在齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，齒輪是整個(gè)裝置中的關(guān)鍵零件，技術(shù)規(guī)范對(duì)其要求相當(dāng)嚴(yán)格。其中齒輪在熱處理過(guò)程中的變形問(wèn)題是實(shí)踐操作中的難點(diǎn)，究其原因主要有以下幾個(gè)方面：首先，磨齒預(yù)留余量小。磨齒工藝規(guī)定的磨削余量與模數(shù)相關(guān)聯(lián)，如模數(shù)是 6 的單邊磨齒余量是 0.25mm，模數(shù)是 9.8 的單邊磨齒余量是 0.35mm。要保證磨削順利，不產(chǎn)生黑皮或者凸臺(tái)，其熱處理變形必須控制在磨削余量的數(shù)值之內(nèi);其次，影響因素多。熱處理變形涉及的影響因素非常多，例如原材料、鍛造質(zhì)量、預(yù)備熱處理的質(zhì)量、裝卡方式、熱處理工藝、熱處理設(shè)備的穩(wěn)定性等。所以，研究熱處理變形需要考慮的因素非常多，在眾多因素中必須要識(shí)別出影響齒輪變形的主要因素，針對(duì)具體情況制定相應(yīng)的措施。本文分析了實(shí)際生產(chǎn)中齒輪滲碳淬火的熱處理變形，提出有效的熱處理變形控制手段。

　　1 齒輪的結(jié)構(gòu)和熱處理工藝

　　1.1 齒輪的結(jié)構(gòu)

　　齒輪的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表 1。該齒輪直徑和齒寬的比值超過(guò) 5，腹板較薄，齒數(shù)多，在熱處理時(shí)變形趨勢(shì)大。

圖 1 齒輪結(jié)構(gòu)

表 1 齒輪參數(shù)

　　1.2 熱處理工藝

　　齒輪滲碳淬火在箱式多用爐內(nèi)進(jìn)行，熱處理工藝路線如圖 2 所示。首先進(jìn)行 430℃預(yù)氧化，然后 700℃均溫，再在 930℃滲碳，滲碳結(jié)束后隨爐降溫至 860℃均溫后出爐空冷。淬火前進(jìn)行 660℃高溫回火，然后 750℃均溫后在 840℃淬火冷卻方式是油冷。最后進(jìn)行 2 次 180℃低溫回火。由于爐子有效裝爐尺寸是長(zhǎng) 1500 mm×寬 900 mm×高 800 mm，滲碳時(shí)每爐裝 2 件，下面的齒輪用等高墊塊做 3 點(diǎn)均布支墊;淬火時(shí)將上面的齒輪翻轉(zhuǎn) 180 度后摞裝，而下面的齒輪同樣用等高墊塊 3 點(diǎn)均布支墊，見(jiàn)圖 3。

圖 2 齒輪熱處理工藝

圖 3 滲碳淬火時(shí)的齒輪裝爐方式

　　1.3 齒輪熱處理變形機(jī)理分析

　　按照上述熱處理工藝和裝爐方式進(jìn)行滲碳淬火后的 4 個(gè)齒輪變形數(shù)據(jù)如表 2 所示(滲碳后測(cè)量 0°、180°，上下表面 4 個(gè)值并做標(biāo)記，回火后測(cè)量對(duì)應(yīng)的 4 個(gè)值)。由測(cè)量所得數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，滲碳后齒輪的變形形式是橢圓畸變和錐度，淬火后的變形形式是橢圓畸變、錐變以及扭曲。現(xiàn)對(duì)橢變、錐變、扭曲 3 種變形形式分別進(jìn)行分析。

　　表 2 齒輪變形數(shù)據(jù)

　　橢圓畸變是由于原材料成分不均勻、鍛造不均勻或者熱處理裝爐時(shí)裝卡方式不當(dāng)造成齒輪受力不均勻，氣氛、熱量循環(huán)不暢而引起齒輪不對(duì)稱變形。從表 2 的數(shù)據(jù)可以看出采用圖 3 的裝爐方式滲碳和淬火后的橢圓變形并不大，只有 0～0.2mm 完全在可接受的范圍內(nèi)。

