滲碳淬火齒輪的應(yīng)用較為廣泛，但齒輪在滲碳淬火中產(chǎn)生畸變也是一種普遍現(xiàn)象。引起齒輪熱處理畸變的原因是多方面的，如材質(zhì)、齒輪幾何形狀、冷熱加工工藝等。針對(duì)這些原因，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，提出了減小滲碳淬火齒輪畸變的一些措施。對(duì)于不可避免畸變的齒輪，可通過(guò)預(yù)留機(jī)加工余量的方法來(lái)補(bǔ)償齒輪的畸變。

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對(duì)齒輪傳動(dòng)精度的要求越來(lái)越高，既要求承載能力高，使用壽命長(zhǎng)，安全可靠，同時(shí)還要求體積小、重量輕，傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲低，這在近年來(lái)蓬勃發(fā)展的風(fēng)能發(fā)電機(jī)齒輪箱上得到了體現(xiàn)。而能達(dá)到以上各項(xiàng)要求的只有滲碳淬火并磨齒的齒輪。然而，滲碳淬火畸變卻一直是我國(guó)齒輪生產(chǎn)中需要攻克的一道難關(guān)。滲碳淬火畸變不僅影響齒輪的精度，而且還對(duì)齒輪強(qiáng)度產(chǎn)生影響。通常，為了保持齒根的殘余應(yīng)力，滲碳淬火齒輪只磨削有效齒面而不磨削齒根的過(guò)渡曲線部分。但由于熱處理產(chǎn)生不均勻畸變，一部分輪齒磨削后在有效齒面與齒根過(guò)渡曲線部分之間形成了“磨削臺(tái)階”。磨削臺(tái)階一方面使輪齒漸開(kāi)線工作長(zhǎng)度縮短、重疊系數(shù)下降、嚙合沖擊增大，影響傳動(dòng)質(zhì)量(振動(dòng)、噪聲)，另一方面由于臺(tái)階處圓角很小，應(yīng)力集中可能十分嚴(yán)重，而且砂輪邊緣在磨削時(shí)產(chǎn)生的高溫可能使“臺(tái)階”處硬度降低、強(qiáng)度下降，所以帶“臺(tái)階”的齒輪在服役過(guò)程中往往會(huì)在臺(tái)階處首先產(chǎn)生疲勞裂紋，再逐漸擴(kuò)展而造成輪齒折斷。因此，減小滲碳淬火畸變形就成為當(dāng)今齒輪熱處理生產(chǎn)中亟待解決的技術(shù)難題。

1、熱處理應(yīng)力與畸變

工件在加熱和冷卻時(shí)，一方面由于其內(nèi)外不可避免地存在一定的溫差而引起比體積差，同時(shí)表面和心部的不同時(shí)相變也會(huì)造成比體積差，這是產(chǎn)生熱處理應(yīng)力的根本原因。由于工件內(nèi)外溫差所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力謂之熱應(yīng)力，由工件內(nèi)外組織轉(zhuǎn)變不同時(shí)而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力謂之組織應(yīng)力。而工件熱處理后的殘余應(yīng)力則是熱應(yīng)力和組織應(yīng)力綜合作用迭加的結(jié)果。由熱處理所造成的畸變一般可分為如下三種類(lèi)型：體積變化、形狀對(duì)稱(chēng)變化和扭曲。體積變化是指形狀不變，通常只是各部分的尺寸發(fā)生同樣伸縮的情況。形狀對(duì)稱(chēng)變化是在不同的方向上，分別出現(xiàn)對(duì)稱(chēng)性的尺寸變化；扭曲則是非對(duì)稱(chēng)性的形狀變化。三種類(lèi)型的形狀變化示意地表示于圖1。

圖1 熱處理畸變類(lèi)型示意圖

(a)體積變化；(b)形狀對(duì)稱(chēng)變化；(C)扭曲

2、影響齒輪熱處理畸變的因素

齒輪的熱處理畸變還與機(jī)械加工密切相關(guān)。機(jī)械加工在金屬中產(chǎn)生加工應(yīng)力，特別是由于切削工藝不當(dāng)、刀具用鈍等因素的影響，會(huì)造成更復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，所以其變形傾向也不相同。采用插齒、滾齒和擠齒三種工藝加工的齒輪熱處理后的齒向精度列于表1，進(jìn)一步證實(shí)了加工應(yīng)力對(duì)齒輪熱處理畸變的影響。

