熱處理中影響齒輪變形的因素研究

楊文明

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 深圳 518055）

熱處理中影響齒輪變形的因素研究

楊文明

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 深圳 518055）

研究了有關(guān)因素對(duì)齒輪熱處理后變形的影響，包括齒輪原材料的選擇、幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、熱處理時(shí)的放置方式、熱處理工藝參數(shù)選擇等。在不同熱處理?xiàng)l件下對(duì)齒輪變形進(jìn)行了試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，研究了各相關(guān)因素對(duì)總變形的影響程度，綜合利用文中所述方法，可使生產(chǎn)的齒輪熱處理變形最小，給優(yōu)化齒輪熱處理工藝提供參考。

熱處理；齒輪；淬火；變形

行星差動(dòng)減速器大多在低速重載并伴隨有沖擊振動(dòng)的條件下工作，其中的行星輪和太陽輪大都采用低碳合金結(jié)構(gòu)鋼制造。為滿足使用性能的要求，滲碳淬火是必不可少的工藝過程。但熱處理時(shí)齒輪因熱脹冷縮及相變引起的變形也是不可避免的。這一變形極大地影響著齒輪的傳動(dòng)性能及后續(xù)的精加工成本，是影響齒輪傳動(dòng)質(zhì)量的關(guān)鍵，是目前齒輪熱處理中亟待解決的復(fù)雜問題之一。

1 影響因素

研究熱處理齒輪變形的問題從以下4個(gè)方面加以考慮。

1.1 原材料及其制造

對(duì)原材料的偏析情況、成分及淬透性已進(jìn)行了大量研究。研究表明：

（1）要控制材料的性能，必須從熔煉和鑄錠開始就使材料有更好的均勻一致性。軋前鑄錠的對(duì)稱凝固應(yīng)特別重視，它是熱處理后產(chǎn)生橢圓變形的主要原因。

（2）合金成分和淬透性對(duì)熱處理變化的影響。大都認(rèn)為鋼的淬透性越高，鋼的收縮性越大，且有較好的可重復(fù)性，因而可避免齒輪熱處理后內(nèi)孔的脹大。也有人指出，淬透性加大，齒向變化減小，淬后不圓度明顯增大等。

測(cè)量鋼的淬透性，常使用喬米尼（Jominy）曲線。但喬米尼曲線對(duì)材料成分太敏感，即使成分有少許改變，它們的變化也很大。此外，為減小零件熱處理后的變形，應(yīng)減小喬米尼曲線的離散度。在這方面對(duì)原材料制造提出了更高要求。國(guó)外制造行星減速器齒輪，推薦使用控制淬透性的鋼（H鋼）和嚴(yán)格控制淬透性的鋼（RH鋼），應(yīng)引起我們的重視。

1.2 齒輪的設(shè)計(jì)和制造

齒輪的幾何形狀和熱處理前的內(nèi)應(yīng)力分布狀態(tài)，影響著它熱處理后的變形。熱處理后的變形和齒輪的幾何設(shè)計(jì)是否合適具有很大關(guān)系，最佳設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮熱處理后的變形。而齒輪最后精切前的去除應(yīng)力處理是減小熱處理變形的有效手段，但目前由于經(jīng)濟(jì)原因這一點(diǎn)往往做不到。

1.3 熱處理時(shí)的放置方式

熱處理時(shí)的放置方式對(duì)齒輪的熱后變形性能有較大的影響，合理的放置方式與零件、溫度、處理時(shí)間和淬火介質(zhì)均有關(guān)，需要根據(jù)實(shí)際情況確定。

1.4 熱處理時(shí)的參數(shù)

