滾齒工藝對(duì)熱處理畸變的影響研究

王明鏡，王炯，曹榮青，束長(zhǎng)林，樊凡，夏三星

（南京高速齒輪制造有限公司 制造技術(shù)及過(guò)程控制處，南京211100）

0 引 言

齒輪滲碳淬火畸變是整個(gè)制造過(guò)程各個(gè)工序畸變的積累，包括設(shè)計(jì)、鍛造、機(jī)加工、熱處理，而不是由單一某個(gè)工序造成的。因而畸變的控制是一個(gè)系統(tǒng)的協(xié)作過(guò)程[1]。

齒輪的熱處理畸變同樣與前道工序滾齒工藝有一定的關(guān)系[2]。滾齒工序在齒坯內(nèi)部產(chǎn)生加工應(yīng)力，在齒坯表面引起粗糙度變化，特別是由于滾齒工藝不當(dāng)、滾齒刀具用鈍等因素的影響，會(huì)造成更復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。齒輪不同的切齒加工工藝在表層形成不同的加工應(yīng)力狀態(tài)，所以其變形傾向也有所不同[3]。

本文采用控制變量法，做三因素兩水平正交試驗(yàn)，分別改變滾刀類(lèi)型、軸向進(jìn)給、走刀次數(shù)，收集熱處理各工序前后齒輪的特征尺寸，基于相關(guān)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，分析不同滾齒加工參數(shù)對(duì)熱處理畸變的影響。

1 研究對(duì)象、工藝和方法

1.1 研究對(duì)象的基本參數(shù)

選取的齒輪材料為18CrNiMo7-6，其特點(diǎn)為心部及滲碳層均具有較高的疲勞強(qiáng)度、淬透性、淬火后微畸變和高溫使用性能[4]。用光譜儀測(cè)定其化學(xué)成分，其測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 材料18CrNiMo7-6 的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

1.2 研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)

選取的研究對(duì)象為某行星輪，模數(shù)為16 mm，其幾何外形如圖1所示。

圖1 行星輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.3 工藝試驗(yàn)策劃

通過(guò)三因素兩水平正交試驗(yàn)來(lái)優(yōu)化工藝參數(shù)，以減小熱處理畸變，為減小其他因素干擾，每組試驗(yàn)重復(fù)做一次，正交試驗(yàn)策劃方案如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)策劃表

1.4 變形的測(cè)量方法

實(shí)驗(yàn)序號(hào)1和8的試驗(yàn)件滾齒、滲碳、淬火后送齒輪計(jì)量?jī)x精確測(cè)量齒部變形。

選取齒輪的公法線長(zhǎng)度、齒頂圓直徑及內(nèi)孔尺寸作為研究齒輪變形的特征對(duì)象。測(cè)量和計(jì)算這些尺寸在滲碳淬火工序前后的變化情況。

齒頂圓直徑：對(duì)圖2中1、2、3、4等4個(gè)位置測(cè)量基準(zhǔn)端、非基準(zhǔn)端上下2個(gè)位置直徑。

內(nèi)孔直徑：對(duì)圖2中1、2、3、4等4個(gè)位置等分測(cè)量軸向6個(gè)位置內(nèi)孔尺寸。

公法線長(zhǎng)度：對(duì)圖2中1、4、5等3個(gè)位置測(cè)量齒寬上、中、下等3個(gè)位置公法線。

圖2 徑向測(cè)量位置示意圖

圖3 軸向測(cè)量位置示意圖

2 熱處理宏觀變形規(guī)律研究

2.1 齒頂圓直徑變化規(guī)律

分別在滾齒后、滲碳后、淬火后等3個(gè)時(shí)刻對(duì)選定的16個(gè)齒輪進(jìn)行齒頂圓直徑值的測(cè)量。取同一截面4個(gè)位置的均值變化作為變形的衡量依據(jù)。齒頂圓尺寸變形數(shù)據(jù)如表3所示，其變形示意圖如圖4所示。

由圖4可以看出，滲碳后上部齒頂圓縮小，下部齒頂圓變大，齒輪呈錐度變形趨勢(shì)；淬火相對(duì)于滲碳齒頂圓直徑有增大趨勢(shì)，且仍存在一定錐度。

表3 齒頂圓尺寸變形數(shù)據(jù) mm

圖4 齒頂圓變化示意圖

2.2 內(nèi)孔直徑變化規(guī)律

分別在滾齒后、滲碳后、淬火后等3個(gè)時(shí)刻對(duì)選定的16個(gè)齒輪進(jìn)行內(nèi)孔直徑測(cè)量。取同一截面4個(gè)位置的均值變化作為變形的衡量依據(jù)。內(nèi)孔軸向6個(gè)位置尺寸變形數(shù)據(jù)如表4所示，其變形示意圖如圖5所示。

由圖5 可以看出，相對(duì)于滾齒后的內(nèi)孔尺寸，滲碳后的內(nèi)孔直徑呈縮小趨勢(shì)，且中間部分縮小量最大；相對(duì)于滲碳后的內(nèi)孔尺寸，淬火后的軸向方向靠近兩端部位，內(nèi)孔呈略微增大趨勢(shì)，但整體仍呈繼續(xù)縮小趨勢(shì)，且淬火后的內(nèi)孔畸變相對(duì)于滾齒后的內(nèi)孔畸變更明顯。

2.3 公法線變化規(guī)律

分別在滾齒后、滲碳后、淬火后等3個(gè)時(shí)刻對(duì)選定的16個(gè)齒輪進(jìn)行公法線的測(cè)量。取同一截面3個(gè)位置的均值變化作為變形的衡量依據(jù)，且以滾齒公法線數(shù)值為0基準(zhǔn)進(jìn)行分析。公法線沿軸向上、中、下3個(gè)位置變形數(shù)據(jù)如表5所示，其變形示意圖如圖6所示。

