20CrMnMo凸輪軸齒輪淬火變形的控制

■ 梁楚鵬，陳國輝，余榮杰

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某廠柴油機凸輪軸齒輪（見圖1）輻板厚23mm，齒頂圓直徑532mm，齒寬126mm，是易變形的薄件。材料20CrMnMo凸輪軸生產工序為：鍛造→退火→粗車→滾齒→滲碳→車削碳層→淬火→精車→磨齒→無損檢測。技術要求為：精磨后滲碳層深度1.8～2.0mm，硬度58～62HRC，滾齒公法線留磨余量0.6mm。生產數批次十余件常出現磨削裂紋和變形超差磨不過的問題。

經過跟蹤測量，發(fā)現齒輪滲碳后變形很小，滲碳時采用水平疊放的方式，滲碳后上下端面齒頂圓直徑相差0.1～0.3mm。淬火后變形嚴重，淬火后圓度變形0.5mm，兩端面齒頂圓直徑相差1.5～2mm，公法線脹大0.5mm，淬火后變形規(guī)律明顯，表現為下端面直徑脹大。個別齒輪磨削后三分之一齒面磨不過。

圖1 工件示意

1.變形分析

淬火時采用井式爐加熱，裝爐方式從經濟性考慮采用分層水平裝料篩，每層隔開10cm左右。在冷卻開始階段，隨著工件浸入油池，齒輪底面先冷卻收縮，在頂面限制下受拉應力，由于油冷冷速較慢，底面屈服強度仍較低，在拉應力作用下底面發(fā)生塑性變形脹大，頂面收縮。繼續(xù)冷卻時頂面和底面都發(fā)生馬氏體相變，上下兩端面直徑同步脹大，最終表現為上端面直徑幾乎不變，而下端面明顯脹大。

2.磨裂分析

磨削裂紋分布在個別齒的齒溝及齒面，對無裂紋齒及磨裂齒進行分別取樣檢測淬硬層硬度梯度，結果如表1所示，磨裂齒面表面至距離表面0.7mm區(qū)域的硬度低于距離表面0.9～1.7mm區(qū)域，硬度梯度呈由低到高再回落的趨勢；而在無裂紋齒面檢測的硬度梯度則為正常的由高到低趨勢，可見裂紋齒面存在明顯的磨削回火層。

圖2 原工藝齒面淬火組織，3級（500×）

原工藝淬火后經200℃二次回火，金相組織如圖2示為細針馬氏體、約20%殘留奧氏體。雖然淬火組織未超出技術要求等級，但在磨削時產生的熱量會使組織發(fā)生回火轉變，部分殘留奧氏體轉變?yōu)轳R氏體，表層附近組織比體積的變化導致磨削表面受到的拉應力增大，容易產生磨削裂紋。尤其是對于外徑脹大的一端，磨削量更大，磨削回火更明顯，出現磨削裂紋的傾向更大。

3.工藝調整

為了使兩端面冷卻效果一致，齒輪的裝夾方式改為直立掛裝。同時降低淬火溫度，減少碳化物在奧氏體內的溶解，降低奧氏體碳含量，從而減少淬火組織的殘留奧氏體。

圖3 新工藝齒面淬火組織，2級（500×）

表1 磨裂齒面及無裂紋齒硬度梯度

表2 工藝調整前后數據對比

新工藝淬火后經200℃二次回火，金相組織如圖3所示為隱晶馬氏體、5%～8%殘留奧氏體。工藝調整前后數據對比如表2所示，原工藝公法線脹大0.5mm左右，新工藝處理后變形明顯改善，脹大了0.3mm左右。新工藝淬火的齒輪雖然硬度略低于原工藝，但仍能滿足技術要求。采用新工藝之后的3個批次齒輪再沒出現磨裂以及變形超差磨不過的問題。

4.結語

（1）采用合理的裝夾方式能有效降低薄壁齒輪的變形量，保證磨削量的均勻性，減少磨削過熱的機會。

（2）降低淬火溫度可有效減少淬火組織的殘留奧氏體含量，降低磨削回火導致磨削裂紋的傾向。

工藝調整有效地解決了凸輪軸齒輪淬火后變形超差以及出現磨削裂紋的問題。