　　產(chǎn)生錐度的原因主要是齒輪在高溫狀態(tài)下保溫，自身重力會(huì)使力矩最大的輪緣處隨著時(shí)間的延長(zhǎng)不斷產(chǎn)生高溫蠕變，最終形成一種傘蓋形狀的變形。由表 1 所列數(shù)據(jù)可得滲碳和淬火之后占主導(dǎo)作用的變形是錐變，數(shù)值為 0～1mm。

　　扭曲變形一般產(chǎn)生于淬火之后，是各種變形綜合作用的結(jié)果。淬火前殘存的機(jī)加工應(yīng)力、熱處理應(yīng)力以及淬火本身的應(yīng)力相互作用導(dǎo)致齒輪產(chǎn)生扭曲。淬火時(shí)冷卻的瞬間，過(guò)冷奧氏體不能均勻的轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體也會(huì)造成扭曲變形。裝爐時(shí)齒輪支撐方式不當(dāng)，在快速冷卻時(shí)也產(chǎn)生扭曲變形。由表 2 可知扭曲產(chǎn)生于淬火后，如編號(hào) 1 齒輪淬火后錐度出現(xiàn)正和負(fù)兩個(gè)數(shù)值。

　　2 齒輪滲碳淬火變形的控制方式

　　2.1 工藝過(guò)程控制

　　為控制上述 3 種變形，在工藝中采取的措施為：

　　(1)采用430℃的預(yù)氧化方法使得工件表面均勻形成一層 Fe3O4， 這樣可以均勻的吸附還原性氣氛，獲得的滲層更加均勻，有利于改善各種畸變。

　　(2)在升溫階段要注意緩慢升溫，使工件內(nèi)、外不致于產(chǎn)生大的溫差，一般采用 70℃/h 的升溫速度，在彈塑性轉(zhuǎn)變點(diǎn)約 500℃附近更要注意緩慢升溫，否則就會(huì)由于加熱太快致使齒輪產(chǎn)生扭曲。

　　(3)升溫時(shí)在接近相變點(diǎn)的溫度設(shè)置均溫段，因?yàn)椴牧显谙嘧凕c(diǎn)附近會(huì)發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，若能提前進(jìn)行均溫，就可以使相變過(guò)程均勻穩(wěn)定且轉(zhuǎn)變加快，可以有效減少因組織轉(zhuǎn)變引起的變形。

　　(4)滲碳階段要選擇層深范圍的下限，這樣可以減少滲碳時(shí)間;在不影響滲速的前提下，選取低的滲碳溫度，如在本次工藝中選取 930℃作為滲碳溫度。這些措施可以有效較少高溫蠕變的時(shí)間。

　　(5) 淬火溫度選取時(shí)，在兼顧心部組織的前提下，按照奧氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)選取，如本次齒輪為 8822H 則選取淬火溫度為 840℃。

　　(6) 淬火冷卻過(guò)程中可以提高油溫，淬火入油時(shí)不進(jìn)行油攪拌，齒輪完全入油后進(jìn)行油攪拌，如本次工藝中油溫加熱到 70℃，淬火入油時(shí)不攪拌油的時(shí)間為 4 s，工件入油后進(jìn)行攪拌。

　　2.2 裝爐方式控制

　　齒輪裝爐方式對(duì)其變形也有很大影響。在本次工藝中采取的措施：

　　(1) 在最下面的齒輪輪轂處用等高塊進(jìn)行均布 3 點(diǎn)支墊。這是由于在實(shí)際工況下，熱處理工裝盤(pán)在反復(fù)加熱冷卻過(guò)程中自身會(huì)產(chǎn)生變形，采用 3 點(diǎn)支墊可以使工件自適應(yīng)到一個(gè)平面，從而不受工裝盤(pán)變形的影響。

　　(2) 齒輪摞裝時(shí)，內(nèi)孔要對(duì)齊，這樣可以保證齒輪受力的均勻性，減少扭曲。輪緣處要保持間隙，這樣可以使?fàn)t內(nèi)氣氛、熱量、淬火油循環(huán)均勻流暢，輪緣與輪緣之間也不會(huì)因?yàn)樽陨淼淖冃蜗嗷ピ斐啥巫冃巍?/p>