表4 內(nèi)孔尺寸變形數(shù)據(jù) mm

圖5 內(nèi)孔變化示意圖

表5 公法線尺寸變形數(shù)據(jù) mm

由圖6可以看出，與滾齒相比，滲碳后的公法線呈增大趨勢(shì)，且上部公法線增量最小，下部公法線增量最大，呈均勻錐度變形；與滲碳相比，淬火后的公法線呈縮小趨勢(shì)，且齒輪上中下各部縮小量不均勻，中部縮小量>上部縮小量>下部縮小量，公法線呈中凹變形。

3 滾齒參數(shù)對(duì)熱畸變相關(guān)性研究

3.1 回歸方程分析

由第2節(jié)研究結(jié)果可知，齒輪淬火后中部齒頂圓、內(nèi)孔尺寸、公法線等特征量畸變明顯，故以淬火后公法線縮小量變化作為變形衡量指標(biāo)，以Minitab為工具研究滾齒工藝參數(shù)對(duì)熱處理畸變影響規(guī)律。對(duì)齒輪中部淬火后公法線數(shù)據(jù)（同一截面三等分測(cè)量）進(jìn)行滾齒參數(shù)相關(guān)性分析，得出標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)圖，如圖7所示。

圖6 公法線變化示意圖

圖7 標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)柏拉圖

由圖7可知，軸向進(jìn)給速度對(duì)熱處理畸變影響最顯著，且線速度、軸向進(jìn)給速度、走刀次數(shù)等3因子交互作用明顯。去除誤差項(xiàng)精簡(jiǎn)模型后繼續(xù)分析，其標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)圖如圖8所示。

由精簡(jiǎn)模型后的標(biāo)準(zhǔn)化柏拉圖和方差分析結(jié)果可知，R-sq較大，并且R-sq與R-sq（調(diào)整）很接近，故該模型擬合效果很好；建立滾齒工藝參數(shù)對(duì)熱處理畸變的影響模型，對(duì)此實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合的回歸方程[5]：Y=-0.08167+0.01042B+0.0225BC+0.01958ABC（淬火-滾齒公法線增量以Y表示）。

3.2 滾齒工藝參數(shù)優(yōu)化

圖8 精簡(jiǎn)模型后標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)柏拉圖

基于相關(guān)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，為分析不同滾齒加工參數(shù)對(duì)熱處理畸變的影響規(guī)律，運(yùn)用Minitab響應(yīng)優(yōu)化器模塊來(lái)確定滾齒加工最優(yōu)工藝條件。

圖9 淬火-滾齒公法線增量響應(yīng)優(yōu)化圖

由響應(yīng)優(yōu)化圖可知，當(dāng)線速度、軸向進(jìn)給速度、切削次數(shù)均取高水平工藝參數(shù)時(shí)，淬火相對(duì)滾齒的熱處理畸變最小，優(yōu)化符合合意性達(dá)79.55%。

同理，可擬合出滲碳-滾齒、淬火-滲碳、淬火-滾齒各階段公法線變動(dòng)量與滾齒工藝參數(shù)之間的回歸方程，并計(jì)算出高、低水平滾齒工藝參數(shù)時(shí)各階段公法線變動(dòng)量，如表6所示。

從表6中可以看出，高水平滾齒工藝參數(shù)時(shí)，滲碳后、淬火后公法線變動(dòng)量相對(duì)較大，但兩者之間存在相互抵消作用，即機(jī)械加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力與熱處理產(chǎn)生的熱應(yīng)力、組織應(yīng)力相互平衡抵消作用，使最終熱處理狀態(tài)淬火-滾齒公法線畸變量最小為-0.02971，遠(yuǎn)小于低水平時(shí)公法線變動(dòng)量。即當(dāng)線速度、軸向進(jìn)給速度，切削次數(shù)均取高水平時(shí)，綜合畸變量最小。

表6 高、低水平滾齒參數(shù)公法線變動(dòng)數(shù)據(jù)表 mm

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)改變滾齒工藝參數(shù)，作三因素兩水平正交試驗(yàn)，探究滾齒工藝對(duì)熱處理畸變的影響，研究結(jié)果如下：1）選取某行星輪作為試驗(yàn)對(duì)象，采用控制變量法，分別改變線速度、軸向進(jìn)給、走刀次數(shù)，收集熱處理各工序前后齒輪的齒頂圓直徑、內(nèi)孔尺寸、公法線數(shù)據(jù)，分析出齒輪熱處理宏觀變形規(guī)律；2）基于Minitab統(tǒng)計(jì)分析工具分析不同滾齒加工參數(shù)對(duì)熱處理畸變的影響規(guī)律，確定滾齒加工最優(yōu)工藝條件；當(dāng)滾齒線速度、軸向進(jìn)給、切削次數(shù)均取高水平參數(shù)時(shí)，熱處理綜合畸變最小，得出符合加工條件的最佳切削參數(shù)。

本文只統(tǒng)計(jì)分析了行星輪的熱處理變形數(shù)據(jù)，以后可盡量多地統(tǒng)計(jì)不同類(lèi)型齒輪的熱處理變形數(shù)據(jù)，基于大數(shù)據(jù)的思想，得到更準(zhǔn)確、全面的熱處理畸變規(guī)律，以指導(dǎo)現(xiàn)有工藝改進(jìn)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工作。獲得該類(lèi)型齒輪熱處理畸變規(guī)律后，可優(yōu)化留磨滾刀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，在熱處理前合理調(diào)整齒輪切深和留磨量，以補(bǔ)償公法線變動(dòng)，提高磨齒質(zhì)量[6]。