基于淬透性計(jì)算下的大模數(shù)中硬齒面齒輪加工工藝

羅麗霞， 李曉亮

（1.山西省平遙縣新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)研究所，山西 平遙 031100；2.山西省平遙減速器有限責(zé)任公司，山西 平遙 031100）

0 引言

隨著齒輪技術(shù)的發(fā)展，大模數(shù)齒輪不斷運(yùn)用，尤其是在中硬齒面齒輪中，但因其模數(shù)較大而加工困難，尤其是在熱處理后其全齒面難以獲得設(shè)計(jì)要求的硬度值，在使用初期往往出現(xiàn)接觸不良或齒面很快產(chǎn)生點(diǎn)蝕導(dǎo)致短期失效等問(wèn)題，因此其無(wú)法滿足使用要求而受到一定限制。如我們?yōu)槟晨蛻艏庸ぶ圃斓凝X輪其最大法面模數(shù)為22 mm，要求齒面調(diào)質(zhì)硬度310～340 HB，如何對(duì)該齒輪進(jìn)行合理加工，如何協(xié)調(diào)機(jī)加工與熱處理間的關(guān)系就成為一個(gè)很現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。

1 據(jù)化學(xué)成分計(jì)算硬度值

目前對(duì)于小模數(shù)齒輪的加工，各生產(chǎn)廠家一般采取的工藝路線為：粗車(chē)→調(diào)質(zhì)→精車(chē)→粗滾齒→精滾齒→入庫(kù)。從其工藝路線可知：工件是在整體調(diào)質(zhì)后才進(jìn)行輪齒的加工、成型。這樣安排的原因是：工件模數(shù)較小，其熱處理后輪齒獲得的淬硬深度較設(shè)計(jì)全齒高要深，輪齒全齒面能獲得設(shè)計(jì)要求的硬度值。而大模數(shù)齒輪的全齒高較小模數(shù)齒輪要大很多，其加工也能否按照傳統(tǒng)工藝進(jìn)行，同樣條件下輪齒某一點(diǎn)的硬度如何，其齒面硬度能否滿足設(shè)計(jì)要求，如何提前對(duì)熱處理后的齒面硬度及淬硬深度等進(jìn)行提前預(yù)判。對(duì)于以上問(wèn)題的解決目前已經(jīng)有了多種有效的方法。下面推薦一種“從化學(xué)成分計(jì)算可淬透性問(wèn)題”的計(jì)算方法供大家參考。

其實(shí)早在1942年格羅斯曼就提出了“從化學(xué)成分計(jì)算可淬透性問(wèn)題”。近幾十年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其在工業(yè)領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，特別是“數(shù)學(xué)冶金”這一分支的發(fā)展，關(guān)于淬透性的計(jì)算日益精確，已經(jīng)將其作為材料選擇、材料設(shè)計(jì)及制定熱處理工藝的重要手段[7]。由于“理想臨界直徑計(jì)算法“的缺陷，其在工業(yè)領(lǐng)域?qū)嵱贸潭仁艿揭欢ㄏ拗疲时疚耐扑]采用“根據(jù)化學(xué)成分計(jì)算端淬曲線”法進(jìn)行淬透性計(jì)算。

根據(jù)工件的化學(xué)成分計(jì)算端淬曲線,是一種根據(jù)鋼中化學(xué)成分直接計(jì)算距離端淬試樣水冷端某一點(diǎn)處的硬度值的計(jì)算方法。近年來(lái)關(guān)于淬透性計(jì)算的大量問(wèn)題大都集中在其增值系數(shù)的研究上，但其作為淬透性計(jì)算的基本公式，仍然是各方研究的基礎(chǔ)重點(diǎn)[6-7,10]。

下面我們以本文開(kāi)頭提到的齒輪為例，根據(jù)其相關(guān)參數(shù)及化學(xué)成分進(jìn)行淬透性示例計(jì)算，齒輪的基本參數(shù)：模數(shù)為22 mm，齒數(shù)為85，齒寬為340 mm，全齒高約為50 mm，齒面硬度310～340 HB，材料為35CrMo。

我們依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 223、GB/T 4336對(duì)該齒輪進(jìn)行了化學(xué)成分取樣化驗(yàn)[14,17]，依據(jù)GB6394進(jìn)行了金屬平均晶粒度測(cè)定[6-7,10]，同時(shí)其端淬試樣符合GB 225-2006規(guī)定[15]。具體化驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，從表1可看出工件化學(xué)成分符合GB/T 3077-1999合金結(jié)構(gòu)鋼化學(xué)成分規(guī)定[16]。

