齿轮热处理变形的控制

明显的变形量产生于热处理工序， 淬火加热的工艺 状况决定工件奥氏体化程度， 与淬火原始组织、装炉方
７４ 机械工程师 ２００８ 年第 ５ 期
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工艺 ／ 工装 ／ 诊断 ／ 检测 ／ 维修 ／ 改造 Ｓ ＯＬＵＴＩＯＮ
式 、炉 温 均 匀 性 、冷 却 条 件 密 切 相 关 。原 始 组 织 细 小 均 匀 、 装料 均 匀 、炉 温 均 匀 、冷 却 条 件 较 好 ， 可 以减 少 淬 火 时 的 热应力和组织应力， 减小淬火变形。 ２．２ 装炉方式和淬火温度
（ １） 控 制 热 处 理 变 形 ， 需 要 从 设 计 、选 材 、机 加 工 工 艺、热处理工艺等方面共同改进， 结合生产实际提出切实 可行的预防措施和解决办法。
（ ２） 渗碳淬火采用计算机动态碳势控制系统， 渗碳齿 轮质量和热处理变形的控制得到根本改进。
（ ３） 使用新型专用淬火油， 改变了一直用 Ｎ３２ 机械油 作淬火油的历史， 可以在满足零件组织性能要求情况下， 减小齿轮的变形量。
（ １．Ａｎｈｕｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ， Ｈｅｆｅｉ ２３００２２， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈｅｆｅｉ ２３０００９， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｆｕｌｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｕｍｍａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｍａｄｅ， ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｇｉｖｅｎ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅａｒ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ． Ｔｈｅ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ａｆｔｅｒ ｈｅａｔ－ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｂｙ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈａｒｔ ｉｎ ｇｅａｒ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｒａｔｉｏｎａｌ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ， ｒａｔｉｏｎａｌ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ｏｉｌｓ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｓｏｍｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｐａｒｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ； ｇｅａｒｓ； ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ
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Ｓ ＯＬＵＴＩＯＮ 工艺 ／ 工装 ／ 诊断 ／ 检测 ／ 维修 ／ 改造
齿轮热处理变形的控制
雷 声 １， ２ （ １．安徽建筑工业学院， 合肥 ２３００２２； ２．合肥工业大学， 合肥 ２３０００９）
摘 要： 对影响齿轮热处理变形的各种因素进行了全面分析和总结， 提出了解决齿轮零件热处理变形的具体措施。通过
表 ２ 不同淬火条件下的齿轮齿形齿向变形量
齿轮编号
淬火油
１ ＨＳＦＤ
２ （ １２０℃）
３ ４
Ｎ３２ ５
（ ８０℃） ６
齿形（ 级别）
热前 热后
１０
１０
９
９
１０
１１
１０
１１
８
１０
９
９
齿向（ 级别）
