摘要：根據(jù)某型號(hào)航天器動(dòng)力齒輪用鋼的化學(xué)成分，用 JMatPro 仿真軟件計(jì)算材料的熱物性參數(shù)。根據(jù)齒輪模型及熱處理工藝參數(shù)，用 Deform 有限元軟件進(jìn)行滲碳淬火仿真分析，確定了滲碳過(guò)程中的齒面碳含量變化、淬火過(guò)程中輪齒顯微組織的變化。最后，根據(jù)人字齒輪特點(diǎn)及航天器齒輪的精度控制要求，通過(guò)改變淬火工藝參數(shù)優(yōu)化淬火后輪齒畸變情況。結(jié)果表明，當(dāng)淬火工藝為在空氣中預(yù)冷 30 s，80 ℃熱油淬火 1200 s， - 100 ℃深冷 7200 s 時(shí)，畸變量控制效果較好，符合產(chǎn)品要求。

　　隨著空間站、載人登月、深空探測(cè)等任務(wù)的推進(jìn)，航天器正在往大型化、多功能化等方向發(fā)展。空間站機(jī)械臂、火星車(chē)主動(dòng)力機(jī)構(gòu)等裝置對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)精度、傳動(dòng)扭矩提出了更高的要求。CF170、CSS?42L 等齒輪鋼因具有優(yōu)良的抗壓能力、高強(qiáng)度、高淬透性和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在航天器中得到有效應(yīng)用。但滲碳淬火導(dǎo)致的輪齒畸變問(wèn)題凸顯，嚴(yán)重制約了傳動(dòng)精度提升和系統(tǒng)性能提升。

　　由于齒輪具有較為復(fù)雜的表面形貌特征，生產(chǎn)過(guò)程中，齒輪熱處理后的殘余應(yīng)力檢測(cè)和畸變檢測(cè)耗費(fèi)巨大，通過(guò)有限元仿真分析方法可以使檢測(cè)周期大大縮短，并且達(dá)到節(jié)約成本的目的。因此，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬方法建立齒輪熱處理模型對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制成為了眾多學(xué)者的研究方向。孫思源等使用 Deform 軟件和數(shù)值分析的方法，仿真分析了齒輪滲碳淬火及深冷處理后的齒輪畸變、9310 鋼薄輻板齒輪多場(chǎng)耦合下的熱處理畸變等多項(xiàng)熱工藝問(wèn)題。Su 等研究了 15MnNi4Mo 鋼滲碳淬火的組織演變過(guò)程，利用組織位錯(cuò)提高滲碳層硬度。王延忠等使用 Deform 軟件分析了 12Cr2Ni4A 航空齒輪的淬火溫度和回火次數(shù)對(duì)齒輪性能的影響。唐夢(mèng)蘭等采用有限元法建立了 9310 鋼螺旋錐齒輪的模壓淬火過(guò)程，通過(guò)模具優(yōu)化顯著減少了齒輪畸變。張玉全等建立數(shù)學(xué)模型分析了合金元素變化對(duì) 20MnCr5 鋼齒輪滲碳淬火的溫度場(chǎng)、組織場(chǎng)和硬度場(chǎng)的作用結(jié)果。Shao 等通過(guò)仿真分析優(yōu)化提出了一種新的方法來(lái)最小化熱處理引起的跳動(dòng)值，通過(guò)增加補(bǔ)償環(huán)和支撐桿結(jié)構(gòu)可以有效地控制熱處理引起的跳動(dòng)值。Fu 等仿真分析了淬火過(guò)程中雜質(zhì)對(duì)裂紋的影響，結(jié)果表明，雜質(zhì)附近存在明顯的應(yīng)力集中，可能直接導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展。

　　目前的輪齒熱處理仿真?zhèn)戎卮慊鸷蟮妮嘄X畸變，對(duì)于人字齒輪這種兩側(cè)輪齒有對(duì)中要求的畸變控制分析較少。本文以某型號(hào)航天器動(dòng)力齒輪為研究對(duì)象，根據(jù)齒輪鋼材料成分，用 JMatPro 仿真軟件計(jì)算材料的熱物性參數(shù)。根據(jù)齒輪模型及熱處理工藝參數(shù)，在 Deform 有限元軟件中進(jìn)行滲碳淬火仿真分析。最后，根據(jù)人字齒輪特點(diǎn)及航天器齒輪的精度控制要求，通過(guò)改變淬火工藝參數(shù)優(yōu)化淬火后輪齒畸變量，為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

　　一、齒輪及熱處理工藝簡(jiǎn)介

　　幾何模型

　　本文以某型號(hào)航天器人字齒輪為研究對(duì)象，齒輪結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，主要參數(shù)如表 1 所示。

