■蘇以人
Cr鋼齒輪淬火畸變分析及其校正方法
■蘇以人
影響Cr鋼汽車齒輪滲碳熱處理畸變的主要因素有:齒輪設(shè)計、鋼材、鍛造輥軋、正火(退火)、機加工、滲碳、淬火、回火等。采用感應(yīng)加熱、鐓鍛機成形、專用齒輪機床、刀具、齒輪滲碳淬火回火生產(chǎn)線,選用端淬曲線帶窄的H鋼,等溫正火處理等措施。
中間輸出齒輪是ZL40/50輪式裝載機的重要零件,如圖1a所示,工件材料為20CrMnTi鋼。熱處理采用滲碳淬火,工件齒部硬度為56~62HRC。淬火后工件畸變分兩種,一種是齒輪出現(xiàn)圓度超差和平面翹曲,另一種是齒向超差。
曾采用預(yù)留法將凹部補平,如圖1b所示,或用磨齒法修正,但均造成材料或設(shè)備利用率低,投資大,預(yù)留部分淬火后加工困難,且工藝復(fù)雜。
生產(chǎn)中采用壓淬,解決工件產(chǎn)生的圓度超差和平面翹曲畸變問題。但發(fā)現(xiàn)采用壓淬法,齒輪徑向應(yīng)力產(chǎn)生的畸變?nèi)匀淮嬖冢瑢?dǎo)致齒輪每批約30%出現(xiàn)齒向超差畸變。齒輪產(chǎn)生錐形張開畸變,是由于齒輪齒部上下厚薄差異造成的。
為此,制作了帶導(dǎo)磁體的內(nèi)孔感應(yīng)器,如圖2a所示。對齒部上端內(nèi)側(cè)高頻感應(yīng)加熱,使工件上端產(chǎn)生與淬火變形應(yīng)力相反的應(yīng)力,將齒部往內(nèi)拉,使齒部變形減小。該措施依據(jù)畸變量大小,采用不同加熱時間校正工件變形,其工藝規(guī)范及試驗結(jié)果如表1所示。此外,生產(chǎn)中對于局部齒較小畸變的齒輪可采用導(dǎo)磁體偏置方式,如圖2b所示。使工件熱應(yīng)力分布與畸變相匹配,達到校正變形的最佳效果。
ZL40/50輪式裝載機后橋從動弧齒錐齒輪如圖3a所示。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn),壓床淬火后,少量齒輪在φ210mm孔處出現(xiàn)圓度超差。故制作局部帶導(dǎo)磁體的內(nèi)孔感應(yīng)器(見圖3b),將導(dǎo)磁體對準內(nèi)孔短軸進行高頻感應(yīng)加熱,根據(jù)畸變大小確定加熱時間,使工件的圓度迅速恢復(fù)正常。
圖1
表1 齒輪高頻加熱應(yīng)力校正參數(shù)
弧齒錐齒輪是銑床傳動機構(gòu)的重要零件,工件材料為20Cr鋼,其結(jié)構(gòu)如圖4所示?;↓X錐齒輪加工工序為:下料→粗車→正火→精車→銑齒→拉槽→滲碳淬火→磨內(nèi)孔→研齒。齒輪模數(shù)為3.63mm,齒數(shù)為15,精度為7級;熱處理要求:滲碳層深度為0.5~0.7mm,表面硬度為59~63HRC,心部硬度為35~45HRC;由于結(jié)構(gòu)設(shè)計要求及加工條件限制,該齒輪加工精度要求高,齒圈徑向圓跳動≤0.04mm,周節(jié)累計誤差≤0.032mm。
齒輪原熱處理工藝如圖5所示。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn),不少齒輪熱處理后齒形畸變大,出現(xiàn)齒輪接觸精度低,噪聲大,無法滿足高精度技術(shù)要求。
