滲碳淬火硬齒面齒輪磨齒余量的研究

吳 飛

（重慶航天職業技術學院，重慶 江北區 400021）

1 研究背景和問題引入

滲碳是將金屬工件放入含有活性碳原子的化學介質中，通過加熱，使介質中的碳原子擴散滲入工件的表層，改變其化學成分和組織并獲得與心部不同性能的熱處理工藝[1-3]。和表面淬火不同，滲碳后的工件表面不僅有組織的變化，而且也有化學成分的變化。因此滲碳是改變鋼的化學成分與性能的一種熱處理工藝。

滲碳一般由分解、吸附、擴散3個過程組成[4]。

分解是在一定溫度下從滲碳劑中的CO、CH4等分解出活性碳原子[C]的過程：

此反應產生的活性碳原子就是齒輪滲碳時表面碳原子的來源。

具有高能狀態的活性碳原子進入鐵晶格表面原子引力場范圍之內，被表面晶格捕獲并溶解，此過程被稱為吸附。剛分解出的活性碳原子首先被鋼的表面所吸附，然后活性碳原子向固溶體中溶解，碳原子以間隙原子溶入奧氏體中。

擴散是鋼件表面吸收并溶解活性碳原子后，由于鋼件表面和心部的碳原子濃度差，碳原子由高濃度表面向低濃度心部定向遷移的現象。擴散的結果是得到一定深度的擴散層。擴散層的特點是碳原子在表層的濃度最高，離開表層越遠，濃度越低。

在滲碳時，一般是把低碳鋼齒輪放入滲碳介質中，在900～950 ℃加熱保溫，使活性碳原子滲入齒面。（不需滲碳的部位事先涂上防滲碳涂層）。齒輪等重要機器零件經過滲碳及隨后的淬火和低溫回火，可以得到很高的表面硬度，耐磨性以及高的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度。但其心部仍保持低碳，具有良好的塑性和韌性。因此滲碳可以使同一種材料制作的機器零件兼有高碳鋼和低碳鋼的性能。從而使這些零件既能承受磨損和較高的表面接觸應力，同時又能承受彎曲應力和沖擊力負荷的作用。

一般地，滲碳這一道工序是在預滾齒或插齒之后進行的。在滲碳之后，由于碳原子進入了輪齒的表面，使輪齒的體積發生膨脹和變形，從而使齒輪的公法線的長度Wk變大了（見圖1），這就相當于增加了磨齒時的磨削余量。這會使加工成本大大增加。

圖1 齒輪的公法線長度

2 理論分析

滲碳過程中，碳原子進入輪齒表面會使輪齒的公法線長度Wk變大是不可避免的。為了使磨齒時的磨削余量不至于太大，可適當減小齒輪在預滾齒后的公法線長度。這個減小量理論上應該等于滲碳后公法線的增加量。因此確定滲碳后公法線長度的增加量是一個關鍵[5-7]。

要想準確地確定公法線長度在滲碳后的增加量是很困難的，因為它不僅與多種因素（如齒輪材料、滲碳層深度、模數等）有關，而且它本身又跨過了若干個齒槽，在齒槽處又沒有連續的材料膨脹。這些都給計算公法線長度的膨脹量帶來了困難。

有文獻提出一種方法來計算公法線長度在滲碳后的膨脹量。此方法認為預滾齒的齒輪在滲碳前和滲碳后的形狀是相似的（即認為輪齒的形狀都是相似形），因此滲碳前后的齒輪符合相似形的“對應尺寸成比例”的原理。

則由此原理可得如下公式：

式中：Dd為滲碳前齒頂圓直徑；Wk為滲碳前公法線長度；Dd1為滲碳后齒頂圓直徑；Wk1為滲碳后公法線長度。

從式（2）可看出，只要能夠預先知道滲碳前后齒頂圓直徑之比Dd1/Dd，就可以算出滲碳后的公法線長度Wk1，從而可以算出滲碳后公法線的增加量。

這些公式看起來似乎是正確的，但工廠的熱處理工程師的實踐表明，公式（1）并不完全正確。

多年實踐表明，齒輪滲碳前后的齒頂圓直徑之比：Dd1/Dd一般為1.000 6～1.001 4。而滲碳前后的公法線長度之比Wk1/Wk不一定在這個范圍之內。因此用公式（3）來計算ΔW不妥當。