热前 热后
９
１０
９
９
１１
１０
９
１１
８
１０
９
１１
使用分级淬火油， 可以在满足零件组织性能要求情 况下， 减小齿轮的变形量。 ４结论
所选择的加工工艺哪些是影响齿轮热处理的重要指 标， 如何将这些指标纳入控制系统， 这是一个系统工程。 我们研究的特点就是将热处理变形问题与生产的各个环 节相联系， 期望通过研究， 建立起对生产过程系统变形控 制的方法， 全方位解决热处理变形问题。
为了减少齿轮热处理变形， 我们开展了 ３ 个方面的 工作：（ １） 各工序影响热处理变形的因素及变形控制；（ ２） 渗碳井式炉上采用计算机动态碳势控制系统；（ ３） 改变齿 轮淬火冷却介质， 采用等温淬火油。 １ 渗碳淬火前的影响因素及变形控制
统计方法的应用， 合理的热处理工艺， 等温淬火油的使用， 达到减小齿轮变形的目的， 为同类零件的热处理提供了借鉴
经验。
关键词： 热处理； 齿轮； 变形
中图分类号： ＴＧ１５７
文wenku.baidu.com标识码： Ａ
文章编号： １００２－ ２３３３（ ２００８） ０５－ ００７４－ ０３
Ｄｉｓｔｏｒ ｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒ ｏｌ ｉｎ Ｈｅａｔ Ｔｒ ｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｇｅａｒ ｓ ＬＥＩ Ｓｈｅｎｇ１， ２
由表 １ 中可以看出， 用分级淬火油相对于机械油， 其 花键孔直径热前热后差值有所减小， 公法线长度热前热 后差值也有所减小。
表 １ 不同淬火介质、淬火液温度下的齿轮变形量
淬火油
花 键 孔／ｍｍ
公 法 线 长 度／ｍｍ
油品 Ｎ３２
ＨＳＦＤ
油温 热前 室温 ２５．１７０ ８０℃ ２５．１７５ 室温 ２５．１６５ ６０℃ ２５．１８５ ８０℃ ２５．１６５ １００℃ ２５．１６５ １２０℃ ２５．１８５
对比热处理实验， 其两种油品及不同的油温淬火条件下 取样数量都为 １０ 件。
等温淬火油相对于 Ｎ３２ 机械油， 具有较短蒸汽膜阶 段， 更快的高温冷速和合适的低温冷速［５］。通过对同一材 料在相同的奥氏体化条件下， 采用两种用于齿轮淬火冷 却的淬火介质的对比实验分析， 讨论了淬火介质的冷却 特性对齿轮性能和尺寸变化的影响。结果表明， 等温淬火 油可以起到替代 Ｎ３２ 机械油的作用， 并成功地用于齿轮 生 产 ， 热 处 理 以 后 ， 不 仅 组织 结 构 、机 械 性 能 可 以 满 足 要 求， 而且可以减小齿轮变形。
系统至今已运行了一年多， 其热处理加工零件全部 合格， 齿轮的微观金相组织都符合各项性能指标， 每炉零 件的表面碳浓度、渗层深度都一样， 变形也基本一样。变 形有规律， 就容易控制了。 ３ 改变齿轮淬火冷却介质， 采用等温淬火油
淬火介质是实施淬火工艺过程的重要保证， 对热处 理后工件的质量影响很大。随着我国科学技术的飞速发 展 ， 各种 专 用 淬 火 油 、分 级 淬 火 油 大 量 出 现， 必 将 改 变 半 个 多 世 纪 以 来 单 纯 用 水 、机 油 等 非 专 用 淬 火 介 质 的 局 面 。
渗碳齿轮的表面碳浓度， 渗层深度会对渗层组织的 膨胀系数产生影响， 渗碳齿轮的表面碳浓度， 渗层深度不 同时， 其公法线的变形就不一样。如果渗碳时不对炉气碳 势及工艺过程进行严格控制， 每炉零件的表面碳浓度， 渗 层深度都不一样， 而且波动很大， 就会造成齿轮变形没有 规律。我们过去的渗碳方法主要是凭经验， 除自动控制温 度外 ， 其 渗 碳 剂 煤 油 、甲 醇 滴 入 量 则 凭 经验 加 入 ， 以 此 估 计炉气气氛和渗碳速度， 渗层深度靠吊孔试样测量， 所以 每炉零件的表面碳浓度， 渗层深度都有差异。而微机控制 渗碳方法则是利用微机连续采集炉温、炉内炉气含量值 模 拟 计 算 炉 气 碳 势 、表 面 碳 势 、渗 层 碳 浓 度 分 布 和 渗 层 深 度， 并在软件支持下， 自动调节炉温， 渗碳剂甲醇的滴入 量， 使工件获得理想碳势和碳浓度分布。
经过调研， 在渗碳井式炉上采用了计算机动态碳势 控制系统。微机控制碳势的过程实质上是控制 ３ 个参数： 控制 温 度 ； 通 过 控 制 富 化 气 的 滴 量 来 控 制 ＣＰ（ 碳 势） ； 控 制碳化时间， 要求渗碳浓度分布正确控制， 渗层内各点的 控制精度为 ０．０５％Ｃ， 渗碳齿轮的节圆、齿顶、齿根等不同 部位都能获得理想的浓度分布和渗层组织。