熱處理中的零件變形，主要是由于零件中的溫度梯度造成的，該梯度是由于加熱或淬火時(shí)冷熱不均造成的，為減小這一效應(yīng)，常使用零件逐步加熱的辦法。對(duì)不同淬火介質(zhì)的冷特性，人們做了廣泛研究。目前在行星減速器齒輪滲碳淬火中雖然普遍使用油淬，但用高壓氣體淬火對(duì)變形的減小是有利的。此外，滲碳過程也會(huì)導(dǎo)致組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力的不同，隨之引起變形。評(píng)論該變形時(shí)滲碳層深與總斷面的相互關(guān)系，以及心部材料的性能，都應(yīng)仔細(xì)考慮。有人證明了大型圓柱零件的長(zhǎng)度。在這種情況下，將導(dǎo)致斜齒輪螺旋角的改變，且變形的大小主要受齒輪模數(shù)的影響。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹l件和程序

2.1 目的

如前所述，齒輪熱處理的變形是不可避免的，但我們應(yīng)盡量減小其變形量，并減小該量的離散度，這是必要的。齒輪在熱處理后的變形，主要是內(nèi)孔的收縮和脹大及平面度、圓度、錐度的變化，以及軸線間夾角的改變。本文的目的就是系統(tǒng)地考慮有關(guān)因素。對(duì)齒輪熱處理后變形的影響，澄清各因素對(duì)總變形的影響程度，給優(yōu)化齒輪滲碳淬火工藝提供基礎(chǔ)。

2.2 具體設(shè)備和淬火介質(zhì)

齒輪的滲碳是在有預(yù)熱爐的連續(xù)推式爐中進(jìn)行。在加熱區(qū)工件托盤有3個(gè)位置，且在滲碳時(shí)有7個(gè)位置，擴(kuò)散時(shí)有3個(gè)位置。依靠推拉傳動(dòng)裝置，被處理齒輪進(jìn)入淬火室在油中直接淬火。托架間的推拉循環(huán)時(shí)間是16.3min，得到的滲碳層深0.6～0.7mm，硬度HV550。

使用的淬火油主要有2種，一種是滾動(dòng)軸承淬火油（OL46），另一種是快速淬火油（DurixolW25）。前者的溫度在90～120℃間變化，而后者在90～150℃間變化。

2.3 齒輪幾何形狀

為了評(píng)價(jià)齒輪幾何形狀對(duì)熱后變形的影響，使用了2種形狀的齒輪，一種為標(biāo)準(zhǔn)形，另一種為加強(qiáng)形。具體如圖1所示，其外徑Φ187.35mm，齒面寬23mm。

2.4 齒輪材料

滲碳齒輪的材料是16/20MnCr5,喬米尼淬透性為33～37HRC。初始為正方形鑄錠，隨后熱軋成直徑為70mm的棒料，切斷后鍛成所需的形狀，鍛后熱處理使其硬度達(dá)到170～190HB。該材料的具體化學(xué)成分為：C(0.17%～0.21%)；Mn(1.28%～1.46%)；Cr(1.00～1.10%)；Si(0.17%～0.24%)；Al(0.021%～0.04%)。

圖1 實(shí)驗(yàn)齒輪的幾何形狀

2.5 加載

在熱處理中，每一托盤上放置五層共25個(gè)齒輪，每層的齒輪呈星型分布，每個(gè)齒輪均用3點(diǎn)支撐。每個(gè)齒輪占據(jù)500mm×500mm的面積。齒輪常垂直放置。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1 不同種類淬火油的影響

淬火油的品質(zhì)對(duì)淬火速度有相當(dāng)大的影響，從而也就影響零件心部的硬度和變形性能。即使使用相同的油，添加劑和濃度不同，對(duì)油的冷卻過程和效果也會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)影響。很明顯，選擇合適的淬火油對(duì)控制熱處理后的變形性能是重要的。

選擇淬火油的準(zhǔn)則是減少齒輪變形和加寬淬火溫度范圍。經(jīng)OL46和杜瑞科爾W25的對(duì)比試驗(yàn)，最后選擇快速淬火油（杜瑞科爾W25）進(jìn)行了隨后的一系列實(shí)驗(yàn)。

