內(nèi)齒圈是減速器輸出端行星減速機(jī)構(gòu)的重要零部件，齒圈精度不僅影響行星架中行星輪的運(yùn)動(dòng)精度及相配軸承使用壽命，且對(duì)輸出軸的回轉(zhuǎn)精度造成很大影響。目前，中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司生產(chǎn)的礦用減速器主要用于煤礦井下刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)等設(shè)備。隨著設(shè)備功率不斷增大，內(nèi)齒圈精度偏低，造成了承載能力降低、噪聲大、浮動(dòng)油封漏油等問題，影響了產(chǎn)品質(zhì)量。內(nèi)齒圈采用氮化、磨齒工藝，可以提高齒輪精度，增加齒輪承載能力，使傳動(dòng)平穩(wěn)、噪音小、壽命長(zhǎng)，也是提高輸出端運(yùn)動(dòng)精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，能有效提高產(chǎn)品質(zhì)量和壽命。

　　1 加工工藝存在問題分析

　　設(shè)計(jì)參數(shù)及要求：內(nèi)齒圈材料選用 42CrMo，整體進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)硬度 HB280～320。齒面氮化處理，齒面硬度不低于 HV600，氮化層深度 0.4～0.5 mm。齒部精度要求國(guó)標(biāo) 6 級(jí)。某型號(hào)內(nèi)齒圈結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1 某型號(hào)內(nèi)齒圈結(jié)構(gòu)示意圖

　　內(nèi)齒圈主要參數(shù)：

　　內(nèi)齒圈工藝及存在問題：

　　(1)目前內(nèi)齒圈加工工藝鍛造毛坯→正火→粗車→調(diào)質(zhì)→半精車→鉆孔→高溫時(shí)效→半精車→銑齒→半精插齒→立磨→精插齒→齒面氮化→精車。內(nèi)齒圈熱處理工藝曲線如圖 2 所示。

圖 2 內(nèi)齒圈原熱處理工藝曲線

　　(2)存在的問題

　　由于插齒加工精度較低，且受刀具、工裝、機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度的影響較大，不能完全滿足圖紙精度要求，且氮化處理后齒圈有一定熱變形，齒部精度進(jìn)一步下降。對(duì)于外圓在準(zhǔn)1000 mm 以上的齒圈，氮化后變形控制不穩(wěn)定，曾出現(xiàn)變形過大、棒間距超差的情況。內(nèi)齒圈安裝使用后會(huì)造成行星架回轉(zhuǎn)偏心，對(duì)減速器輸出端軸承、浮動(dòng)油封造成不利影響;嚙合過程中產(chǎn)生振動(dòng)、沖擊，導(dǎo)致傳動(dòng)精度差，承載能力下降。

　　2 氮化、磨齒加工工藝分析

　　加工中的關(guān)鍵問題分析：內(nèi)齒圈的外徑和內(nèi)徑較大，壁厚較薄，加工及熱處理容易產(chǎn)生變形。內(nèi)齒圈工藝流程較長(zhǎng)，涉及到 3 次熱處理，合理調(diào)整工序以及熱處理參數(shù)，減少變形，將氮化后的變形控制在磨齒余量之內(nèi)是問題的關(guān)鍵。如果磨齒余量過大，表面硬度和有效氮化層深度將無法保證。

　　控制變形問題所采取的措施：

　　(1)作為預(yù)先熱處理，調(diào)質(zhì)工序必須進(jìn)行得充分。將原工藝先進(jìn)行調(diào)質(zhì)改為先進(jìn)行粗開齒后進(jìn)行調(diào)質(zhì)，這樣齒部調(diào)質(zhì)硬度更均勻，保證磨齒后有效氮化層深度及硬度要求。

　　由于原調(diào)質(zhì)工藝采用淬火油淬火，高溫回火溫度在 520～540 ℃，調(diào)質(zhì)后硬度相對(duì)偏低。為了不影響高溫時(shí)效的溫度，將淬火介質(zhì)由油淬改為淬火液淬火，提高高溫回火溫度至560~580 ℃。

　　(2)高溫時(shí)效作為齒圈氮化前必不可少的重要環(huán)節(jié)，對(duì)后續(xù)氮化變形、氮化層硬度及深度有影響。原高溫時(shí)效溫度在 520 ℃，保溫 4.5 h。由于改進(jìn)后的工藝提高了高溫回火溫度，將高溫時(shí)效溫度提高至 540~560 ℃，同時(shí)提高了保溫時(shí)間至 7 h。

　　(3)氮化的控制 齒面氮化采用氣體氮化，氮化溫度由原工藝的 500 ℃提高到 520 ℃，保溫時(shí)間大于 80 h。

　　(4)由于改進(jìn)工藝需增加磨齒工序，為了控制氮化后變形量，將磨齒工序分為粗、精 2 次完成。在氮化之前進(jìn)行粗磨齒工序，消除齒面變形量，避免氮化后磨削余量過大。

