狀變化示意地表示于圖1。

        1.png

        圖1 熱處理畸變類型示意圖

        (a)體積變化;(b)形狀對稱變化;(C)扭曲

        2、影響齒輪熱處理畸變的因素

        齒輪的熱處理畸變還與機械加工密切相關。機械加工在金屬中產生加工應力,特別是由于切削工藝不當、刀具用鈍等因素的影響,會造成更復雜的應力狀態,所以其變形傾向也不相同。采用插齒、滾齒和擠齒三種工藝加工的齒輪熱處理后的齒向精度列于表1,進一步證實了加工應力對齒輪熱處理畸變的影響。

        表1 用不同工藝機加工的齒輪的最大齒向誤差/mm

        2.png

        齒輪熱處理畸變涉及到從設計到制造的整個工藝過程,影響因素多而復雜。零件的結構(形狀、尺寸)是影響畸變大小的一個重要因素。斷面尺寸是否均勻對稱及內孔與外徑之間的尺寸比例都對應力的性質、大小及分布產生影響。一般說,形狀簡單,對稱性強,直徑不大,各部分厚薄較均勻的齒輪熱處理畸變較??;反之,形狀復雜、不對稱、外徑大、厚薄相差大的齒輪熱處理畸變就較大。根據生產實踐總結的齒輪結構形狀對熱處理畸變的影響如表2所示。

        3、齒輪熱處理畸變及預留加工余量

        當通過質量管理措施將齒輪畸變量波動控制在一定范圍之后,便可在齒輪生產中實施熱處理前的加工尺寸調整,即預留加工余量。掌握熱處理畸變規律,在熱處理前調整齒輪的加工尺寸,以補償熱處理畸變,這是批量生產齒輪常用的方法。生產中常用50件齒輪在確定的條件下進行冷加工和熱處理,經過對熱處理前后齒輪各幾何參數的測量,并對其數據進行統計處理,然后根據畸變規律移動公差帶位置,并按下式確定熱處理前的機械加工尺寸允差:

        X=Y—Z(1)

        式中:X為熱處理前某些參數的上限值;Y為齒輪成品允差的上限值;Z為熱處理時可能造成的最大尺寸變化量?;蛘?/span>

        X1=Y1一Z1(2)

        式中:X1為熱處理前某些參數的下限值;Y1為齒輪成品允差的下限值;Z1為熱處理時可能造成的最小尺寸變化量。將式(1)與式(2)相減,便得到成品齒輪的公差范圍為熱處理前齒輪公差范圍加上熱處理畸變的公差范圍。

        4、減少齒輪熱處理畸變的措施

        齒輪熱處理畸變之所以難以控制,首先是因為影響畸變的因素太多,而且這些影響因素還具有以下特點:(1)技術上涉及多學科;(2)生產上涉及多道工序;(3)管理上涉及多部門、多環節;(4)在解決畸變的措施方面,既要考慮技術,還要考慮生產成本。

        正是因為影響畸變的因素太多、太復雜,常常使人們不知所措。然而,大量的生產實踐表明,客觀上存在一些有效的、可操作的宏觀控制畸變的方法或途徑。如近年來我國齒輪行業通過采用保證淬透性鋼和控制淬透性帶寬以及毛坯等溫正火的方法等,就在減小齒輪熱處理畸變方面取得了明顯的效果。通??梢杂?ldquo;微觀分析,宏觀控制的理念及“質量平衡一相變趨近”和“傳熱均勻一減小溫差”的原則來控制齒輪的畸變。

        鋼材的冶金因素,如晶粒度、非金屬夾雜、帶狀組織、淬透性等,對齒輪的畸變都有影響,其中鋼材的淬透性影響最大。鋼材淬透性愈低,齒輪淬火的畸變也就愈小。因此,對于許多滲碳齒輪,為了解決畸變問題常常采用降低心部硬度到30HRC以下的辦法。然而,從齒輪強度考慮,心部硬度也不能太低。事實上,很多齒輪疲勞失效的一個重要原因就是心部硬度偏低,所以,這成為齒輪生產中的一大矛盾。為了解決齒輪強度與熱處理畸變對齒輪心部硬度要求的矛盾,合理限制鋼材淬透性是最佳的措施。