齒輪畸變是滲碳淬火中組織應(yīng)力與熱應(yīng)力作用的結(jié)果,滲碳淬火件僅在表層發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變,故組織應(yīng)力較小,畸變主要取決于工件熱應(yīng)力大小。造成齒輪畸變的主要因素有:
(1)滲碳溫度過高,使碳化物聚集長大,晶粒粗大,工件畸變加大。
(2)淬火溫度過高,使工件塑變抗力下降,內(nèi)應(yīng)力增大,畸變增大。
(3)淬火冷卻介質(zhì)溫度低,造成工件各部位冷卻不均勻,淬火應(yīng)力大,工件淬火后畸變量增大。
圖2
根據(jù)以上分析,試驗提出齒輪滲碳淬火改進工藝,如圖6所示,改進工藝試驗結(jié)果見表2和表3。采用改進工藝措施后,齒輪經(jīng)滲碳淬火各項性能優(yōu)良,均達到技術(shù)要求指標。同時,齒輪滲碳淬火畸變減小,齒輪接觸精度提高,生產(chǎn)中噪聲明顯下降,達到了技術(shù)要求和生產(chǎn)運行需求,提高了齒輪的使用壽命。
1. 高頻感應(yīng)淬火齒輪
雙聯(lián)齒輪和行星錐齒輪表面強化采用高頻感應(yīng)淬火處理,工件材料為40Cr鋼,其結(jié)構(gòu)簡圖如圖7所示。高頻感應(yīng)淬火硬度要求為45~55HRC,硬化層深為2.5~3.5mm,采用0.5%(質(zhì)量分數(shù))聚乙烯醇淬火冷卻介質(zhì)。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn),齒輪畸變和零件形狀尺寸因素密切相關(guān),往往由于零件形狀復(fù)雜、厚薄不均或形狀特殊等造成高頻感應(yīng)淬火后變形超差失效,甚至造成廢品。
圖3
圖4 齒輪結(jié)構(gòu)示意
圖5 齒輪滲碳淬火工藝
圖6 齒輪滲碳淬火改進工藝
表2 齒輪滲碳淬火后的金相組織
比較項目齒面圓跳動/mm周節(jié)累計誤差/mm接觸斑點(%)齒寬方向齒高方向常規(guī)工藝0.03~0.05≤0.04~0.065≥60≥45改進工藝0.015~0.04≤0.025~0.05≥70≥50
對40Cr鋼高頻感應(yīng)淬火齒輪變形特點和規(guī)律進行了檢驗分析和生產(chǎn)試驗。其尺寸變化見表4、表5。齒輪經(jīng)高頻感應(yīng)淬火處理,由于高頻感應(yīng)加熱速度快、時間短,并且組織轉(zhuǎn)變僅發(fā)生于表層,因而畸變量較小。一般情況下,公法線長度變化微小,呈縮小趨勢,內(nèi)孔尺寸也呈收縮變形。
2. 滲碳淬火齒輪
滲碳淬火齒輪的典型工件形狀如圖8所示,工件材料為20CrMnTi鋼,滲碳溫度為920℃,滲碳后降至870℃淬火加熱后淬入油中,回火工藝為180℃×120min,滲碳層深度為0.8~1.2mm,表層碳質(zhì)量分數(shù)為0.95%~1.0%,表面硬度為58~62HRC。
圖7 高頻感應(yīng)淬火齒輪結(jié)構(gòu)示意
圖8 滲碳淬火齒輪幾何形狀
表4 高頻感應(yīng)淬火雙聯(lián)齒輪幾何尺寸變化
表5 高頻感應(yīng)淬火行星錐齒輪內(nèi)孔直徑的尺寸變化
表6 雙聯(lián)齒輪滲碳淬火后公法線變化
