盤狀齒輪熱處理變形控制措施

靳 標

（南京高精軌道交通設備有限公司，江蘇 南京 210000）

對于進行滲碳、淬火熱處理的齒輪，如果變形量較大，將導致齒面精加工的磨削量不一致。對于磨削量較大的區域，有可能導致齒面硬度不足，有效硬化層深ECD 低于技術要求；反之，對于磨削量過小的區域則有可能出現齒面無法磨出、有效硬化層深超出范圍的情況。同時，變形大增加了磨削余量，增加了工序時間。我司生產的某齒輪，如圖1，該零件材料為20CrMnMo，滲碳層深ECD 要求為1.8mm~2.2mm，齒面硬度要求為HRC58~62，零件直徑?700mm，重量150kg。在項目初期零件熱處理變形控制效果較差，就出現了上述情況。

在齒輪件制造工藝中，熱處理是一項重要環節，比如本文研究的對象需要通過滲碳淬火，來增強齒輪表面硬度、強度，但在這一過程中，也很容易導致齒輪本身出現變形問題。因此在實際進行齒輪生產時，做好齒輪滲碳淬火熱處理變形的分析與改進顯得尤為重要。基于此，本文圍繞所研究的齒輪，分析了導致齒輪在滲碳淬火熱處理過程中相關因素，制定相應技術方案，控制零件變形，這對于提高齒輪生產質量有著重要意義[2]。

圖1 零件形狀

1 熱處理裝爐方式

本零件采用井式爐進行滲碳、淬火熱處理。零件采用豎直裝爐的方式。每爐裝12 個零件，零件之間用熱處理工裝滲碳墊板隔開，整爐零件擺放在蜂窩板上[3]。裝爐方式如圖2 所示。

圖2 裝爐方式

2 齒輪熱處理變形統計分析

對于前面2 爐零件，我們測量了滲碳后的公法線尺寸。測量取夾角90°兩處位置，每個位置上、下二個截面，共計4 個數值[4]。齒輪件公法線變形量用下式表達：

△W=( △W1+ △W2)/2

△W1=W11-W12

△W2=W21-W22

△W ：公法線變形量。正值表示零件倒“八”字變形，負值表示正“八”字變形。

△W1 ：位置1 公法線變形量。

△W2 ：位置2 公法線變形量。

W11、W12、W21、W22 ：分別代表位置1、位置2 上下截面所測公法線值。

統計分析結果如下圖3 所示。

圖3 零件公法線變形

圖3 橫坐標為相應的零件編號，排列順序按照裝爐順序從左至右依次為自下至上。縱坐標為公法線變形量，即△W。從分析結果上我們可以看出，上下零件變形相對較小，中間零件變形較大[5]。

經分析，我們認為中間零件變形較大是因為采用實心結構的熱處理墊板。實心墊板同零件緊密接觸后形成了一個類似桶狀的結構，零件的外圓和滲碳墊板如同桶壁。這種情況影響了爐內氣氛的對流，進而導致出現內外部溫度和氣氛的差異，越是靠近中間的位置，情況越差，最終導致中部的零件變形相對偏大，如圖4 所示。針對這種情況，我們對滲碳墊板的結構進行了改善，將實心墊板改為空心墊板，以利于氣氛的流通，保證所有零件處于一個均勻的氣氛和溫度場內[6]，如圖5。

圖4 實心墊板將零件內外部隔離

圖5 空心墊板的通孔利于氣氛的流通

同時，我們還試驗分析了零件在不同滲碳溫度下的變形情況，通過對比試驗和測量分析，得出不同滲碳溫度下齒輪淬火結束的變形情況。從中我們能夠了解到，隨著滲碳溫度的升高，齒輪中的一些特征量，比如內孔錐度、端面翹曲等，均處于增加的狀態。隨著滲碳溫度的升高，齒輪前后節點位移值在逐漸增大，尤其是當滲碳溫度在 940℃后，變形明顯增大，由此我們能夠認識到，滲碳溫度過高會導致齒輪變形增大，為有效改進這一問題，需要注重降低滲碳溫度，在實踐生產時，建議將滲碳溫度定為 880℃[7]。

同時，為了研究淬火溫度對齒輪變形影響，我們測量了研究對象在不同淬火溫度下，齒輪各種特征量的變形情況。從相應結果中我們能夠了解到，隨著淬火溫度提升，齒輪的一些特征量，比如花鍵孔、端面翹曲等，均處于增加的狀態。其中對于孔錐度和端面的翹曲而言，受淬火溫度變化帶來的變形影響更大。從中我們能夠了解到，應在確保齒輪淬火強度及硬度的前提下，注重于做好淬火溫度的可行合理降低，更有利于以減小齒輪熱處理中產生的變形。當淬火溫度在800℃與 820℃時，齒輪熱處理變形幅度比較小，為了進一步提升齒輪淬火的熱處理質量，我們可以在傳統熱處理工藝基礎上，將淬火溫度降低為 820℃，能夠有效降低齒輪的內孔錐度變形和端面翹曲的變形程度[8]。

3 跟蹤驗證

熱處理溫度優化及空心墊板投入使用后，本人持續跟蹤統計了63 批次，約756 個零件熱處理后的公法線變形情況。從整體上看，齒輪的公法線變形情況得到了較大的改善，詳見圖6。

圖6 使用空心墊板后的零件變形情況

圖6 的橫坐標為每個熱處理批次的爐號，縱坐標為該熱處理批次所有零件熱處理后公法線變形量絕對值| △W| 的平均值。從圖6 可以看出，后續所有爐次零件的公法線變形的平均值全在0.25mm 以內，零件熱處理的變形情況得到了較大的改善[9]。

此外，作者在跟蹤零件變形的過程中還發現，滲碳墊板在使用一段時間后會產生變形，而隨著墊板變形的加大，零件的變形也加劇。因此，為了控制好零件變形，除了選擇合適的熱處理工裝以外，還需對工裝進行定期維修，確保其處于良好的狀態[10]。

4 結論

針對井式爐滲碳，堆垛式裝爐的餅狀齒輪，零件間采用空心墊板的方式，零件在滲碳過程中的變形相對較小。同時，滲碳墊板的變形會加劇零件的變形，要定期檢修滲碳墊板，保證定位面的平面度及平行度。熱處理溫度同零件變形有著較大的關系，在有條件的情況下，盡量選擇較低的熱處理溫度，有利于零件熱處理變形的控制。