表1 齒輪化學(xué)成分及ASTM晶粒度表

我們依據(jù)賈斯特提出的公式對(duì)距水冷端6~80 mm范圍內(nèi)各點(diǎn)硬度進(jìn)行計(jì)算，具體公式如下：

式中：J6－80為距水冷端6~80 mm范圍內(nèi)各點(diǎn)硬度；S為離水冷端距離，mm；K為ASTM晶粒度；其余字母表示各元素含量。

離水冷端距離小于6 mm處的硬度，由于合金元素的影響要比碳小得多，故此范圍內(nèi)硬度可按下式[6-10]估算：

根據(jù)以上兩式我們分別計(jì)算出距離水冷端2~80 mm范圍內(nèi)各點(diǎn)的硬度值，具體數(shù)值見(jiàn)表2所示。

表2 距離水冷端不同距離處的硬度值

2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果，我們繪制了距離水冷端距離-硬度變化曲線圖，如圖1所示。

圖1 距離水冷距離-硬度變化曲線

通過(guò)分析圖1我們發(fā)現(xiàn)，在離水冷端6 mm以內(nèi)時(shí)，其各點(diǎn)淬硬硬度達(dá)50 HRC以上，該數(shù)值與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)該材料淬火后該深度硬度要求值相符；隨著離水冷端距離的逐漸加深，對(duì)應(yīng)各點(diǎn)硬度值呈下降趨勢(shì)，在距離水冷端7~20 mm范圍內(nèi)時(shí)，各點(diǎn)淬硬硬度值能達(dá)到40 HRC以上，相對(duì)滿足該材料淬火后硬度要求；在距離水冷端大于20 mm后，其各點(diǎn)淬硬硬度值降至30~40 HRC之間，該硬度值已完全不能滿足相關(guān)要求。

對(duì)照本文開(kāi)頭所提到的齒輪，其全齒高達(dá)50 mm，若采用齒坯整體調(diào)質(zhì)后再開(kāi)槽滾齒、成型的工藝，由計(jì)算結(jié)果可知，得到符合要求的硬度值其齒高深度僅為20 mm左右，其剩余齒面硬度則不能滿足設(shè)計(jì)要求，無(wú)法滿足使用要求，因而用此工藝對(duì)該模數(shù)齒輪進(jìn)行加工是不合理的。

根據(jù)表2我們繼續(xù)分析：在距離水冷端20 mm以內(nèi)時(shí)，其各點(diǎn)淬硬硬度值基本滿足一般工況下對(duì)淬硬硬度值的使用要求，此時(shí)我們假設(shè)滿足該硬度值要求的齒輪為標(biāo)準(zhǔn)齒輪，則該齒輪的最大模數(shù)應(yīng)不大于10 mm，即當(dāng)齒輪模數(shù)不大于10 mm時(shí)，我們可以采取對(duì)齒坯整體調(diào)質(zhì)后再進(jìn)行輪齒加工、磨齒成型的工藝。齒輪模數(shù)大于10 mm時(shí)，其全齒面淬火硬度已不完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，不能采取傳統(tǒng)工藝進(jìn)行加工。

通過(guò)以上分析我們得到以下結(jié)論：一般大模數(shù)齒輪體積和質(zhì)量都較大，對(duì)齒坯整體進(jìn)行調(diào)質(zhì)時(shí)，由于受到鋼材淬透性等的影響，淬硬深度往往受到一定限制，其淬硬深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其全齒高，尤其是齒根部位達(dá)不到要求硬度值，采用高淬透性材料時(shí)其淬硬深度也是有限的；若采用先調(diào)質(zhì)再開(kāi)槽滾齒、成型時(shí)，其全齒面硬度得不到保證，因此我們不建議為了滿足切削加工方便或降低成本而采取傳統(tǒng)工藝對(duì)大模數(shù)齒輪進(jìn)行加工。

對(duì)于大模數(shù)的劃分，目前暫無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定劃分，各廠家一般依據(jù)自身情況等進(jìn)行劃分，我公司一般以模數(shù)12 mm作為分界點(diǎn)。

結(jié)合以上分析以及本公司多年來(lái)在大模數(shù)中硬齒面齒輪方面的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，我們推薦對(duì)大模數(shù)齒坯的加工采用先開(kāi)槽再調(diào)質(zhì)處理，最后進(jìn)行半精滾、磨齒成型的工藝，這樣能保證全齒面獲得設(shè)計(jì)要求且均勻的硬度值，尤其是齒根部位也能保證淬透，能滿足接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度的要求。具體工藝路線為：粗車(chē)→粗滾齒（開(kāi)槽）→調(diào)質(zhì)→精車(chē)→半精滾齒→磨端面、孔→磨齒→入庫(kù)。

我們對(duì)采用以上工藝加工的大模數(shù)齒輪齒坯在熱處理后進(jìn)行了齒面硬度的檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為：包括齒根部位在內(nèi)，其全齒面獲得設(shè)計(jì)要求均勻的硬度值，且與設(shè)計(jì)要求值相符[19]。

