內(nèi)花鍵齒輪熱處理變形分析

青海華鼎齒輪箱有限責任公司 （西寧 810021） 魏理林

我公司為某重載汽車公司生產(chǎn)一種內(nèi)花鍵齒輪，材質選用20Cr2Ni4A。內(nèi)花鍵的基本參數(shù)為：徑節(jié)12/24、壓力角30°、齒數(shù)14和跨棒距24.32～24.41mm。圖樣技術要求：齒輪整體滲碳淬火，表面硬度58～62HRC，結構如圖1所示。

圖1

一、零件特點及存在問題

此零件結構較復雜、壁薄、內(nèi)花鍵孔的兩端壁厚不對稱。試制時，熱處理后內(nèi)花鍵的變形沒有明顯的規(guī)律，同一批次產(chǎn)品熱處理后出現(xiàn)的變形雜亂無章，變形無規(guī)律。經(jīng)過多方面分析，最終確定影響變形的主要因素是零件本身的結構、原材料及熱處理工藝。

二、改進措施

作為對外承接產(chǎn)品，采用改變零件結構的方法來消除熱處理的變形極不現(xiàn)實，故要從原材料、冷加工工藝、熱處理3個方面加以解決。

1.嚴控原材料和鍛造質量

（1）原材料 目前鋼材存在來源雜、亂和質次價高的現(xiàn)狀，需加強鋼材管理，嚴格進廠檢驗，主要從以下幾點做到嚴把質量關：①檢查鋼材的低倍組織，包括一般疏松、中心疏松、方框偏析和邊緣點偏。②檢查鋼材中非金屬夾雜物的含量，包括A、B、C、D和DS類。③檢查鋼材中碳化物的級別，包括帶狀組織、網(wǎng)狀組織、不均勻性和偏析。④檢查鋼材的晶粒度，晶粒度必須6級以上。

（2）鍛造質量 鍛造工藝如不合理，就會使鍛坯過燒或過熱，從而導致晶粒粗大，直接影響內(nèi)在質量。粗大的晶粒在最終熱處理時會產(chǎn)生粗大組織，增大內(nèi)應力及變形量。故在鍛造方面，應從大型鋼廠直接買鋼材，然后派專業(yè)技術人員到鍛造廠家監(jiān)造，從鍛造工藝的合理性入手，對鍛造后低倍、高倍組織（包括非金屬夾雜物、晶粒度以及碳化物級別）進行大量的檢驗，確保鍛造后毛坯的各項指標合格。

通過嚴控原材料和鍛造質量試制兩批后，發(fā)現(xiàn)內(nèi)花鍵的變形有了很大的改觀，并且分析得到此種零件的熱處理變形規(guī)律主要是：孔壁較薄的上端花鍵孔熱處理收縮量和圓度比下端大，并且花鍵的上下進出口端帶錐度，對后期解決內(nèi)花鍵的變形起到了關鍵性作用。

2.合理選擇正火工藝

由于此零件結構較復雜，孔壁較薄，在滲碳淬火后變形量大，為得到均勻的奧氏體晶粒，把內(nèi)應力降低到最低，故在零件粗車后又增加了二次正火，且在執(zhí)行毛坯正火時將奧氏體化溫度適當?shù)靥岣叩?50℃，隨爐冷卻到350℃以下出爐空冷，并確保零件能夠較均勻冷卻，以保證其硬度均勻性和一致性。通過試驗數(shù)據(jù)（見附表）分析，得到了內(nèi)花鍵較精確的變形規(guī)律：跨棒距平均縮量為0.13mm，花鍵孔進出口帶0.08mm錐度。

內(nèi)花鍵跨棒距的檢驗數(shù)據(jù)表 （mm）

3.冷熱尺寸配合

控制熱處理變形，搞好冷熱加工配合相當重要。單靠冷加工提高精度為熱處理留更多的變形余量或單靠調整熱處理工藝減少變形都有難度。適當?shù)貙⒗兜腗值調整到24.48～24.53mm。加工幾批后，從試驗數(shù)據(jù)（附表）中可以看出，產(chǎn)品收縮量達到了預期的效果。

4.齒輪裝夾方式的合理性

齒輪裝夾方式的合理與否決定了齒輪在熱態(tài)下的受力形式和大小，也決定了淬火入油的方式，最終影響齒輪的熱處理變形。通過反復試驗，得出該種結構齒輪采用掛裝比平疊放置變形小，且有規(guī)律。分析原因主要是：

（1）豎直掛裝的方式下，齒輪在高溫下只承受自重，齒輪間作用力很小，淬火時齒輪豎立入油，該淬火方式使熱處理變形所引起的端面撓曲很小，相應地對內(nèi)花鍵的變形影響也很小。

（2）穿掛齒輪的心棒大小和形狀對齒輪花鍵孔變形有明顯的影響。用圓棒（O形）穿掛時，由于圓棒與孔的支撐是一條線接觸（見圖2a），圓棒與孔壁之間的間隙也不均勻，冷卻時受圓棒影響，在孔的圓周方向和軸線方向都會產(chǎn)生較大的溫差，使應力分布不均勻，孔的變形出現(xiàn)橢圓和反腰鼓形，產(chǎn)品的合格率低；后來將心棒改為X形（見圖2b），使心棒與孔為兩條支撐線接觸，齒輪的自重由孔壁上兩條線分擔，且心棒與孔壁之間的間隙呈90°均勻分布，變形沿孔圓周方向比較均勻，在淬火冷卻時，由于在軸線方向冷卻比較均勻，因此橢圓和錐度都減少了。從數(shù)據(jù)表中可以看出，采用此種掛裝方式能夠取得滿意的效果。

圖2

三、結語

控制和減少熱處理變形，首先要分析影響變形的因素，其次要控制和減少各種應力的產(chǎn)生，并使應力分布均勻有規(guī)律。通過對原材料和鍛件質量的控制，正火及裝爐方式的改進，對帶內(nèi)花鍵的齒輪的熱處理變形有了很大的改進作用，基本能滿足了技術要求。