農機齒輪內花鍵熱處理變形與控制

洪新陽 徐斌

摘 要：文章針對農業機械使用的漸開線內花鍵齒輪，在熱處理滲碳淬火中內花鍵易產生軸向錐度、M值超差、塞規不過等現象，對本公司生產的內花鍵齒輪進行原材料、鍛造正火、拉花鍵、熱處理的各環節多次試驗，然后通過數據分析、歸納總結、工藝改進，對齒輪內花鍵變形的產生原因進行分析，并采取工藝措施進行控制，從而提升產品質量。

關鍵詞：內花鍵；滲碳淬火；錐度

中圖分類號：TG162.73 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）11-0090-03

Abstract： In this paper， for involute internal spline gears used in agricultural machinery， the internal splines easily produce such phenomena as axial taper， M value excess difference and plug gauge in heat treatment of carburizing and quenching. The internal spline gear produced by our company has been tested for many times in raw materials， forging normalizing， drawing spline and heat treatment. Then， through data analysis， induction and process improvement， the causes of distortion of inner spline in gear are analyzed. And take the process measures to control， so as to improve the quality of products.

Keywords： internal spline； carburizing and quenching； taper

1 內花鍵齒輪技術參數與加工工藝

1.1 內花鍵齒輪的技術參數及結構

齒輪內花鍵參數：模數：m=1.25、齒數：z=30、壓力角：α=20°、大徑：D=40、大徑：d=37.5、量棒直徑：dp=2.61、跨棒距直徑：M=34.657-34.753、材料：20CrMnTi、熱處理：滲碳淬火S0.7～C59。

1.2 加工工藝

鍛造→正火→粗車→拉花鍵→精車→切齒→滲碳淬火→研磨配對。

2 工藝改進前產品質量情況

目前農業機械中，也廣泛使用了同步器結構，如大中型拖拉機，這樣漸開線內花鍵齒輪結構越來越多，而這類齒輪由于結構較復雜、不對稱、壁厚較薄，在熱處理滲碳淬火后，造成齒輪內花鍵跨棒距M值超差，內花鍵產生較大的軸向錐度，綜合塞規不能通過，造成裝配困難等問題。由此客戶質量抱怨較多，甚至要求質量索賠。

（圖1）齒輪工藝改進前內花鍵檢測結果為：跨棒距M值最大縮量為0.13mm，內花鍵軸向錐度為0.10mm，綜合塞規通過率為50%。

3 齒輪內花鍵熱處理變形原因分析

影響齒輪內花鍵變形的因素很多，有原材料、鍛造與正火工藝、冷加工拉花鍵工藝、熱處理工藝等方面。

3.1 原材料對齒輪內花鍵變形的影響

齒輪用鋼的冶金質量：鋼材的純凈度、疏松度、夾雜物、晶粒度、帶狀組織、淬透性等均會直接影響齒輪熱處理工藝中的變形。在齒輪鋼選用上，要做到廠家穩定、規格穩定、確保冷加工拉刀尺寸的穩定性與熱處理工藝的穩定性，從而保證更多時間與精力在關鍵工序如熱處理工藝上進行工藝試驗與改進。我公司在材料選用上較穩定。

3.2 鍛造與正火工藝對齒輪內花鍵變形的影響

鍛造目的是為了鍛件內部致密且組織均勻，有利于最終熱處理滲碳淬火時的工件變形，但鍛造過程中的氧化、脫碳、過熱、過燒及鍛造裂紋等缺陷，都將影響齒輪內花鍵的變形。

正火目的是為了得到均勻的正火組織和晶粒度，改善切削加工性能。但正火方式和正火工藝的選用：普通正火還是等溫正火；正火參數的選用：正火溫度、正火保溫時間、正火冷卻速度與冷卻方式。這些都將會影響齒輪內花鍵的變形。

3.3 冷加工拉花鍵工藝對齒輪內花鍵變形的影響

齒輪的內花鍵加工，可以用插齒工藝與拉花鍵工藝，但從生產效率與經濟性考慮，大多采用拉花鍵工藝，但花鍵拉削方式臥式拉削還是立式拉削、拉削速度的選用、拉削工件定位端面的選擇、拉刀尺寸的選用都將影響齒輪內花鍵的質量。

3.4 熱處理工藝對齒輪內花鍵變形的影響

滲碳淬火是20CrMnTi材料漸開線內花鍵齒輪熱處理的重要工序，目的是改善齒輪表面與心部組織，提高表面硬度和耐磨性，提高齒輪強度。但滲碳淬火同時也會造成齒輪內花鍵較大的熱處理變形，而且是造成齒輪變形最重要、最復雜的因素。