3 大模數(shù)中硬齒面齒坯的材料選擇

大模數(shù)中硬齒面齒坯采用先開(kāi)槽后調(diào)質(zhì)工藝。開(kāi)槽后齒坯齒部與冷卻液直接接觸，改善了齒部冷卻條件，使得齒面尤其是齒根部位也能獲得設(shè)計(jì)要求的硬度值，因此在大模數(shù)中硬齒面齒輪選材時(shí)，在滿足使用條件的前提下可采用淬透性較低的合金元素的鋼材，從而降低成本[11-12]。

4 粗滾齒余量的合理控制

熱處理后工件勢(shì)必要發(fā)生變形，給后續(xù)的精車(chē)、精滾齒等工序帶來(lái)了極大影響，因此粗滾齒后的余量（切齒深度、齒厚、齒向等）控制十分重要。

以本文提到的齒輪為例，我們對(duì)熱處理后的工件變形量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其熱處理后齒部最大變形量達(dá)3 mm，且均為無(wú)規(guī)則變形，因此齒輪類(lèi)工件在設(shè)計(jì)時(shí)要注意防變形結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)。例如在鍛件齒輪設(shè)計(jì)時(shí)可將其設(shè)計(jì)成實(shí)心毛坯結(jié)構(gòu)，鑄造、焊接齒輪設(shè)計(jì)時(shí)要注意腹板厚度及拉筋位置的合理布置[1-3]，一些薄壁工件或特殊結(jié)構(gòu)齒輪等熱處理時(shí)可使用內(nèi)撐、外夾熱處理夾具，在爐內(nèi)放置時(shí)要保證工件四周受熱均勻，必要時(shí)要對(duì)工件進(jìn)行水平找正等[4]。這些措施經(jīng)實(shí)踐證明對(duì)減小工件變形量都有一定作用。

對(duì)于齒輪軸類(lèi)工件其主要變形為軸向彎曲，且變形量較齒輪要大很多，我們一般要求齒厚方向余量控制在6 mm左右，對(duì)于長(zhǎng)徑比大于8的細(xì)長(zhǎng)軸類(lèi)工件余量控制更嚴(yán)格，其吊裝方式及在爐膛內(nèi)放置等都有一定要求，必要時(shí)在熱處理后對(duì)其進(jìn)行壓力機(jī)的變形校直[5,8,13]。

5 刀具的合理選用及切削要素的合理確定

隨著切削技術(shù)的不斷發(fā)展，中硬齒面齒輪加工技術(shù)得以不斷改進(jìn)和提高，尤其是新型刀具材料的出現(xiàn)使得加工變得簡(jiǎn)單快捷。

我們?cè)仁褂闷胀ǜ咚黉摬牧蠞L刀對(duì)中硬齒面齒輪進(jìn)行精滾齒，在精滾齒結(jié)束后我們對(duì)滾刀齒形等進(jìn)行了檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)滾刀最大磨損量達(dá)0.7 mm左右，損耗相當(dāng)嚴(yán)重。針對(duì)此情況我們不斷進(jìn)行試驗(yàn)，改進(jìn)工藝，最終采用如下工藝進(jìn)行加工。

采用普通高速鋼材料滾刀對(duì)齒輪進(jìn)行粗滾齒開(kāi)槽，使用特殊材質(zhì)滾刀進(jìn)行精滾齒，這樣做不僅降低了成本，有效保護(hù)滾刀，延長(zhǎng)使用壽命，最主要保證了齒輪精度。我們從山西某工具廠定制了M42鈷高速鋼的涂層滾刀，其綜合性能較好，淬火硬度也較高，特別適合中硬齒面齒輪的精滾齒，使用效果良好。合理選擇切削要素能最大限度發(fā)揮涂層滾刀性能，對(duì)提高中硬齒面大模數(shù)齒輪加工效率也十分有效，例如為了最大限度地發(fā)揮M42滾刀的加工性能，經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐，以M20齒輪為例，在機(jī)床主軸為25～30 r/min，切削進(jìn)給量為0.79 mm/r時(shí)，對(duì)刀具的使用最經(jīng)濟(jì)[1-3]。

6 結(jié) 語(yǔ)

開(kāi)槽后調(diào)質(zhì)再半精滾齒、磨齒成型是一項(xiàng)保證齒輪質(zhì)量的重要措施，但在實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)遇到各類(lèi)問(wèn)題。除了上述提到的各項(xiàng)解決措施外，企業(yè)相關(guān)部門(mén)還應(yīng)合理解決機(jī)械加工與熱處理之間的矛盾，兩者有機(jī)結(jié)合，將效益最大化，成本最小化。同時(shí)生產(chǎn)管理人員應(yīng)合理安排工藝流程，督促員工正確進(jìn)行工藝操作，這些都是確保齒輪質(zhì)量的重要措施。

本文所述大模數(shù)中硬齒面齒輪的加工工藝雖然比傳統(tǒng)工藝復(fù)雜，但其有效保證了產(chǎn)品質(zhì)量，杜絕了質(zhì)量隱患，是一項(xiàng)值得推廣的工藝。