　　磨削余量的確定： 氮化層表面的白亮層最硬，但很薄，在白亮層磨掉后，隨著氮化層深度的加深，工件硬度從表面到芯部下降是逐漸加快的。因此，磨削余量不能太大，在加工過程中必須控制好變形量。粗磨齒前跨棒距留余量約 3 mm，精磨齒前的跨棒距留余量控制在 0.6~0.8 mm，齒單邊留余量約為 0.1~0.15 mm。

　　3 工藝方案的改進(jìn)

　　基于上述分析，最終確定了內(nèi)齒圈氮化、磨齒的工藝方案：正火→粗車→粗開齒→調(diào)質(zhì)→半精車→ 半精插齒→立磨→精插齒(棒間距留磨量)→高溫時(shí)效→精車→粗磨齒→齒面氮化→二次精車(兩端面及止口)→鉆孔→立磨 (精磨兩端面及止口)→精磨齒→探傷。

　　4 工藝驗(yàn)證

　　按照氮化、磨齒工藝進(jìn)行工藝驗(yàn)證，對(duì)工件及試塊進(jìn)行了檢測(cè)。工件檢測(cè)內(nèi)容包括表面硬度、幾何尺寸等。試塊檢測(cè)包括：表面硬度、有效硬化層深度、有效硬化層硬度梯度值、脆性、疏松、白亮層深度等。試塊采用隨爐試棒，試棒氮化后切割成試塊進(jìn)行各項(xiàng)檢測(cè)。

　　(1)工件檢測(cè)

　　表面硬度檢測(cè)主要以試塊作為檢測(cè)依據(jù)，工件檢測(cè)作為參照。由于工件齒面不平，將氮化后齒寬端面磨掉 0.1 mm，進(jìn)行硬度測(cè)試。調(diào)質(zhì)硬度為 HB310~ 314，氮化硬度為 HV615~620，磨去0.1 mm 后硬度為 HV560~570。工件硬度值及實(shí)測(cè)各項(xiàng)幾何尺寸均符合設(shè)計(jì)要求。工件的主要幾何尺寸如表 1 所示。

表 1 工件的主要幾何尺寸(mm)

　　(2)試塊氮化檢測(cè)結(jié)果

　　試塊氮化檢測(cè)結(jié)果如表 2、表 3 所示。由表 3 可看出，氮化層硬度衰減是相當(dāng)大的，而且表面白亮層磨掉后，硬度大幅下降，距表面 0.1 mm 處硬度即為磨齒后硬度，相比氮化后表面硬度，減小了約HV60。因此，控制好變形量是尤其關(guān)鍵的。氮化層深度及表面硬度均符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，試塊表面硬度檢測(cè)結(jié)果也與工件氮化后及精磨后的表面硬度測(cè)試結(jié)果相符。

表 2 試塊氮化層深度檢測(cè)結(jié)果　　

　　(3)齒部精度檢測(cè)數(shù)據(jù)

　　用 NIES 齒輪測(cè)量系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)工件進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表 4 所示。分別對(duì)第 1 齒、第 28 齒、第 55 齒的左、右面進(jìn)行檢測(cè)，作為整個(gè)齒輪的檢測(cè)結(jié)果。通過表 4 數(shù)據(jù)可以看出，按照國(guó)標(biāo) 6 級(jí)精度要求，齒形公差為 22 μm，而實(shí)際選定的 3 個(gè)齒的左、右齒面測(cè)量結(jié)果，齒形公差均低于 22 μm。同樣，齒向公差、齒距累積公差、徑跳公差結(jié)果也與齒形公差一致，均低于國(guó)標(biāo) 6 級(jí)精度對(duì)應(yīng)公差值。所以，齒輪各參數(shù)測(cè)量結(jié)果均高于國(guó)標(biāo) 6 級(jí)要求。

表 4 齒部精度檢測(cè)數(shù)據(jù)(μm)

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　針對(duì)目前礦用減速器內(nèi)齒圈插齒、 氮化工藝精度低的問題，提出了氮化、磨齒的新工藝，通過對(duì)關(guān)鍵問題分析，調(diào)整原工藝中調(diào)質(zhì)、時(shí)效及氮化的工藝參數(shù)，增加粗、精磨齒工序，合理調(diào)整工序，確定磨削余量，以控制好氮化變形量，最終確定了氮化、磨齒的新工藝方案。對(duì)新工藝進(jìn)行了工藝驗(yàn)證，結(jié)果表明，齒圈的氮化變形量控制較好，氮化后及磨齒后的工件表面硬度均符合設(shè)計(jì)要求，工件齒部精度明顯高于設(shè)計(jì)要求的國(guó)標(biāo) 6 級(jí)精度，試塊檢驗(yàn)硬度、氮化層深度等各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。