雙聯(lián)齒輪滲碳淬火后公法線畸變情況見表6。20CrMnTi鋼齒輪滲碳淬火后,公法線長度變化呈微小脹大,為0.01~0.02mm;但對大齒輪,如雙聯(lián)齒輪下齒滲碳淬火后,公法線脹大量可達0.12~0.19mm。從表6可以看出,齒輪畸變量和模數(shù)有關(guān),但影響最大的因素是齒輪形狀和截面尺寸。錐齒輪和扁平錐齒輪滲碳淬火后畸變(內(nèi)孔徑尺寸)情況見表7。扁平錐齒輪內(nèi)孔滲碳淬火后出現(xiàn)脹大畸變,采用一般方式淬火或淬火壓床淬火規(guī)律相同。這是由于扁平齒輪高度方向相對尺寸很小,淬火冷卻中以產(chǎn)生的殘留應(yīng)力為主,出現(xiàn)工件沿最大線度方向伸長。而高度與直徑相當?shù)凝X輪,內(nèi)孔畸變層收縮變形,縮小量約為0.10mm以內(nèi),對于齒輪加工設(shè)計來說,應(yīng)當在機加工余量中考慮此點。
對于滲碳淬火處理的齒輪,在滿足齒輪力學(xué)性能和耐磨性能等的前提下,可通過以下措施減少齒輪熱處理畸變。
(1)適當降低滲碳加熱溫度,適當降低淬火加熱溫度。
(2)提高淬火冷卻介質(zhì)溫度,如采用120℃左右熱油淬火或有機溶液合成淬火冷卻介質(zhì)淬火等。
齒輪是汽車傳動機構(gòu)的重要零件,常采用2 0 C r、18CrNiMo、20CrMnTi鋼滲碳淬火強化處理。齒輪運行中要求具有抗塑變應(yīng)力、抗表面接觸疲勞和抗彎曲疲勞的性能和抗力;同時,要求齒輪形狀及尺寸精度和穩(wěn)定性高。
齒輪精度直接影響傳動精度、傳動平穩(wěn)性和噪聲大小。齒輪熱處理畸變是使齒輪精度下降的主要原因,生產(chǎn)中時常出現(xiàn)齒輪畸變過大超標不合格工件,甚至造成齒輪成品報廢。為此,對齒輪畸變影響因素及正火處理作用進行了分析和試驗比較,并提出齒輪微小畸變的正火工藝,可應(yīng)用于齒輪熱處理生產(chǎn)中。
分析認為,均勻分布的珠光體+鐵素體組織,其強度較低且有較大脆性及很小的殘余應(yīng)力,可得到微小無規(guī)則畸變的正火齒輪。故正火加熱溫度應(yīng)較高,可取Ac3+(80~150)℃;奧氏體晶粒較大,脆性較大,冷卻方式可采用兩段式或等溫控制冷卻,使珠光體+鐵素體轉(zhuǎn)變在很小溫度范圍或等溫下進行,如圖9所示。為提高齒輪坯件的可加工性,減少熱處理畸變量,國外有些公司對汽車齒輪正火有專項技術(shù)要求規(guī)定(見表8),其工藝采用等溫正火或鍛造余熱等溫正火。
另外,鋼材化學(xué)成分及淬透性對齒輪性能、組織和畸變大小頗有影響。對齒輪原材料成分偏析和帶狀組織要嚴格限制,在齒輪鍛后正火生產(chǎn)中,不允許有貝氏體組織存在。
圖9 滲碳齒輪鍛坯正火工藝
表7 齒輪滲碳淬火后內(nèi)孔直徑變化
表8 國外3家汽車公司的滲碳齒輪坯等溫正火的技術(shù)要求
汽車滲碳齒輪除采用端淬曲線帶窄的H鋼使其變形微小外,從工藝上采用等溫正火處理也是一條良策。依據(jù)齒輪鋼種及淬透性,采用合適的正火工藝參數(shù),讓存在差異的坯件獲得優(yōu)良的顯微組織和硬度,以使齒輪的畸變量最小。
綜上所述,可以得知,滲碳齒輪為獲得畸變最小且畸變規(guī)律穩(wěn)定的坯件,正火組織應(yīng)是晶粒較粗大(3~5級)的珠光體+鐵素體組織,并有適中的硬度,為160~180HBW。生產(chǎn)中采用嚴格控制冷卻的等溫正火或鍛造余熱等溫正火,可使齒輪獲得有規(guī)律微小變形的良好效果。
蘇以人,武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電學(xué)院,工程師,高級講師。