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薄壁齿轮渗碳淬火变形的控制

薄壁齿轮在渗碳淬火过程中,通常会出现平面翘曲、椭圆变形,磨齿时由于齿面余量分配不均,导致齿面黑皮及磨削台阶;造成左右齿面硬化层不均、表面硬度下降,严重时导致齿轮报废。为了解决这一问题,本文设计了水平装炉与悬挂装炉两种方式,下文对渗碳淬火过程及变形数据进行了详述。


1.工艺方法和过程

(1)齿轮参数  某齿轮产品参数如表1所示,简图如图1所示。


表1 齿轮参数

Mn

Z

α

β

齿顶圆/mm

齿宽/mm

层深/mm

硬度HRC

齿轮精度/级

材质

4

138

20°

23°4′26″

608

80

0.9~1.2

58~62

6

20CrMnMo



图1 齿轮简图


(2)热处理装炉方式

装炉方式一:水平放置,如图2所示。



图2 水平放置示意


装炉方式二:垂直悬挂放置,如图3、图4所示。



图3 垂直悬挂示意 



图4  其他炉次垂直悬挂实物

(3)热处理工艺曲线

如图5所示,设备使用AICHELIN 5/2A 箱式炉。




图5 热处理工艺曲线


3.结果与分析

(1)金相、硬度梯度、表面硬度均合格

金相组织形态按照JB/T6141.3及GB/T3480.5 进行判断如表 2所示。

表2  金相组织

K/级

Ar(%)

M/级

IGO/μm

F/级

2

15~20

2

18

3

(2)硬度梯度

如图6所示,层深DC=1.219mm/HV550。




图6  硬度梯度

(3)变形数据及磨齿情况

齿轮变形数据如表3所示。

表3  水平与悬挂放置渗碳淬火后节圆、端面跳动对比    


件号

位置

90°

180°

270°

总跳动

水平放置

件1

节圆/mm

0.74

0.61

0.61

0.43

0.31

端面/mm

0

1.15

0.47

1.3

1.3

件2

节圆/mm

0.86

0.55

0.86

0.92

0.37

端面/mm

1

1.35

1.82

1.36

0.82

悬挂放置

件1

节圆/mm

0

0.01

0

0.02

0.02

端面/mm

0

0.03

0.03

0.07

0.07

件2

节圆/mm

0

-0.01

-0.01

0.05

0.06

端面/mm

0.01

-0.04

-0.04

0.18

0.22

水平放置零件由于翘曲变形,齿形、齿向、节圆跳动过大,引起磨齿余量分配出现负值,磨削后部分齿面留有黑皮,部分齿面磨削台阶十分明显,最终报废;悬挂放置齿轮变形小,磨齿余量分配均匀,磨削后无黑皮,无台阶。


(4)结果分析

水平放置由于齿轮边缘悬空,渗碳过程轮缘自重引起蠕变,淬火瞬时,触油截面积大,且下端面较上端面先入油;由于瞬时两端面热应力及相变应力不平衡,导致上端面凸起,齿轮翘曲过大;反观悬挂放置,渗碳也存在高温蠕变,但齿轮轮缘不承受较大弯矩,同时淬火时两个端面平行入油,入油截面小,相变应力及热应力平衡对称,齿轮端面跳动及节圆跳动小于水平放置。


4.应用扩展

根据上述齿轮变形的原因分析,对于直径1140mm的齿轮也进行了悬挂装炉,也取得了十分良好的效果,齿轮参数如表4所示,装炉如图7所示,变形数据如表5所示。

表4   齿轮参数                                

Mn

Z

α

β

齿顶圆/mm

齿宽/mm

层深/mm

硬度HRC

齿轮精度/级

材质

8

137

20°

12°

1140

120

1.6~2.0

58~62

6

20CrMnMO



图7  装炉图片

表5  4件齿轮端面、节圆跳动数据

件号

位置

90°

180°

270°

总变形

件1

节圆/mm

0.53

0.51

0.55

0.5

0.05

端面/mm

0.45

0.3

0.6

0.5

0.3

件2

节圆/mm

1

1

1.07

1

0.07

端面/mm

0.4

件3

节圆/mm

0.9

0.92

0.97

0.92

0.07

端面/mm

0.58

0.8

0.7

0.9

0.32

件4

节圆/mm

0.25

0.22

0.23

0.28

0.06

端面/mm

0.7

0.6

0.35

0.4

0.35

                                    

5.结语

(1)对于Φ600mm×80mm的薄壁齿轮通过悬挂装炉使得渗碳淬火齿轮节圆跳动从平均0.34mm减小至0.04mm;端面平均跳动从1.06mm减小至0.15mm。


(2)对于Φ1140mm×120mm的薄壁齿轮通过悬挂装炉使得渗碳淬火齿轮节圆跳动控制在0.07mm以内;端面跳动控制在0.40mm以下。


相关文章:

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薄壁内齿套渗碳淬火变形后如何处理?

热处理:薄壁齿圈渗碳淬火畸变控制【案例分享】



作者:李小末,朱百智 

单位:南京高速齿轮制造有限公司 

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