采用堆垛式工裝(以下簡稱：舊工裝)裝料時，零件與零件相接觸，基本無間距。該裝料方式下，整爐零件各工件在加熱和冷卻時的溫度梯度存在較大差異。為減小該差異對同爐零件帶來的變形影響，本文設(shè)計出一種實現(xiàn)零件分層擺放的矩陣式工裝(以下簡稱：新工裝)，讓同爐零件在加熱過程、冷卻過程中各工藝條件更加均勻。

　　為驗證新工裝效果，本文展開新工裝和舊工裝兩種裝料方式對變形和滲碳質(zhì)量的影響。

　　試驗方案

　　試驗采用 20CrMnTi 合金材料齒輪，其化學(xué)成分為 0.17%～0.23%的 C、0.17%～0.37%的 Si、0.8%～1.1%的 Mn、1.0%～1.3%的 Cr。

　　1)齒輪鍛造、銑削等工序結(jié)束后，每輪試驗隨機選取 15 套齒輪，并進行刻字編號，檢查熱前精度和齒形等。每個試樣檢測 4 個齒，檢測齒分布如圖 2 所示。

　　2)檢測完精度和齒形的齒輪按圖 3 所示位置裝爐。

　　3)裝爐完成后，將已測量樣件按預(yù)氧化、清洗、滲碳淬火、低溫回火、清洗等工序進行熱處理。滲碳淬火工藝為氣體滲碳，采用愛協(xié)林箱式多用爐，具體工藝為升溫到 920 ℃，均溫 90 min，然后升高碳勢至 1%進行 300 min 強滲碳，再降低碳勢至 0.8%進行 150 min 擴散，隨后爐冷卻至 850 ℃，保溫一定時間后進行淬火。其余相關(guān)工藝參數(shù)如表 1 所示。

　　4)熱處理完成后檢測熱后精度、齒形、平面度、齒輪滲碳層深和硬度。熱后精度及齒形檢測位置同熱前保持一致。

　　二、試驗結(jié)果與分析

　　齒輪精度變化對比

　　圖 4 為新舊工裝精度等級變化分布。多輪試驗數(shù)據(jù)抽取顯示，采用矩陣式新工裝結(jié)構(gòu)，齒輪精度最大變差從 4 級降低至 2 級，有效減少 2 級。且精度變化 2 級從舊工裝 0%增加至新工裝100%， 占比有效提升 100%。

　　齒形變化

　　凸面齒形變化：圖 5 和圖 6 為同一顆齒凸面與標(biāo)準(zhǔn)齒形對比的熱處理變化量。由兩圖對比可知，矩陣式新工裝裝爐方式優(yōu)化后，凸面齒形變化在±10 μm 以內(nèi)占比 100%。相比舊工裝在±10 μm 以內(nèi)占比 55.56% 而言，提升 44.44%。由此可見，使用優(yōu)化后的裝爐方式熱處理凸面齒形變化更小，一致性更好。

　　凹面齒型變化：圖 7 和圖 8 為同一顆齒凹面與標(biāo)準(zhǔn)齒形對比的熱處理變化量。由兩圖可知，矩陣式新工裝裝爐方式優(yōu)化后，凹面齒形變化在±40 μm 以內(nèi)占比 94.4%。相比舊工裝在±40 μm 以內(nèi)占比 50%而言，提升了 44.4%。由此表明，使用優(yōu)化后裝爐方式熱處理凹面齒形變化更小，一致性更好。

　　平面度變化

　　圖 9 為兩種不同裝料方式熱后平面度分布。由圖 9 可知，采用矩陣式新工裝的平面度變化更小，一致性控制更好。

　　滲碳層深和表面硬度

　　由表 2 可知，采用矩陣式裝料方式后，同爐滲碳層深變化量由 0.3 mm 減小到 0.1 mm，同爐硬度變化量 2 HRC 降低到 1 HRC。該方式有助于氣氛均勻性和工件加熱、冷卻的均勻性，有效將滲碳層深和表面硬度控制在一定范圍內(nèi)。

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　　三、結(jié)論

　　1)采用矩陣式工裝，可以有效抑制齒輪熱處理變形，無論從齒形、精度、平面度方面一致性更好，能更好的通過反調(diào)控制變形;2)采用矩陣式結(jié)構(gòu)工裝，整爐零件層深和表面硬度變化更均勻;3)矩陣式結(jié)構(gòu)工裝應(yīng)用于熱處理生產(chǎn)當(dāng)中，可以更好的提高以及控制產(chǎn)品質(zhì)量。

　　本文通過工裝條件的變化闡述了熱處理變形研究。滲碳熱處理變形控制，受材料、預(yù)備熱處理、熱處理工裝、參數(shù)等諸多參數(shù)影響，最終控制方式應(yīng)采用最適合實際狀態(tài)的。

　　參考文獻略.