　　材料成分

　　本文中選用的齒輪材料為 CSS?42L 低碳高合金滲碳鋼，其化學(xué)成分如表 2 所示。

　　熱處理工藝

　　CSS?42L 鋼人字齒輪熱處理工藝主要包括正火、淬火、回火、滲碳、二次淬火、深冷處理、低溫回火等流程，具體熱處理工藝如圖 2 所示。

　　材料熱物性參數(shù)

　　基于 JMatPro 仿真軟件，計(jì)算 CSS-42 L鋼在含碳量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0.13% 、0.6% 、0.8% 及1.0% 4 種情況下的過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)(TTT圖)如圖 3 所示。同時(shí)建立 CSS?42L 鋼材料性能參數(shù)曲線(xiàn)，其熱物性參數(shù)如圖 4 所示。

　　二、熱處理仿真分析

　　滲碳過(guò)程仿真分析

　　將齒輪模型及 CSS?42L 鋼的熱物性參數(shù)導(dǎo)入到 Deform 軟件中進(jìn)行熱處理仿真分析。圖 5 為人字齒輪切分半齒剖面的碳含量云圖及人字齒輪不同部位碳含量梯度曲線(xiàn)圖，經(jīng)過(guò)完整的滲碳工藝后，齒輪齒頂、齒根及齒面中心點(diǎn)表面的碳含量差異較小，碳含量分布較為穩(wěn)定。其中：①人字齒輪齒頂部位表面碳含量最高，達(dá)到了約 0.9% ，高于齒面中心及齒根表面位置的碳含量，這是由于尖角效應(yīng)的影響，在加熱過(guò)程中，該部位升溫較快，其表面的碳原子最先進(jìn)入活性狀態(tài)，因此導(dǎo)致最終碳含量較高;②人字齒輪齒根位置的碳含量最低，達(dá)到了約0.8% ，由于該位置處幾何形狀呈向內(nèi)凹陷的結(jié)構(gòu)，升溫較慢，且此位置靠近齒輪心部，其表面的碳原子進(jìn)入活性狀態(tài)所需要的時(shí)間較長(zhǎng)，碳原子擴(kuò)散速率較低，因此在人字齒輪齒根處的碳含量最低;③由于從人字齒輪齒面到齒輪底面的幾何形狀變化相對(duì)較小，此兩處部位的碳原子濃度相近，齒面上的碳含量代表了齒輪大部分區(qū)域，達(dá)到了約 0.85% 。

　　經(jīng)滲碳工藝處理后，由仿真結(jié)果可知，齒頂、齒面及齒根表層上的碳含量呈現(xiàn)逐步遞減的分布規(guī)律。此外，3 個(gè)位置處的碳含量隨著深度增加，在輪齒亞表層結(jié)構(gòu)中，碳含量也呈逐漸下降的趨勢(shì)。

　　淬火過(guò)程仿真分析

　　圖6 為人字齒輪切分半齒剖面淬火后的組織分布情況，可知，人字齒輪經(jīng)淬火處理后，輪齒的顯微組織中有極少量的珠光體，其心部組織主要為少量貝氏體 + 低碳馬氏體，輪齒表層組織主要為少量殘留奧氏體 + 高碳馬氏體。由于高碳的奧氏體穩(wěn)定性良好，因此輪齒表面經(jīng)過(guò)滲碳處理并冷卻至室溫后，齒面滲碳層中總會(huì)有大量殘留奧氏體存在，滲碳后直接淬火試樣的滲碳層中有 30% ～ 35% 殘留奧氏體，奧氏體會(huì)顯著降低齒面硬度，因此需要通過(guò)二次加熱淬火工藝減少殘留奧氏體含量。

　　三、人字齒輪淬火工藝優(yōu)化及畸變控制

　　人字齒輪經(jīng)滲碳淬火熱處理工藝后，由于顯微組織的變化而產(chǎn)生了畸變，由于人字齒輪結(jié)構(gòu)的特殊性，熱處理畸變仿真?zhèn)戎匮芯科湔短幎嗣嬉约拜嘄X外側(cè)端面齒廓的畸變情況。

　　淬火工藝是影響人字齒輪輪齒畸變的主要工藝之一，淬火冷卻時(shí)長(zhǎng)、淬火溫度以及淬火方式均會(huì)對(duì)人字齒輪熱處理后畸變情況產(chǎn)生較大的影響，因此，通過(guò)改變淬火工藝參數(shù)來(lái)分析不同工藝淬火處理后人字齒輪輪齒畸變情況，表 3 為制定的淬火工藝方案。