圖2示出了在2種油中淬火后，齒輪的變形比較情況。每種情況下，測(cè)量了4批100個(gè)齒輪的圓度和平面度，發(fā)現(xiàn)新的快速淬火油使不圓度減小約10%，平面度改善約26%，而且快速淬火油可在溫度90～150℃間使用。

圖2 油的種類對(duì)變形的影響

3.2 油溫的影響

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀齒輪用快速淬火油試驗(yàn)時(shí)，考察了不同油溫對(duì)變形性能的影響。為評(píng)估所有實(shí)測(cè)值的可靠性及離散性，研究并記錄了這些實(shí)測(cè)值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著溫度的增加，齒輪內(nèi)孔的不圓度減少了約12%，且分散區(qū)的邊界也發(fā)生了變化，離散度減小。在內(nèi)孔錐度明顯減小的較高溫度時(shí)，在90℃和120℃的油溫下，平面度沒有發(fā)生大的變化，在油溫150℃時(shí)，它明顯變差。由于平面度會(huì)相應(yīng)引起輪齒齒形角的變化，該參數(shù)對(duì)齒輪的傳動(dòng)性能影響極大，因此應(yīng)該控制平面度的大小變化及離散度，以后的試驗(yàn)均在120℃的油溫下進(jìn)行。

內(nèi)孔尺寸明顯受所選溫度的影響。在90℃的油溫下，可看到內(nèi)孔有一定的收縮量。但是，在120℃和150℃的油溫下，熱處理后的齒輪內(nèi)孔則有少許脹大。在120℃的情況下，測(cè)出的離散度數(shù)據(jù)最小。

在試驗(yàn)觀察時(shí)，齒輪的幾何形狀必須考慮。若齒輪由標(biāo)準(zhǔn)形改變?yōu)榧訌?qiáng)形，可得到明顯不同的結(jié)果。與標(biāo)準(zhǔn)形相比，加強(qiáng)形的不圓度約減少17%，平面度約減小40%。油溫從120℃升高至150℃時(shí)，不平面度可進(jìn)一步改善約10%。由上述可知，加強(qiáng)形齒輪，在油溫150℃下淬火，可產(chǎn)生最小的變形。由此也可以看出，齒輪的幾何形狀對(duì)變形有大的影響，有時(shí)對(duì)它的設(shè)計(jì)可代替對(duì)油溫的考慮。

3.3 油循環(huán)速度的影響

3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)形齒輪

淬火油循環(huán)速度用泵輪的速度表示，其變化范圍為：320～960 r/min。試驗(yàn)時(shí)將被淬齒輪浸入油中5 s后油開始循環(huán)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，具有標(biāo)準(zhǔn)形狀的齒輪當(dāng)泵輪的速度減小時(shí)，不圓度、錐度明顯減小，分別減小約29%及42%。此外，也可以看到不圓度的離散度也有一定減小，當(dāng)泵輪速度減小，平面度也有一定減小。因此，我們可以說泵輪速度最小時(shí)，被淬齒輪產(chǎn)生的變形量小。

當(dāng)油速減小時(shí)，齒輪的內(nèi)孔尺寸由少許收縮到較小脹大轉(zhuǎn)變。這是由于冷卻速度減小，且時(shí)間延誤造成的。

淬火油循環(huán)起始時(shí)間延誤（5 s）對(duì)變形影響的試驗(yàn)，是在循環(huán)速度320 r/min時(shí)進(jìn)行的，并和其他試驗(yàn)結(jié)果作了比較。不圓度、錐度明顯變差，而平面度實(shí)際保持未變。此外可清楚看到內(nèi)孔尺寸收縮較大。時(shí)間延誤終止了油的汽相，使冷卻的均勻性變差，淬火的初始相不能循環(huán)，是上述問題的原因。