表1 用不同工藝機(jī)加工的齒輪的最大齒向誤差／mm

齒輪熱處理畸變涉及到從設(shè)計(jì)到制造的整個(gè)工藝過(guò)程，影響因素多而復(fù)雜。零件的結(jié)構(gòu)(形狀、尺寸)是影響畸變大小的一個(gè)重要因素。斷面尺寸是否均勻?qū)ΨQ(chēng)及內(nèi)孔與外徑之間的尺寸比例都對(duì)應(yīng)力的性質(zhì)、大小及分布產(chǎn)生影響。一般說(shuō)，形狀簡(jiǎn)單，對(duì)稱(chēng)性強(qiáng)，直徑不大，各部分厚薄較均勻的齒輪熱處理畸變較小；反之，形狀復(fù)雜、不對(duì)稱(chēng)、外徑大、厚薄相差大的齒輪熱處理畸變就較大。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐總結(jié)的齒輪結(jié)構(gòu)形狀對(duì)熱處理畸變的影響如表2所示。

3、齒輪熱處理畸變及預(yù)留加工余量

當(dāng)通過(guò)質(zhì)量管理措施將齒輪畸變量波動(dòng)控制在一定范圍之后，便可在齒輪生產(chǎn)中實(shí)施熱處理前的加工尺寸調(diào)整，即預(yù)留加工余量。掌握熱處理畸變規(guī)律，在熱處理前調(diào)整齒輪的加工尺寸，以補(bǔ)償熱處理畸變，這是批量生產(chǎn)齒輪常用的方法。生產(chǎn)中常用50件齒輪在確定的條件下進(jìn)行冷加工和熱處理，經(jīng)過(guò)對(duì)熱處理前后齒輪各幾何參數(shù)的測(cè)量，并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，然后根據(jù)畸變規(guī)律移動(dòng)公差帶位置，并按下式確定熱處理前的機(jī)械加工尺寸允差：

X=Y—Z(1)

式中：X為熱處理前某些參數(shù)的上限值；Y為齒輪成品允差的上限值；Z為熱處理時(shí)可能造成的最大尺寸變化量。或者

X1=Y1一Z1(2)

式中：X1為熱處理前某些參數(shù)的下限值；Y1為齒輪成品允差的下限值；Z1為熱處理時(shí)可能造成的最小尺寸變化量。將式(1)與式(2)相減，便得到成品齒輪的公差范圍為熱處理前齒輪公差范圍加上熱處理畸變的公差范圍。

4、減少齒輪熱處理畸變的措施

齒輪熱處理畸變之所以難以控制，首先是因?yàn)橛绊懟兊囊蛩靥啵疫@些影響因素還具有以下特點(diǎn)：(1)技術(shù)上涉及多學(xué)科；(2)生產(chǎn)上涉及多道工序；(3)管理上涉及多部門(mén)、多環(huán)節(jié)；(4)在解決畸變的措施方面，既要考慮技術(shù)，還要考慮生產(chǎn)成本。

正是因?yàn)橛绊懟兊囊蛩靥?、太?fù)雜，常常使人們不知所措。然而，大量的生產(chǎn)實(shí)踐表明，客觀上存在一些有效的、可操作的宏觀控制畸變的方法或途徑。如近年來(lái)我國(guó)齒輪行業(yè)通過(guò)采用保證淬透性鋼和控制淬透性帶寬以及毛坯等溫正火的方法等，就在減小齒輪熱處理畸變方面取得了明顯的效果。通?？梢杂?ldquo;微觀分析，宏觀控制的理念及“質(zhì)量平衡一相變趨近”和“傳熱均勻一減小溫差”的原則來(lái)控制齒輪的畸變。

鋼材的冶金因素，如晶粒度、非金屬夾雜、帶狀組織、淬透性等，對(duì)齒輪的畸變都有影響，其中鋼材的淬透性影響最大。鋼材淬透性愈低，齒輪淬火的畸變也就愈小。因此，對(duì)于許多滲碳齒輪，為了解決畸變問(wèn)題常常采用降低心部硬度到30HRC以下的辦法。然而，從齒輪強(qiáng)度考慮，心部硬度也不能太低。事實(shí)上，很多齒輪疲勞失效的一個(gè)重要原因就是心部硬度偏低，所以，這成為齒輪生產(chǎn)中的一大矛盾。為了解決齒輪強(qiáng)度與熱處理畸變對(duì)齒輪心部硬度要求的矛盾，合理限制鋼材淬透性是最佳的措施。

5、控制齒輪畸變的建議

曾有國(guó)外文獻(xiàn)列出了影響熱處理畸變的26種因素、77個(gè)子因子，這應(yīng)當(dāng)是事實(shí)。另外，曾有國(guó)內(nèi)某企業(yè)僅僅因?yàn)榇蛴∮浘鸵鸸ぜ冃蔚膶?shí)例。由此可見(jiàn)，要從微觀的角度一一對(duì)應(yīng)對(duì)所有的影響因素是何等困難。