滲碳工藝參數的選擇：滲碳深度、滲碳時間、碳勢、滲碳溫度等；淬火參數的選擇：淬火溫度、淬火介質；工件裝爐方式的選擇：疊裝、串裝、掛裝等方面都將對齒輪內花鍵變形產生影響。

4 齒輪內花鍵熱處理變形控制與措施

4.1 等溫正火工藝及控制

對于20CrMnTi的內花鍵齒輪要求采用等溫正火工藝，正火溫度要求高于最終熱處理滲碳溫度的880℃，控制正火溫度930℃，這樣可有效地控制熱處理變形。

正火保溫時間為了充分消除鍛坯的殘余應力，細化晶粒，降低內花鍵齒輪在最終熱處理過程中的變形，保溫時間控制在1小時。

正火冷卻速度的控制是為了得到適合的正火硬度與較均勻的正火組織，改善切削性能。并且要求根據天氣與季度調整冷卻方式，控制正火硬度HB160-207及硬度差，控制正火金相組織3級。

4.2 冷加工拉花鍵工藝及控制

通過多次拉削試驗，在臥式拉床，無論齒輪大端面定位，還是小搭子端面定位，由于小搭子端壁厚較薄，產生塑性變形，小搭子端的跨棒距M值要小0.01～0.02mm，產生軸向錐度。在立式拉床拉削，內花鍵軸向錐度要小些，且跨棒距M值一致性更穩定。

通過多次冷熱配合試驗、重新調整拉刀尺寸，確保熱處理后達到圖紙要求。

規定拉花鍵工藝：采用立式拉床拉內花鍵，拉刀尺寸調整為M=34.78-34.81，選擇拉削速度1.5-1.8m/min，拉削過程密切關注內花鍵表面質量，及時重磨或更換拉刀。

4.3 熱處理工藝及控制

（圖1）內花鍵齒輪的熱處理加工工藝lpsen多用爐設備上加工，熱處理采用滲碳后降溫直接淬火的工藝，同時為了保證淬火后表面有高的硬度和耐磨性，為降低淬火殘余應力和脆性，在淬火后進行低溫回火。工藝基本流程如圖2所示。

滲碳淬火作為內花鍵齒輪的最終熱處理工序，是齒輪變形最重要的一環，是控制齒輪熱處理變形至關重要的工序。

因此，對內花鍵齒輪在常規滲碳淬火工藝的基礎上，采取了如下工藝改進措施：

（1）滲碳溫度。熱應力是齒輪內外溫度差異引起的，滲碳過程中齒輪外表面溫度最高，內花鍵溫度最低，溫差可達200℃。因齒輪外表面溫度高，體積膨脹，對心部產生壓應力；而心部溫度低，膨脹較小，對表層產生拉應力。故為減小變形滲碳溫度把原來的900℃調整為880℃。

（2）淬火溫度。淬火溫度越高，在淬火過程中產生的組織應力越大，變形也越大。故為減少變形，選擇淬火溫度時，要保證滲層中不出現非馬氏體組織，在確保齒輪硬度的前提下，盡量選擇較低的淬火溫度。為此選擇淬火溫度為840℃。

（3）裝爐方式。在其他工藝參數穩定不變的情況下，裝爐方式與補償措施至關重要。根據（圖1）產品的結構，我們進行了多種方案的試驗。

采用傳統疊裝方式：由于齒輪接觸面較大，使爐內各工件溫度的均勻性和滲碳氣氛的流動性降低。同時淬火時，淬火油較難均勻透入，所以這種裝爐方式，齒輪內花鍵變形較大。

采用“X”芯軸掛裝：將疊裝改掛裝，保證了各工件溫度的均勻性、滲碳氣氛的流動暢通，從而使齒輪表面滲層較均勻。淬火時、淬火油也能較均勻的透入，試驗結果表明掛裝比疊裝變形要小。

采用“X”芯軸掛裝加補償套（圖3）：由于內花鍵齒輪大端與搭子端不對稱，小搭子端壁厚較薄，淬火時冷卻速度快，對應端的內花鍵縮量大，造成了軸向的錐度，針對這現象，在齒輪的小搭子外圓套上一個補償套（圖4），同時采用“X”芯軸掛裝，這樣在滲碳淬火中有效地控制了內花鍵的縮量，又減慢小搭子端內花鍵的淬火冷卻速度，減少了軸向的錐度。通過多批次生產，該工藝的改進達到較滿意地效果：內花鍵M值變動量控制在0.08mm以內，達到圖紙要求；內花鍵軸向錐度控制在0.05mm。花鍵綜合塞規檢測通過率達到98%以上。滿足了產品質量要求。

參考文獻：

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