從動齒輪壓力淬火熱處理工藝與變形控制

中航工業常州蘭翔機械有限責任公司 （常州 213022） 牟宗平 牟 暢

我公司生產的某型號從動齒輪是減速器中高精度圓柱斜齒輪，總加工工序有59道，冷加工過程中對尺寸精度要求高，其中關鍵工序就有11道。因此，對熱處理的變形要求很高，不僅受控尺寸多，而且允許變形量極小，個別尺寸變形量要求達到0.01mm。

最為關鍵的是，受材料性能和工藝條件的限制，該零件高溫熱處理后必須一次成形，沒有返工機會，如果報廢，廠內單件廢品損失上萬元。多年來，該零件合格率一般不超過60%。

1.零件結構及加工工藝

從動齒輪材料為18Cr2Ni4WA（電渣無發紋），外觀如圖1所示。

圖1 從動齒輪外觀

熱處理工序有8道，主要加工工序為：毛坯→調質→鍍銅→機加工→補鍍銅→滲碳高溫回火→齒部加工→壓力淬火→冷處理→低溫回火→退銅→磨齒→時效→無損檢測。

該從動齒輪結構如圖2所示，機加工藝對滲碳淬火熱處理工序提出的尺寸控制具體技術要求為：軸頸A、B徑向圓跳動≤0.01mm，凸凹兩大端面對軸徑A、B徑向圓跳動≤0.18mm，f315mm齒圈徑向圓跳動≤0.15mm，基準尺寸為（8.05±0.1）mm和（9.97±0.1）mm，滲碳面硬度≥60HRC。

圖2 從動齒輪示意

2.熱處理變形超差與分析

通過對兩個批次，18件從動齒輪滲碳淬火前后6個主要尺寸變形情況的統計，尺寸超差頻數見表1，滲碳淬火工序尺寸超差主要原因是凸凹端面對A、B軸頸的徑向圓跳動不合格。

表1 超差情況統計

滲碳零件的表面和心部含碳量不同，有不同的奧氏體等溫轉變圖，淬火冷卻時表面和心部將發生不同的相變。

根據滲碳淬火零件的普遍變形規律，結合該零件的實際形狀和尺寸，對其主要尺寸的變形趨勢進行具體分析，見表2。

表2 變形趨勢分析

3.工藝試驗與變形控制

滲碳及淬火加熱工序在RJJ－90井式滲碳爐中進行，由于該零件的熱處理組織和性能要求極高，馬氏體和殘留奧氏體級別≤4級，碳化物≤3級，表面硬度為58～62HRC，心部硬度為30～45HRC，故滲碳溫度（900℃）及淬火溫度（820℃）都有極為嚴格的工藝規定。為減少零件淬火變形，主要從以下三個方面進行工藝試驗和變形控制。

（1）設備與參數選定 由于其外徑尺寸大、輪輻薄、結構復雜，為有效控制淬火變形，選用Y9050A型齒輪液壓淬火機床進行壓力淬火，該液壓淬火機床主機結構如圖3所示。

圖3 液壓淬火機床工作示意

壓床主機由床身、上下壓模組成，上壓模由內外環和中心壓桿及聯接裝置組成，內外環和中心壓桿可分別獨立對零件施壓，零件在淬火過程中對齒輪端面間斷地施以脈沖壓力。泄壓時，淬火零件自由變形。加壓時，矯正變形，在循環壓力交替作用下，零件淬火變形得到較好的矯正。

由于該零件主要變形尺寸為齒輪外端面對A、B軸頸的徑向圓跳動超差，且為不規則變形，故選擇施壓組合時，采用中心壓桿壓力固定，施壓在A、B軸頸的端面上，而采用脈動循環壓力，施壓在齒輪外端面上，在壓力淬火過程當中，軸頸A、B的垂直度在固定壓力下得到較好的保證。而與此同時，齒輪外端面在循環脈動壓力的交替作用下，其淬火過程中產生的熱應力和組織應力變形得到較好矯正。

淬火油溫的選擇，也會對零件變形產生影響。油溫升高，零件淬火熱應力相應減少，同時，油溫升高后，淬火油的流動性增強，零件各部位淬火冷卻均勻性更好，熱應力也更小，零件的淬火變形相對減小。因此，在考慮設備允許的前提下，淬火油溫選擇為80℃，試驗效果較為理想。

在實際操作過程中，中心壓桿及外環壓力大小的選擇、脈動施壓頻率的調整，以及噴油冷卻時間和噴油量的選定，都對零件的壓力淬火變形產生較大的影響。經過大量工藝試驗，從動齒輪的壓力淬火參數見表3。

表3 壓力淬火參數

（2）淬火模具設計 淬火模具應當結合零件結構特點和變形規律，對關鍵變形部位施以合適的壓力，保證壓力淬火對零件變形的矯正作用。同時也應結合設備噴油冷卻模式和零件結構特點，通過增加設計導油孔、導油槽等結構，加強淬火油的循環冷卻能力，使得零件各部位冷卻更均勻，變形量更小。

設計并制造中心壓模，如圖4所示。其中f20mm平面是重要傳力面，保證中心套模的壓力通過它能均勻施壓到零件凸軸根部，保證A、B軸頸的垂直度。考慮到零件熱脹冷縮，內孔（f69±0.2）mm與零件凸軸相配，保證0.2mm的間隙配合。為保證零件各部均勻冷卻，減少變形，設計56個f10mm孔為泄油孔。

圖4 中心壓模

圖5 外環模

設計并制造外環模（見圖5），與Y9050A型齒輪淬火機床配裝，淬火時B面（f320mm與f270mm組成的環平面）施壓在零件的齒圈外端面上，通過施以脈動循環壓力，保證齒圈外端面的尺寸變形。為保證齒圈外端面的淬火硬度，B面銑花盤式過油槽。

設計并制造中心套模（見圖6），與齒輪淬火機床配裝，將液壓機的中心桿壓力施壓到中心壓模上。

圖6 中心套模

圖7 補償墊片

設計并制造補償墊片，如圖7所示。在試驗過程中，經常出現零件凸面上鼓現象，導致基準尺寸8.05mm、9.97mm難以保證的現象。由于零件結構的原因，造成齒輪輻板凸凹兩面淬火冷卻速度不一致，凸面冷卻速度大于凹面冷卻速度，導致凸面上鼓。為此設計并制造了補償墊片。淬火時，將補償墊片置于齒輪輻板凸面上，能有效平衡好凸凹兩面的冷卻速度，從而減少零件的變形。補償墊片上的開口，起到調節冷卻面積的作用，可經試驗確定尺寸。

（3）淬火冷卻介質 為了盡力減少以熱應力為主引起的變形，保證零件淬火后達到表面和心部硬度的要求，盡量采用在高溫區冷卻能力低，而在低溫區有較高冷卻速度的淬火介質。熱油能夠增大淬火冷卻介質的流動性，又能縮小與零件的溫差，從而有利于減少齒輪變形，以常用的全損耗系統用油進行試驗，黏度較大的全損耗系統用油對減少變形有利，本試驗選用L－AN46全損耗系統用油，油溫控制在80～100℃，試驗效果良好。

4.試驗結果

經過對試驗件反復的冷調、熱調、單件試淬火后，采用上述循環脈動淬火工藝、改進熱處理夾具和模具設計的工藝方法，使用Y9050A型齒輪淬火機床壓淬了18件從動齒輪，從實測數據分析可知，該零件主要尺寸熱處理變形合格率達到98%以上，取得了良好的工藝改進效果，滿足了生產的需求，并取得良好的經濟效益。