　　(3) 由圖 3 可知， 滲碳時(shí)兩件齒輪均是上端面大下端面小，在淬火時(shí)我們可以利用反變形的方法減少變形，即將上面一件齒輪翻轉(zhuǎn) 180°與下面一件上、下摞裝淬火。在淬火過(guò)程中下面一件齒輪的下端面先入油冷卻，兩個(gè)齒輪中間間隙由于工件自身熱量冷卻相對(duì)慢，上面一件齒輪的上端面油的流動(dòng)性好，且無(wú)熱源影響冷卻快。根據(jù)淬火規(guī)律，冷卻快的面會(huì)凸出尺寸變大，冷卻慢的面會(huì)變凹陷，尺寸變小。這樣可以進(jìn)一步減小齒輪滲碳時(shí)的錐度。

　　2.3 齒輪變形量的判斷

　　由于機(jī)械加工只規(guī)定了磨齒時(shí)的余量，并未說(shuō)明對(duì)應(yīng)的變形量是多少，所以在實(shí)際操作中，需要判斷控制變形后的齒輪是否滿足加工要求，還需將變形數(shù)值轉(zhuǎn)換為磨量。由圖 4 可以得出公式：

　　δ=L×sinα (1)

　　式中：δ 為理論所需的最小單邊磨齒量;橢變和錐變時(shí)，L 為橢變量或錐變量最大值的一半；扭曲時(shí)，則 L 為最大與最小錐變量和的一半；α 為齒輪的齒形角。

　　圖4 齒輪變形量與齒面磨削量的關(guān)系示意圖

　　該齒輪的工藝規(guī)定，單邊磨齒余量為 0.35 mm。按上面公式計(jì)算表 2 中的齒輪最小單邊磨齒量分別為 ：1^# 齒輪 δ =0.1sin22.5° ≈0.04 mm；2^# 齒輪 δ = 0.2sin22.5° ≈0.08 mm；3^# 齒輪 δ =0.25sin22.5° ≈0.1 mm；4^# 齒輪 δ=0.5sin22.5°≈0.2 mm，均小于規(guī)定的磨齒余量 0.35mm，滿足磨齒需求。磨齒機(jī)預(yù)磨時(shí)每次的進(jìn)刀量均為 0.05 mm， 滲碳淬火處理后進(jìn)行磨齒也均順利完成，具體磨齒齒面光亮的進(jìn)刀量如表 3 所示。

　　表3 磨齒齒面見(jiàn)亮的進(jìn)刀量

　　采取上述預(yù)防熱處理變形的措施，可以有效控制齒輪滲碳淬火產(chǎn)生的變形，使齒輪在規(guī)定磨齒余量?jī)?nèi)齒面見(jiàn)亮，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，取得了滿意的效果。

　　3 結(jié)論

　　(1)齒輪平裝時(shí)，滲碳過(guò)程的主要變形是錐變，淬火過(guò)程的主要變形是錐變和扭曲。

　　(2)滲碳淬火過(guò)程中采用預(yù)氧化工藝、緩慢升溫、相變點(diǎn)附近均溫、縮短滲碳時(shí)間、選取較低的滲碳溫度和淬火溫度、淬火入油時(shí)不攪拌、完全入油后攪拌油池，這些措施都可以減小齒輪的變形。

　　(3)淬火時(shí)，將齒輪反置 180°放置，使?jié)B碳時(shí)尺寸變小的一面處于冷卻速度快的位置，可以有效減小齒輪滲碳過(guò)程中形成的錐度。裝爐時(shí)，最下面的齒輪與料盤(pán)之間要用等高塊間隔，摞裝時(shí)要上下對(duì)齊，這樣可以保證齒輪受力的均勻性，減少扭曲。輪緣處要留間隙，避免輪緣與輪緣之間因自身的變形導(dǎo)致二次變形。

　　(4)利用公式計(jì)算齒輪變形量 δ，可以初步估算齒輪變形是否在磨齒的允許范圍之內(nèi)。