從動(dòng)齒輪壓力淬火熱處理工藝與變形控制

中航工業(yè)常州蘭翔機(jī)械有限責(zé)任公司 （常州 213022） 牟宗平 牟 暢

我公司生產(chǎn)的某型號(hào)從動(dòng)齒輪是減速器中高精度圓柱斜齒輪，總加工工序有59道，冷加工過(guò)程中對(duì)尺寸精度要求高，其中關(guān)鍵工序就有11道。因此，對(duì)熱處理的變形要求很高，不僅受控尺寸多，而且允許變形量極小，個(gè)別尺寸變形量要求達(dá)到0.01mm。

最為關(guān)鍵的是，受材料性能和工藝條件的限制，該零件高溫?zé)崽幚砗蟊仨氁淮纬尚?，沒(méi)有返工機(jī)會(huì)，如果報(bào)廢，廠內(nèi)單件廢品損失上萬(wàn)元。多年來(lái)，該零件合格率一般不超過(guò)60%。

1.零件結(jié)構(gòu)及加工工藝

從動(dòng)齒輪材料為18Cr2Ni4WA（電渣無(wú)發(fā)紋），外觀如圖1所示。

圖1 從動(dòng)齒輪外觀

熱處理工序有8道，主要加工工序?yàn)椋好鳌{(diào)質(zhì)→鍍銅→機(jī)加工→補(bǔ)鍍銅→滲碳高溫回火→齒部加工→壓力淬火→冷處理→低溫回火→退銅→磨齒→時(shí)效→無(wú)損檢測(cè)。

該從動(dòng)齒輪結(jié)構(gòu)如圖2所示，機(jī)加工藝對(duì)滲碳淬火熱處理工序提出的尺寸控制具體技術(shù)要求為：軸頸A、B徑向圓跳動(dòng)≤0.01mm，凸凹兩大端面對(duì)軸徑A、B徑向圓跳動(dòng)≤0.18mm，f315mm齒圈徑向圓跳動(dòng)≤0.15mm，基準(zhǔn)尺寸為（8.05±0.1）mm和（9.97±0.1）mm，滲碳面硬度≥60HRC。

圖2 從動(dòng)齒輪示意

2.熱處理變形超差與分析

通過(guò)對(duì)兩個(gè)批次，18件從動(dòng)齒輪滲碳淬火前后6個(gè)主要尺寸變形情況的統(tǒng)計(jì)，尺寸超差頻數(shù)見(jiàn)表1，滲碳淬火工序尺寸超差主要原因是凸凹端面對(duì)A、B軸頸的徑向圓跳動(dòng)不合格。

表1 超差情況統(tǒng)計(jì)

滲碳零件的表面和心部含碳量不同，有不同的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖，淬火冷卻時(shí)表面和心部將發(fā)生不同的相變。

根據(jù)滲碳淬火零件的普遍變形規(guī)律，結(jié)合該零件的實(shí)際形狀和尺寸，對(duì)其主要尺寸的變形趨勢(shì)進(jìn)行具體分析，見(jiàn)表2。

表2 變形趨勢(shì)分析

3.工藝試驗(yàn)與變形控制

滲碳及淬火加熱工序在RJJ－90井式滲碳爐中進(jìn)行，由于該零件的熱處理組織和性能要求極高，馬氏體和殘留奧氏體級(jí)別≤4級(jí)，碳化物≤3級(jí)，表面硬度為58～62HRC，心部硬度為30～45HRC，故滲碳溫度（900℃）及淬火溫度（820℃）都有極為嚴(yán)格的工藝規(guī)定。為減少零件淬火變形，主要從以下三個(gè)方面進(jìn)行工藝試驗(yàn)和變形控制。

（1）設(shè)備與參數(shù)選定 由于其外徑尺寸大、輪輻薄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為有效控制淬火變形，選用Y9050A型齒輪液壓淬火機(jī)床進(jìn)行壓力淬火，該液壓淬火機(jī)床主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 液壓淬火機(jī)床工作示意

壓床主機(jī)由床身、上下壓模組成，上壓模由內(nèi)外環(huán)和中心壓桿及聯(lián)接裝置組成，內(nèi)外環(huán)和中心壓桿可分別獨(dú)立對(duì)零件施壓，零件在淬火過(guò)程中對(duì)齒輪端面間斷地施以脈沖壓力。泄壓時(shí)，淬火零件自由變形。加壓時(shí)，矯正變形，在循環(huán)壓力交替作用下，零件淬火變形得到較好的矯正。

由于該零件主要變形尺寸為齒輪外端面對(duì)A、B軸頸的徑向圓跳動(dòng)超差，且為不規(guī)則變形，故選擇施壓組合時(shí)，采用中心壓桿壓力固定，施壓在A、B軸頸的端面上，而采用脈動(dòng)循環(huán)壓力，施壓在齒輪外端面上，在壓力淬火過(guò)程當(dāng)中，軸頸A、B的垂直度在固定壓力下得到較好的保證。而與此同時(shí)，齒輪外端面在循環(huán)脈動(dòng)壓力的交替作用下，其淬火過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力變形得到較好矯正。