　　人字齒輪窄隙空刀槽處畸變仿真結(jié)果分析

　　圖 7 為不同淬火工藝下人字齒輪窄隙結(jié)構(gòu)處畸變情況仿真結(jié)果，可知，人字齒輪窄隙結(jié)構(gòu)處發(fā)生了平面度變化，且兩側(cè)齒頂位置由于輪齒的畸變而導(dǎo)致窄隙寬度變窄。

　　表 4 為 3 種淬火工藝窄隙變化量結(jié)果，由表 4 可知，工藝 1、2、3 齒頂端窄隙寬度變化量分別約為 -0.019、-0.011及-0.013 mm，平面度變化分別約為 0.091°、0.053°及 0.062°，而人字齒輪經(jīng) 3 種淬火工藝后均沒(méi)有產(chǎn)生較大對(duì)中誤差。3 種工藝中，經(jīng)工藝 2 處理后，人字齒輪齒頂端窄隙寬度變化量最小，且平面度變化不大，對(duì)比工藝 1 及工藝 3 的熱處理仿真結(jié)果而言，工藝 2 能更好地控制人字齒輪熱處理畸變量。

　　人字齒輪齒廓畸變仿真結(jié)果分析

　　圖 8 是人字齒輪經(jīng) 3 種淬火工藝處理后單側(cè)斜齒整體畸變量分布云圖，可知，人字齒輪單側(cè)斜齒最大畸變量出現(xiàn)在齒輪端面處，而在靠近人字齒輪窄隙端，輪齒幾乎沒(méi)有發(fā)生畸變，3 種工藝處理后，其最大畸變量分別為 0.341、0.310 及 0.333 mm，相比較而言，工藝 2能更好地控制人字齒輪熱處理后的畸變。

　　圖 9 為人字齒輪經(jīng) 3 種淬火工藝處理后，輪齒端面齒廓畸變情況，可知，人字齒輪端面處的輪齒齒廓均有不同程度的膨脹，這是由于在端面處輪齒表面含有更多的晶粒粗大的殘留奧氏體，導(dǎo)致輪齒體積有少量的增大，且最大畸變量出現(xiàn)在齒頂位置，通過(guò)測(cè)量，輪齒經(jīng)過(guò)工藝 1、工藝 2、工藝 3 淬火后，其齒廓最大畸變量分別約為 0.36、0.26 及 0.33 mm。

　　圖 10 為人字齒輪經(jīng) 3 種淬火工藝處理后，人字齒輪窄隙處輪齒齒廓畸變情況，可知，經(jīng)工藝 1 處理后，窄隙處輪齒齒廓幾乎未發(fā)生畸變，而經(jīng)工藝 2、工藝 3 處理后，輪齒齒廓均有不同程度的收縮，這是由于在窄隙處，輪齒表面馬氏體含量更高，同時(shí)殘留奧氏體量較少，導(dǎo)致晶粒收縮，因此輪齒齒廓有少量收縮，經(jīng)過(guò)測(cè)量，經(jīng)工藝 2 淬火后，人字齒輪窄隙處輪齒齒廓最大收縮量約為 -0.31 mm，經(jīng)工藝 3 淬火后，人字齒輪窄隙處輪齒齒廓最大收縮量約為 -0.42 mm。

　　四、結(jié)論

　　1)根據(jù)材料成分，基于 JMatPro 軟件計(jì)算材料的熱物性參數(shù)，再將模型和熱物性參數(shù)導(dǎo)入到 Deform 中 可以很好地模擬齒輪的滲碳淬火等熱處理工藝。由某型號(hào)航天器齒輪滲碳仿真結(jié)果可知：齒頂、齒面及齒根表層上的碳含量從 0.9% 到 0.8% ，呈現(xiàn)逐步遞減的分布規(guī)律。隨著深度的增加，在輪齒亞表層結(jié)構(gòu)中，碳含量也呈逐漸下降的趨勢(shì)。由淬火仿真結(jié)果可知：滲碳后直接淬火試樣的滲碳層中有 30% ～ 35% 殘留奧氏體，奧氏體會(huì)顯著降低齒面硬度，因此需要通過(guò)二次加熱淬火工藝減少殘留奧氏體含量。

　　2) 通過(guò)不同的淬火工藝分析可知，該人字齒輪在工藝2(空冷30 s，80 ℃熱油淬火1200 s，- 100 ℃深冷 7200 s)情況下，齒頂端窄隙寬度變化量 - 0. 011 mm，平面角度變化量0. 053°，兩側(cè)輪齒對(duì)中誤差0. 002 mm，齒廓最大畸變量 0. 26 mm，窄隙處輪齒齒廓最大收縮量為 - 0. 31 mm，畸變量控制效果最優(yōu)。

　　參考文獻(xiàn)略.