薄壁硬齒面內(nèi)齒圈加工工藝

■太原重型機(jī)械股份有限公司 （山西太原 030024） 朱 杰

圖1所示礦山工程用內(nèi)齒圈零件外徑為570m m，最大內(nèi)徑為509mm，壁厚為30mm。其壁厚為外徑的1/20，屬于薄壁類零件。零件材料為35CrMo，熱處理方式為調(diào)質(zhì)+滲氮，要求齒部硬度≥500HV，深度≥0.5mm，加工困難，熱處理變形嚴(yán)重。

圖1 內(nèi)齒圈零件結(jié)構(gòu)

零件的試制包括鍛造毛坯、機(jī)械加工、設(shè)計專用工裝、熱處理及生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)榷嗟拦ば颍?jīng)多次減小加工應(yīng)力、熱處理應(yīng)力，使零件獲得了較好的齒部精度和穩(wěn)定性，同時大幅提高了產(chǎn)品合格率。

1. 加工工藝

針對零件易變形的特點(diǎn)，確定內(nèi)齒圈加工的主要工序?yàn)椋哄懪鳌稹周嚒絺{(diào)質(zhì)→半精車→粗插齒→低溫時效→精車→組合磨→精插齒→鉗工→氮化→檢測。

2. 毛坯鍛造

毛坯鍛造工藝過程為：下料→加熱→鐓粗→壓平→沖孔→輾環(huán)→正火。

毛坯的制造采用鋼錠鐓粗沖孔后碾環(huán)的方式，改進(jìn)了金屬的致密度，細(xì)化了粗大的晶粒，可獲得均勻的壁厚。鍛后及時正火處理，可獲得較小的毛坯熱應(yīng)力，提高了切削性能。同時，碾環(huán)工藝使材料利用率提高12%左右，降低了生產(chǎn)成本。

3. 粗車、探傷

粗車工序切除加工表面的大部分加工余量，保證外圓、內(nèi)孔留余量8 m m，端面單邊留余量4m m，表面粗糙度值達(dá)Ra=6.3μm，為后續(xù)探傷做準(zhǔn)備。通過探傷工序，對零件內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。

4. 調(diào)質(zhì)

通過調(diào)質(zhì)作為預(yù)備熱處理工序，減少滲氮的畸變，使零件既獲得較高的強(qiáng)度，又獲得優(yōu)良的韌性、塑性及切削性能。

調(diào)質(zhì)采用的工藝為：850℃加熱×1.5h→油淬火→600℃回火×1.5h→爐冷→空冷。

調(diào)質(zhì)時應(yīng)注意全程起吊為平裝，采用分段加熱，淬火轉(zhuǎn)移時間控制在30s內(nèi)，爐冷至400℃等溫一段時間再空冷。通過調(diào)質(zhì)可達(dá)調(diào)質(zhì)硬度217～250HBW。

5. 半精車、粗插齒

半精車工序底部端面向上找正、夾緊，對自由公差的外圓、內(nèi)孔和齒頂圓車削至設(shè)計尺寸，其余外圓留余量2mm，并保證齒外圓表面粗糙度值達(dá)Ra=3.2μm，作為插齒工序找正基準(zhǔn)；零件翻面車其余尺寸至設(shè)計要求。

粗插齒工序，頂部端面向上，按已車齒頂圓找正、夾緊，找正誤差≤0.05m m，采用B級插齒刀進(jìn)行插齒，公法線留余量1mm左右。

6. 熱處理時效

高溫時效是由室溫緩慢均勻加熱到550℃進(jìn)行去應(yīng)力退火，保溫6h，再嚴(yán)格控制降溫速度至溫度150℃以下時出爐（要求爐內(nèi)溫度差在±25℃內(nèi)，升溫速度≤50℃/h，降溫速度≤20℃/h，避免產(chǎn)生二次應(yīng)力）。

通過該工序去除前期應(yīng)力，消除工件的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定組織和尺寸，改善力學(xué)性能。

7. 精車、插齒

精車工序?qū)ΨQ找正齒頂圓8個點(diǎn)，180°方向公差≤0.04mm，90°方向公差≤0.08mm，夾緊，采用專用扇形車削夾具可增大夾具與工件的接觸面積，車各部尺寸至圖樣要求。上止口車削一段表面粗糙度值達(dá)Ra=3.2μm，作為插齒工序找正基準(zhǔn)。零件調(diào)頭按相同工藝車削至圖樣要求。

插齒工序，頂部端面向上，按已車找正帶找正，采用A級插齒刀插齒。其中，第一次插削后余量為公法線0.2mm，切削速度采用16次/min；磨刀后插削到位，切削速度采用12次/min，加工至圖樣要求后，為避免齒部錐度，在徑向進(jìn)給量為0mm/z的情況下走一圈。

8. 氮化

氮化采用的工藝為：清洗→烘爐→升溫→保溫→升溫→保溫→降溫→空冷。

氮化前應(yīng)清洗干凈。氮化裝爐采用平裝，擺放要平穩(wěn)，無傾斜懸空。采用二段氣體氮化處理，先進(jìn)行200℃烘爐和300℃預(yù)氧化，再采用520℃×15h，氨氣分解率25%左右；二段滲氮560℃×12h，氨氣分解率50%左右；最后以40℃/h的降溫速度爐冷至160℃出爐空冷。滿足滲氮深度≥0.5mm的要求。經(jīng)對試塊檢驗(yàn)分析，滲層和硬度均符合技術(shù)要求，工件變形≤0.02mm。

9. 結(jié)語

內(nèi)齒圈材料為常見的35CrMo滲氮鋼。由于零件結(jié)構(gòu)屬薄壁類，故對生產(chǎn)技術(shù)要求較高。零件畸變是個系統(tǒng)工程，前期的毛坯制造、預(yù)備熱處理、加工制造、生產(chǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)及熱處理過程銜接直接影響最后的結(jié)果。加工過程采用統(tǒng)一基準(zhǔn)，以減小加工應(yīng)力。齒圈氮化處理通過合理的裝爐方式、氣壓和溫升，來保證滲氮變形。通過對多工序的嚴(yán)格控制，試制零件最終達(dá)到工件直徑變形≤0.02m m、徑向圓跳動≤0.02mm及齒部精度7級，完全滿足圖樣和使用要求。

專家點(diǎn)評

該文針對薄壁齒圈的加工難點(diǎn)，在工藝試制過程中，從鍛造毛坯、機(jī)械加工、專用工裝及熱處理工藝等方面采取措施，以減小變形應(yīng)力，提高了零件的齒部精度和穩(wěn)定性，為薄壁齒圈的加工和質(zhì)量控制積累了經(jīng)驗(yàn)。

文章的亮點(diǎn)是工藝過程的完整性。工序內(nèi)容簡明扼要，無一句冗詞贅語。精車和插齒工藝基準(zhǔn)一致，熱處理過程銜接合理，通過對多工序的嚴(yán)格控制，試制零件的齒部精度完全滿足圖樣要求。