3.3.2 加強(qiáng)形幾何形狀齒輪

用加強(qiáng)形幾何形狀齒輪試驗(yàn)時(shí)，常常加大泵輪的速度范圍，這可使其速度為：1 500～170 r/min。為了充分利用整個(gè)速度范圍，選擇初始速度為750 r/min，8 s后轉(zhuǎn)變?yōu)? 500 r/min。同樣實(shí)驗(yàn)了320 r/min和170 r/min的轉(zhuǎn)速。油溫調(diào)整為150℃，可望在此溫度下得到較好結(jié)果。為證實(shí)該情況，也在較高速度和油溫120℃下作了試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果如圖3，可以看到，油溫增加，不圓度和平面度減小約10%。油溫在150℃時(shí)，油的循環(huán)速度增大，僅對(duì)圓度和平面度有小許影響。這也表明，齒輪幾何形狀改變，油的速度對(duì)變形的影響明顯減小。在油速320 r/min得到的變形最小。這一事實(shí)說明，存在最佳油循環(huán)速度，使被淬齒輪變形最小。

圖3 油溫與循環(huán)速度對(duì)變形的影響

4 結(jié)束語

減小被淬齒輪的變形，是一個(gè)極復(fù)雜的系統(tǒng)問題。首先應(yīng)從材料上著手，選擇化學(xué)成分穩(wěn)定，特別是淬透性符合要求的鋼材，盡管這樣的鋼材價(jià)格高些，但從保證質(zhì)量來看是必須的。另外，在齒輪的幾何設(shè)計(jì)上，淬火變形的問題也應(yīng)該提高到研究日程上來，在這方面由于問題的復(fù)雜性，我們往往重視不夠。既然設(shè)計(jì)齒型、設(shè)計(jì)齒向這些冷加工的精密設(shè)計(jì)都被我們重視，影響更大的熱處理變形更應(yīng)受到重視。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀齒輪在120℃的油溫下平面度沒有大的變化且測(cè)出的數(shù)據(jù)離散度較小；對(duì)加強(qiáng)齒輪，在油溫150℃下淬火，可產(chǎn)生最小變形。由此也可以看出，齒輪的幾何形狀對(duì)變形有大的影響，有時(shí)對(duì)它的設(shè)計(jì)可代替對(duì)油溫的考慮。

原材料選擇和幾何設(shè)計(jì)完成后，也應(yīng)在熱處理方面廣泛研究，從滲碳、淬火等方面進(jìn)行試驗(yàn)，優(yōu)化選擇合適的工藝參數(shù)，可以使熱處理后齒輪變形最小。本文給出了大批量生產(chǎn)時(shí)，使用連續(xù)滲碳淬火爐用油淬的試驗(yàn)結(jié)果：應(yīng)選擇符合要求的鋼材，設(shè)計(jì)合理的幾何形狀，選擇合適的淬火介質(zhì)、油溫、及油循環(huán)速度，綜合利用上述方法，才能使我們生產(chǎn)的齒輪熱處理變形最小。

[1]齒輪制造工藝手冊(cè)編委會(huì).齒輪制造工藝手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]張 展，溫成珍，等.齒輪檢測(cè)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[3]于程歆，劉 林.淬火冷卻技術(shù)及淬火介質(zhì)[M].遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

[4]李書常.熱處理實(shí)用淬火介質(zhì)精選[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

The Reasons of the Deformation ofGears in Heat Treating

YANGWen-ming
（Shenzhen Polytechnic，Shenzhen Guangdong 518055，China）

After searching on the reasons of deformation of gears in heat treating,including how to choose gear’s materials,how to design geometric construction,how to place gears in heat treating and how to choose technological parameter in heat treating,experiments in different conditions of heat treating are done.This paper analysises experiments’data and the degree of relevant factors influence deformation and summarizes ways to make smallest deformation in heat treating.Some reference aboutoptimizing technologiesofheat treatgearsare as follows.

heat treating；gear；quenching；deformation

TG162.73

A

1672-545X（2014）04-0001-03

2014-01-06

楊文明（1965—），男，江西上饒人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造。