大型薄壁齒圈、弧齒輪件滲碳淬火變形控制

■劉曉榮，趙微，李威，黃蘇寧

大型薄壁齒圈、弧齒輪件滲碳淬火變形控制

■劉曉榮，趙微，李威，黃蘇寧

大型薄壁齒圈、弧齒輪件，經(jīng)長時(shí)間滲碳、淬火易產(chǎn)生橢圓、翹曲、漲大等變形。一旦產(chǎn)生變形超差，很難進(jìn)行校正、修復(fù)，導(dǎo)致后期磨削或精銑齒加工超差甚至報(bào)廢。對于批量生產(chǎn)，大多采用專用工裝來控制變形，但對于零星訂貨單件小批量生產(chǎn)，不適合采用制造周期長、成本高的專用工裝。為此，我們采取增加預(yù)留加工量及嚴(yán)格控制滲碳淬火平裝裝爐方式等工藝措施，對大型薄壁齒圈、弧齒輪件進(jìn)行滲碳淬火變形量的控制。

1. 薄壁齒圈及弧齒輪的結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

薄壁齒圈材料20CrNi2Mo，齒圈壁厚僅為129.795mm，輪廓尺寸見圖1。技術(shù)要求：齒部滲碳淬火，最小滲碳層深度6mm，齒面硬度58～60HRC，心部硬度33～38HRC。

弧齒輪材料17Cr2Ni2Mo，薄處壁厚僅為85mm，大端齒距下端面高度僅為127.59mm，輪廓尺寸見圖2。技術(shù)要求：齒部滲碳淬火，齒面硬度54～58HRC，心部硬度30～35HRC，有效硬化層深3～7.5mm。

圖1　齒圈示意

圖2　弧齒輪示意

2. 工藝分析及變形控制

從薄壁齒圈及弧齒輪的結(jié)構(gòu)可以看出：兩種件均為大型薄壁圈類件，且滲碳層要求較深。滲碳為高溫長時(shí)間加熱的化學(xué)熱處理，對于這種大型薄壁圈類件，本體強(qiáng)度、剛度較低，經(jīng)高溫（930℃±10℃）長時(shí)間加熱滲碳及淬火冷卻處理，極易產(chǎn)生橢圓、翹曲、漲大等變形失效，導(dǎo)致后序磨削或精銑齒加工尺寸超差，甚至報(bào)廢。按照常規(guī)生產(chǎn)應(yīng)配制專用工裝，但需要滲碳淬火的僅有2件齒圈件和2件弧齒輪件，為單件小批量生產(chǎn)，制造專用工裝既增加制造成本又延長生產(chǎn)周期，為此我們采取下述兩種措施控制其滲碳淬火變形。

（1）采用滲碳前增加非滲碳的內(nèi)孔或端面的預(yù)留加工余量，即將齒圈內(nèi)孔按φ1846.87mm加工留量，見圖3；弧齒輪內(nèi)孔按φ1085mm加工留量，下端面預(yù)留50mm加工留量，見圖4。

圖3　內(nèi)孔留量的齒圈宏觀形貌

圖4　內(nèi)孔及下端面留量的弧齒輪宏觀形貌

圖5　齒圈滲碳裝爐方式

（2）采取平整的圓盤類工裝支墊齒圈、弧齒輪下端面的平裝裝爐方式，滲碳前墊平、墊實(shí)下端面，并將留量的非滲碳面涂刷防滲涂料，連同工裝入爐滲碳，見圖5、圖6。對于大齒圈對稱的兩端面，淬火前翻轉(zhuǎn)重新支墊；對于大型薄壁弧齒輪，淬火前更換加工平整的工裝重新托墊下端面，單件淬火，見圖7， 并嚴(yán)格監(jiān)控滲碳淬火工藝過程。

3. 結(jié)果及討論

采取上述增加預(yù)留加工量及平盤工裝支墊的平裝裝爐方式滲碳淬火后，齒圈橢圓、翹曲變形量＜3mm；弧齒輪橢圓、翹曲量＜1mm，沒有一件變形超差，全部保證了后序切削及磨齒、精銑齒的加工。

增加內(nèi)孔或端面留量，即增大齒圈及弧齒輪的壁厚，提高零件本體的強(qiáng)度、剛度，從而抵抗、減小其在加熱及冷卻過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力、組織應(yīng)力及自身重力作用下高溫蠕變等產(chǎn)生的變形；采取平盤工裝支墊齒圈、弧齒輪下端面的平裝方式入爐滲碳，在淬火前翻轉(zhuǎn)齒圈重新支墊，可抵消或減小未支墊的懸空部分下墜變形；而淬火前重新更換加工平整的工裝托墊弧齒輪，可避免由于工裝變形使薄壁弧齒輪產(chǎn)生翹曲變形。

圖6　 弧齒輪滲碳裝爐方式

4. 結(jié)語

對于單件小批量易變形的大型薄壁齒圈、弧齒輪的變形控制，采用滲碳前增大非滲碳的內(nèi)孔或端面加工留量。

同時(shí)，采取平盤工裝支墊的平裝裝爐方式滲碳，并在淬火前翻轉(zhuǎn)齒圈重新支墊及更換加工平整的工裝托墊弧齒輪的操作過程控制，可有效控制滲碳淬火變形不超差，保證后序車削、磨削及精銑齒加工。

圖7　弧齒輪淬火前更換工裝

劉曉榮、趙微、李威、黃蘇寧，北方重工集團(tuán)有限公司。