內(nèi)花鍵齒輪熱處理變形分析

青海華鼎齒輪箱有限責(zé)任公司 （西寧 810021） 魏理林

我公司為某重載汽車公司生產(chǎn)一種內(nèi)花鍵齒輪，材質(zhì)選用20Cr2Ni4A。內(nèi)花鍵的基本參數(shù)為：徑節(jié)12/24、壓力角30°、齒數(shù)14和跨棒距24.32～24.41mm。圖樣技術(shù)要求：齒輪整體滲碳淬火，表面硬度58～62HRC，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1

一、零件特點(diǎn)及存在問題

此零件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、壁薄、內(nèi)花鍵孔的兩端壁厚不對(duì)稱。試制時(shí)，熱處理后內(nèi)花鍵的變形沒有明顯的規(guī)律，同一批次產(chǎn)品熱處理后出現(xiàn)的變形雜亂無章，變形無規(guī)律。經(jīng)過多方面分析，最終確定影響變形的主要因素是零件本身的結(jié)構(gòu)、原材料及熱處理工藝。

二、改進(jìn)措施

作為對(duì)外承接產(chǎn)品，采用改變零件結(jié)構(gòu)的方法來消除熱處理的變形極不現(xiàn)實(shí)，故要從原材料、冷加工工藝、熱處理3個(gè)方面加以解決。

1.嚴(yán)控原材料和鍛造質(zhì)量

（1）原材料 目前鋼材存在來源雜、亂和質(zhì)次價(jià)高的現(xiàn)狀，需加強(qiáng)鋼材管理，嚴(yán)格進(jìn)廠檢驗(yàn)，主要從以下幾點(diǎn)做到嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)：①檢查鋼材的低倍組織，包括一般疏松、中心疏松、方框偏析和邊緣點(diǎn)偏。②檢查鋼材中非金屬夾雜物的含量，包括A、B、C、D和DS類。③檢查鋼材中碳化物的級(jí)別，包括帶狀組織、網(wǎng)狀組織、不均勻性和偏析。④檢查鋼材的晶粒度，晶粒度必須6級(jí)以上。

（2）鍛造質(zhì)量 鍛造工藝如不合理，就會(huì)使鍛坯過燒或過熱，從而導(dǎo)致晶粒粗大，直接影響內(nèi)在質(zhì)量。粗大的晶粒在最終熱處理時(shí)會(huì)產(chǎn)生粗大組織，增大內(nèi)應(yīng)力及變形量。故在鍛造方面，應(yīng)從大型鋼廠直接買鋼材，然后派專業(yè)技術(shù)人員到鍛造廠家監(jiān)造，從鍛造工藝的合理性入手，對(duì)鍛造后低倍、高倍組織（包括非金屬夾雜物、晶粒度以及碳化物級(jí)別）進(jìn)行大量的檢驗(yàn)，確保鍛造后毛坯的各項(xiàng)指標(biāo)合格。

通過嚴(yán)控原材料和鍛造質(zhì)量試制兩批后，發(fā)現(xiàn)內(nèi)花鍵的變形有了很大的改觀，并且分析得到此種零件的熱處理變形規(guī)律主要是：孔壁較薄的上端花鍵孔熱處理收縮量和圓度比下端大，并且花鍵的上下進(jìn)出口端帶錐度，對(duì)后期解決內(nèi)花鍵的變形起到了關(guān)鍵性作用。

2.合理選擇正火工藝

由于此零件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，孔壁較薄，在滲碳淬火后變形量大，為得到均勻的奧氏體晶粒，把內(nèi)應(yīng)力降低到最低，故在零件粗車后又增加了二次正火，且在執(zhí)行毛坯正火時(shí)將奧氏體化溫度適當(dāng)?shù)靥岣叩?50℃，隨爐冷卻到350℃以下出爐空冷，并確保零件能夠較均勻冷卻，以保證其硬度均勻性和一致性。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)（見附表）分析，得到了內(nèi)花鍵較精確的變形規(guī)律：跨棒距平均縮量為0.13mm，花鍵孔進(jìn)出口帶0.08mm錐度。

內(nèi)花鍵跨棒距的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)表 （mm）

3.冷熱尺寸配合

控制熱處理變形，搞好冷熱加工配合相當(dāng)重要。單靠冷加工提高精度為熱處理留更多的變形余量或單靠調(diào)整熱處理工藝減少變形都有難度。適當(dāng)?shù)貙⒗兜腗值調(diào)整到24.48～24.53mm。加工幾批后，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)（附表）中可以看出，產(chǎn)品收縮量達(dá)到了預(yù)期的效果。

4.齒輪裝夾方式的合理性

齒輪裝夾方式的合理與否決定了齒輪在熱態(tài)下的受力形式和大小，也決定了淬火入油的方式，最終影響齒輪的熱處理變形。通過反復(fù)試驗(yàn)，得出該種結(jié)構(gòu)齒輪采用掛裝比平疊放置變形小，且有規(guī)律。分析原因主要是：

（1）豎直掛裝的方式下，齒輪在高溫下只承受自重，齒輪間作用力很小，淬火時(shí)齒輪豎立入油，該淬火方式使熱處理變形所引起的端面撓曲很小，相應(yīng)地對(duì)內(nèi)花鍵的變形影響也很小。

（2）穿掛齒輪的心棒大小和形狀對(duì)齒輪花鍵孔變形有明顯的影響。用圓棒（O形）穿掛時(shí)，由于圓棒與孔的支撐是一條線接觸（見圖2a），圓棒與孔壁之間的間隙也不均勻，冷卻時(shí)受圓棒影響，在孔的圓周方向和軸線方向都會(huì)產(chǎn)生較大的溫差，使應(yīng)力分布不均勻，孔的變形出現(xiàn)橢圓和反腰鼓形，產(chǎn)品的合格率低；后來將心棒改為X形（見圖2b），使心棒與孔為兩條支撐線接觸，齒輪的自重由孔壁上兩條線分擔(dān)，且心棒與孔壁之間的間隙呈90°均勻分布，變形沿孔圓周方向比較均勻，在淬火冷卻時(shí)，由于在軸線方向冷卻比較均勻，因此橢圓和錐度都減少了。從數(shù)據(jù)表中可以看出，采用此種掛裝方式能夠取得滿意的效果。

圖2

三、結(jié)語

控制和減少熱處理變形，首先要分析影響變形的因素，其次要控制和減少各種應(yīng)力的產(chǎn)生，并使應(yīng)力分布均勻有規(guī)律。通過對(duì)原材料和鍛件質(zhì)量的控制，正火及裝爐方式的改進(jìn)，對(duì)帶內(nèi)花鍵的齒輪的熱處理變形有了很大的改進(jìn)作用，基本能滿足了技術(shù)要求。