        5、控制齒輪畸變的建議

        曾有國外文獻列出了影響熱處理畸變的26種因素、77個子因子,這應當是事實。另外,曾有國內某企業僅僅因為打印記就引起工件變形的實例。由此可見,要從微觀的角度一一對應對所有的影響因素是何等困難。

        如上所述,齒輪的熱處理畸變由于影響因素太多,要具體確定哪種是主要因素十分困難。然而可以采用某些宏觀的控制方法,比如鋼材的淬透性、齒坯的等溫正火預備熱處理、壓床淬火等,以抑制某些微觀的潛在因素的影響,從而減小畸變。齒輪受熱和冷卻不均勻,溫度分布不平衡便會產生翹曲、橢圓、扭曲。如果采取下列措施:在加熱過程中采取預熱、階梯升溫等方法;對于結構形狀復雜的齒輪采用補償墊塊、墊圈、芯軸;淬火冷卻中采用硝鹽、熱油實施等溫淬火等,就可以使齒輪在加熱中的受熱及冷卻中的散熱比較均勻,減小齒輪心、表及各部位的溫度差,從而減小畸變。

        宏觀控制和平衡的理念出發,對于齒輪熱處理畸變的控制提出以下建議:

        (1)全面采用保證淬透性鋼,根據齒輪類別采用不同的淬透性帶寬;

        (2)齒輪毛坯的預備熱處理盡可能采用等溫正火,或能保證達到組織和硬度均勻的其他熱處理工藝;

        (3)不應忽視齒輪的滲碳加熱,采取合理裝夾,加熱時采用預熱、階梯升溫,有條件可在去應力退火后帶溫裝入滲碳爐升溫,以盡量減小齒輪各部位在加熱時的溫差;

        (4)淬火是引起齒輪畸變的重要環節。采用合適的夾具、合理擺放,根據齒輪結構形狀采用各種平衡補償墊塊、墊圈及芯軸,盡量熱油淬火或采用硝鹽等溫淬火,目的在于盡可能地使齒輪各部位冷卻均勻;

        (5)對于批量生產的汽車后橋錐齒輪及薄壁齒套,盡量采用壓床淬火;

        (6)齒輪結構形狀盡可能對稱、均衡。以上這些宏觀控制畸變的措施技術上并無創新,然而,采用這些措施可以改善齒輪加熱及冷卻的均勻性,從而減小齒輪在受熱和冷卻過程中的溫度分布差異,減小齒輪組織和硬度的差異,必然會減小齒輪的畸變。

        6、通過正交試驗優化熱處理工藝

        對20CrMo鋼齒輪井式滲碳爐滴注式碳氮共滲,可以通過正交試驗來優化工藝參數,以減小熱處理畸變。正交試驗因素和水平見表3,試驗方案和結果見表4。

        表3 正交試驗因素和水平

        3.png

        表4 正交試驗方案和結果

        4.png

        本試驗系四因素三水平的試驗,所以選用L9(34)正交表,將A、B、C、D四因素放在表頭的前四列,計算各因素的T1、M1和R值,確定優水平,分別填入表4各欄內。

        從以上試驗結果可以看出,首先是5號試驗結果最好,水平組合為A2B2C3D1。此外還得到一個優水平組A2B2C2D2。各因素按影響作用極差R大小順序為:A—B—C—D

        因素A碳氮共滲溫度取不同水平時,對20CrMo鋼齒輪井式滲碳爐滴注式碳氮共滲隨后直接淬火質量的影響最大,在生產過程中應嚴格控制在870℃的水平上。在上述試驗的基礎上,再按優水平工藝方案:870qC碳氮共滲,830℃保溫30min后140℃熱油淬火,結果得到20CrMo鋼齒輪熱處理后的一次性合格率高達99.8%,于是確定用A2B2C2D2的工藝進行生產。

        7、結束語

        本文結合生產實踐,探討了滲碳淬火齒輪的畸變及其預防措施。影響齒輪熱處理畸變的因素多種多樣,及其復雜。從表象看,齒輪的畸變是產生于熱處理工序,但如上所述,熱處理并非是導致齒輪畸變的唯一因素,還與齒輪的材質、結構形狀、機加工工藝和鍛造工藝等諸多因素有關。要解決齒輪的熱處理畸變問題,必須通過設計人員、材料工作者、冷熱加工工藝人員等的協同努力,否則必將事倍功半。

        此文關鍵字:滲碳淬火

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