淬火油溫的選擇，也會(huì)對(duì)零件變形產(chǎn)生影響。油溫升高，零件淬火熱應(yīng)力相應(yīng)減少，同時(shí)，油溫升高后，淬火油的流動(dòng)性增強(qiáng)，零件各部位淬火冷卻均勻性更好，熱應(yīng)力也更小，零件的淬火變形相對(duì)減小。因此，在考慮設(shè)備允許的前提下，淬火油溫選擇為80℃，試驗(yàn)效果較為理想。

在實(shí)際操作過(guò)程中，中心壓桿及外環(huán)壓力大小的選擇、脈動(dòng)施壓頻率的調(diào)整，以及噴油冷卻時(shí)間和噴油量的選定，都對(duì)零件的壓力淬火變形產(chǎn)生較大的影響。經(jīng)過(guò)大量工藝試驗(yàn)，從動(dòng)齒輪的壓力淬火參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 壓力淬火參數(shù)

（2）淬火模具設(shè)計(jì) 淬火模具應(yīng)當(dāng)結(jié)合零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和變形規(guī)律，對(duì)關(guān)鍵變形部位施以合適的壓力，保證壓力淬火對(duì)零件變形的矯正作用。同時(shí)也應(yīng)結(jié)合設(shè)備噴油冷卻模式和零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)增加設(shè)計(jì)導(dǎo)油孔、導(dǎo)油槽等結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)淬火油的循環(huán)冷卻能力，使得零件各部位冷卻更均勻，變形量更小。

設(shè)計(jì)并制造中心壓模，如圖4所示。其中f20mm平面是重要傳力面，保證中心套模的壓力通過(guò)它能均勻施壓到零件凸軸根部，保證A、B軸頸的垂直度?？紤]到零件熱脹冷縮，內(nèi)孔（f69±0.2）mm與零件凸軸相配，保證0.2mm的間隙配合。為保證零件各部均勻冷卻，減少變形，設(shè)計(jì)56個(gè)f10mm孔為泄油孔。

圖4 中心壓模

圖5 外環(huán)模

設(shè)計(jì)并制造外環(huán)模（見(jiàn)圖5），與Y9050A型齒輪淬火機(jī)床配裝，淬火時(shí)B面（f320mm與f270mm組成的環(huán)平面）施壓在零件的齒圈外端面上，通過(guò)施以脈動(dòng)循環(huán)壓力，保證齒圈外端面的尺寸變形。為保證齒圈外端面的淬火硬度，B面銑花盤式過(guò)油槽。

設(shè)計(jì)并制造中心套模（見(jiàn)圖6），與齒輪淬火機(jī)床配裝，將液壓機(jī)的中心桿壓力施壓到中心壓模上。

圖6 中心套模

圖7 補(bǔ)償墊片

設(shè)計(jì)并制造補(bǔ)償墊片，如圖7所示。在試驗(yàn)過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)零件凸面上鼓現(xiàn)象，導(dǎo)致基準(zhǔn)尺寸8.05mm、9.97mm難以保證的現(xiàn)象。由于零件結(jié)構(gòu)的原因，造成齒輪輻板凸凹兩面淬火冷卻速度不一致，凸面冷卻速度大于凹面冷卻速度，導(dǎo)致凸面上鼓。為此設(shè)計(jì)并制造了補(bǔ)償墊片。淬火時(shí)，將補(bǔ)償墊片置于齒輪輻板凸面上，能有效平衡好凸凹兩面的冷卻速度，從而減少零件的變形。補(bǔ)償墊片上的開(kāi)口，起到調(diào)節(jié)冷卻面積的作用，可經(jīng)試驗(yàn)確定尺寸。

（3）淬火冷卻介質(zhì) 為了盡力減少以熱應(yīng)力為主引起的變形，保證零件淬火后達(dá)到表面和心部硬度的要求，盡量采用在高溫區(qū)冷卻能力低，而在低溫區(qū)有較高冷卻速度的淬火介質(zhì)。熱油能夠增大淬火冷卻介質(zhì)的流動(dòng)性，又能縮小與零件的溫差，從而有利于減少齒輪變形，以常用的全損耗系統(tǒng)用油進(jìn)行試驗(yàn)，黏度較大的全損耗系統(tǒng)用油對(duì)減少變形有利，本試驗(yàn)選用L－AN46全損耗系統(tǒng)用油，油溫控制在80～100℃，試驗(yàn)效果良好。

4.試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)件反復(fù)的冷調(diào)、熱調(diào)、單件試淬火后，采用上述循環(huán)脈動(dòng)淬火工藝、改進(jìn)熱處理夾具和模具設(shè)計(jì)的工藝方法，使用Y9050A型齒輪淬火機(jī)床壓淬了18件從動(dòng)齒輪，從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，該零件主要尺寸熱處理變形合格率達(dá)到98%以上，取得了良好的工藝改進(jìn)效果，滿足了生產(chǎn)的需求，并取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。