齿轮的锻造过程中质量不稳定， 出现不平衡组织， 硬 度偏差过大， 不仅给机械加工带来困难， 降低了加工精 度， 增加了加工成本， 还使热处理变形难以控制。
下料前要检验材料及坯料晶粒度， 材料的夹杂物， 钢 的化学成分。材料不同， 变形也不同； 即使是同种材料， 由 于不是同一炉号的材料， 其含碳量及淬透性不一样， 变形 也略有不同， 尽可能小的淬透性宽度波动将有利于齿轮 热处理变形的控制， 而组织粗大和带状组织严重将使变 形 较 大 ［ ２］ 。
通过调研， 我们决定 采 用 重 庆 海 森 公 司的 ＨＳＦＤ－ ２ 型分级等温淬火油与 Ｎ３２ 机械油进行对比试验， 以确定 对齿轮组织性能的影响， 及确定减小畸变的效果。
为了保证所有实验产品均处在相同的材料和相同的 热处理工艺规范条件下， 所有实验产品经打字编号后放 在同一炉中进行碳氮共渗处理， 然后分批分段取出， 在 Ｎ３２ 机 械 油（ 室 温 、８０℃两 种） 和 ＨＳＦＤ－ ２ 型 分 级 等 温 淬 火油（ 室温、６０℃、８０℃、１００℃、１２０℃共 ５ 种） 中淬火， 进行
对于热处理变形的产生， 至今尚没有用来分析和解 决实际工件热处理变形的系统而实用的方法。因此， 一方 面， 应加强理论研究， 正确地模拟齿轮的热处理变形过 程， 分析各种因素的影响机理， 为解决变形问题提供理论 依据。另一方面， 各厂应根据自己的实际情况， 有针对性 地摸索出各种因素对齿轮变形的影响规律， 有效地减少 齿轮的热处理变形。
在机加工工序， 选择齿轮公法线尺寸为主要的质量
控制目标， 产品的技术要求（ 公差范围） 为主要依据。从控 制图中可以得到加工误差在整个加工过程中的变化规律 及工序能力是否稳定。
车加 工 多 为 单 机 操 作 ， 由 于 机 床 状 态 、液 压 力 调 整 、 刀架调整、刀具修磨及进给量等因素的变化， 批产品中切 削应力差异很大。因此， 车坯质量管理主要在于加强工序 质量 管 理 ， 严 格 控 制 夹 具 夹 紧 、刀 架 进 给液 压 力 、控 制 刀 具修磨和切削参数。通过改进机加工工艺， 加工变形量得 到 有 效 控 制 ［ １］ 。 １．２ 提高齿轮的锻坯质量
热后 差值 ２５．１１３ － ０．０５７ ２５．１２５ － ０．０５０ ２５．１２９ － ０．０３６ ２５．１４５ － ０．０４０ ２５．１２５ － ０．０４０ ２５．１２５ － ０．０４０ ２５．１４５ － ０．０４０
热前 １９．９２２ １９．９２５ １９．９３０ １９．９２０ １９．９１６ １９．９３０ １９．９２０
齿轮通常采用正火处理， 细小均匀的正火组织为提 高 淬 火 质 量 控 制 水 平 作 好 了 准 备 。正 火 组 织 的 均 匀 性 、晶 粒 度 、正 火 硬 度 、冷 却 方 式 造 成 的 硬 度 超 差 等 对 渗 碳 淬 火 后的变形有一定影响。应当严格工艺纪律。 ２ 渗碳淬火加热的影响因素及变形控制 ２．１ 渗碳淬火加热的影响因素
热后 １９．９５１ １９．９４７ １９．９５０ １９．９４０ １９．９３１ １９．９４５ １９．９３８
差值 ＋０．０２５ ＋０．０２２ ＋０．０２０ ＋０．０２０ ＋０．０１５ ＋０．０１５ ＋０．０１８
由表 ２ 可以看出， 分级淬火油经 １２０℃分级淬火后， 齿轮的齿形、齿向其热前热后几乎没变化， 而 Ｎ３２ 机械油 经 ８０℃油温淬火后， 齿形、齿向其热前热后变化相差两 级， 变形较大。
为了有效地控制和减少齿轮热处理变形和变形量波 动范围， 在重点加强热处理工序的质量管理的同时， 采用 适当的统计工具对各工序变形的测量结果进行分析， 在 每道工序绘制控制图， 分析不合格品的产生质量控制原 因， 制订因果图和对策表。通过统计分析， 寻找与变形量 变化关联度最大的因素。通过批产品之间和各时间段之 间统计数据的对比分析， 找出可能改进的方向， 制订减少 淬火变形的目标。 １．１ 改进车加工工序质量管理
工件各部位冷却的不同步， 决定了工件存在内应力， 在一定条件下会产生变形。应使工件均匀排放在有效加 热区内， 防止炉内工件出现不规则堆叠。共渗温度与淬火 温度对变形有很大影响， 共渗温度与淬火温度越高， 花键 孔的收缩量越大， 且淬火温度的影响更明显。这是因为淬 火温度越高， 产生的组织应力越大， 变形越大， 但淬火温 度不宜过低， 否则共渗层会出现非马氏体组织， 对零件的 性 能 不 利 ［ ３］ 。 ２．３ 渗碳井式炉上采用计算机动态碳势控制系统