如上所述，齒輪的熱處理畸變由于影響因素太多，要具體確定哪種是主要因素十分困難。然而可以采用某些宏觀的控制方法，比如鋼材的淬透性、齒坯的等溫正火預(yù)備熱處理、壓床淬火等，以抑制某些微觀的潛在因素的影響，從而減小畸變。齒輪受熱和冷卻不均勻，溫度分布不平衡便會(huì)產(chǎn)生翹曲、橢圓、扭曲。如果采取下列措施：在加熱過(guò)程中采取預(yù)熱、階梯升溫等方法；對(duì)于結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的齒輪采用補(bǔ)償墊塊、墊圈、芯軸；淬火冷卻中采用硝鹽、熱油實(shí)施等溫淬火等，就可以使齒輪在加熱中的受熱及冷卻中的散熱比較均勻，減小齒輪心、表及各部位的溫度差，從而減小畸變。

從宏觀控制和平衡的理念出發(fā)，對(duì)于齒輪熱處理畸變的控制提出以下建議：

(1)全面采用保證淬透性鋼，根據(jù)齒輪類(lèi)別采用不同的淬透性帶寬；

(2)齒輪毛坯的預(yù)備熱處理盡可能采用等溫正火，或能保證達(dá)到組織和硬度均勻的其他熱處理工藝；

（3）不應(yīng)忽視齒輪的滲碳加熱，采取合理裝夾，加熱時(shí)采用預(yù)熱、階梯升溫，有條件可在去應(yīng)力退火后帶溫裝入滲碳爐升溫，以盡量減小齒輪各部位在加熱時(shí)的溫差；

(4)淬火是引起齒輪畸變的重要環(huán)節(jié)。采用合適的夾具、合理擺放，根據(jù)齒輪結(jié)構(gòu)形狀采用各種平衡補(bǔ)償墊塊、墊圈及芯軸，盡量熱油淬火或采用硝鹽等溫淬火，目的在于盡可能地使齒輪各部位冷卻均勻；

(5)對(duì)于批量生產(chǎn)的汽車(chē)后橋錐齒輪及薄壁齒套，盡量采用壓床淬火；

(6)齒輪結(jié)構(gòu)形狀盡可能對(duì)稱(chēng)、均衡。以上這些宏觀控制畸變的措施技術(shù)上并無(wú)創(chuàng)新，然而，采用這些措施可以改善齒輪加熱及冷卻的均勻性，從而減小齒輪在受熱和冷卻過(guò)程中的溫度分布差異，減小齒輪組織和硬度的差異，必然會(huì)減小齒輪的畸變。

6、通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化熱處理工藝

對(duì)20CrMo鋼齒輪井式滲碳爐滴注式碳氮共滲，可以通過(guò)正交試驗(yàn)來(lái)優(yōu)化工藝參數(shù)，以減小熱處理畸變。正交試驗(yàn)因素和水平見(jiàn)表3，試驗(yàn)方案和結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 正交試驗(yàn)因素和水平

表4 正交試驗(yàn)方案和結(jié)果

本試驗(yàn)系四因素三水平的試驗(yàn)，所以選用L9(34)正交表，將A、B、C、D四因素放在表頭的前四列，計(jì)算各因素的T1、M1和R值，確定優(yōu)水平，分別填入表4各欄內(nèi)。

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，首先是5號(hào)試驗(yàn)結(jié)果最好，水平組合為A2B2C3D1。此外還得到一個(gè)優(yōu)水平組A2B2C2D2。各因素按影響作用極差R大小順序?yàn)椋篈—B—C—D

因素A碳氮共滲溫度取不同水平時(shí)，對(duì)20CrMo鋼齒輪井式滲碳爐滴注式碳氮共滲隨后直接淬火質(zhì)量的影響最大，在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制在870℃的水平上。在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再按優(yōu)水平工藝方案：870qC碳氮共滲，830℃保溫30min后140℃熱油淬火，結(jié)果得到20CrMo鋼齒輪熱處理后的一次性合格率高達(dá)99.8％，于是確定用A2B2C2D2的工藝進(jìn)行生產(chǎn)。

7、結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，探討了滲碳淬火齒輪的畸變及其預(yù)防措施。影響齒輪熱處理畸變的因素多種多樣，及其復(fù)雜。從表象看，齒輪的畸變是產(chǎn)生于熱處理工序，但如上所述，熱處理并非是導(dǎo)致齒輪畸變的唯一因素，還與齒輪的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形狀、機(jī)加工工藝和鍛造工藝等諸多因素有關(guān)。要解決齒輪的熱處理畸變問(wèn)題，必須通過(guò)設(shè)計(jì)人員、材料工作者、冷熱加工工藝人員等的協(xié)同努力，否則必將事倍功半。