比值Dd1/Dd不是一個絕對的定值，而是在一個范圍之內變化，這是因為Dd1/Dd受齒輪的結構的影響。

圖2為一典型的齒輪結構，內孔直徑為фd，分度圓直徑為фDf。d/Df之值是影響Dd1/Dd的最主要因素。

圖2 典型齒輪的結構

而比值Wk1/Wk在一般情況下也不是一個常數C，因為它與公法線跨測齒數、模數等有關，因此也不能用公式ΔW=（C-1）Wk來計算公法線的增加量。

設ΔDd=Dd1－Dd，為求出ΔW，應設法找出ΔW與ΔDd之間的關系式：

在滲碳時，只有齒輪的滲碳部位（輪齒表面、齒頂齒根、輪齒側面）被碳原子滲入，而齒輪的其他部位（內孔、輪轂、輪輻）不是滲碳部位。非滲碳部位在滲碳前就被預先涂上了防滲碳涂料，因此這些部位沒有被碳原子滲入。這些部位雖然沒有碳原子滲入，但在熱處理的過程中，仍然發生了膨脹，不過其膨脹的程度小于滲碳部位。

再加上齒輪齒頂圓的直徑通過的地方（如內孔、輪轂、輪輻）有具體的復雜結構。而公法線通過的地方有K個輪齒和（K－1）個齒槽。由于以上這一系列復雜的原因，所以無法找出ΔW與ΔDd之間的普遍關系式ΔW=f（ΔDd）。

但是齒輪制造工廠的工人和技術人員，經過長期的生產實踐和探索，還是發現了ΔW與ΔDd之間的定性關系：即公法線長度的膨脹量△W要比齒頂圓的膨脹量ΔDd小得多，ΔW大約是1/3～1/5倍的ΔDd。

3 解決方案

經過多年的分析比較和研究，得出了如下完整的齒輪滲碳淬火后磨齒加工的核心技術。

3.1 適用范圍

以下資料適用于模數為1.5～36 mm。分度圓直徑為30～4 000 mm，材料為20CrMnMo，20CrMnTi，17CrNi Mo6，20CrNiMo，20Cr2Ni4的滲碳淬火并磨齒的圓柱外齒輪。該資料對齒輪最終熱處理前的預滾齒公法線尺寸作了詳細說明。符號規定見表1。

表1 符號規定

3.2 基本要求

在滲碳前滾齒后的公法線最終工藝尺寸W按下列公式計算：

滾齒精度：8-9-8 GB10095；

滾齒后齒面粗糙度：不大于Ra6.3；

公法線理論值Wo按成品中差計算。

3.3 公法線工藝留量修正系數K1

公法線工藝留量修正系數K1與齒輪的形狀有關，見表2。

齒輪的形狀分為齒盤、齒圈、空心齒軸和齒軸4種。這4種形狀之外的特殊情況特殊對待。4種形狀的系數K1按不同情況選取。

（1）齒盤：d/ Df＜0.5，見表2中的第一圖。

當齒寬B≤225時，K1=1。

當225＜B≤400時，則K1對應增加多余部分的0.35倍。

當B＞400時，則K1對應增加多余部分的0.27倍。

（2）齒圈：d/Df≥0.6，見表2中的第二圖。

當齒寬度B≤225時，K1=1。

當225＜B≤400時，則K1對應增加多余部分的0.3倍。

當B＞400時，則K1對應增加多余部分的0.3倍。

（3）空心齒軸（軸中心為通孔）d/ Df≥0.3，見表2中的第三圖。

當B≤225時，K1=1。

當225＜B≤400時，則K1對應增加多余部分的0.3倍。

當B＞400時，則K1對應增加多余部分的0.27倍。

（4）齒軸（軸心有小孔或為實心），d/ Df＜0.3，見表2中的第四圖。

表2 齒輪形狀分類及公法線留量修正系數K1

續表

當B≤225時，K1=1

當225＜B≤400時，則K1對應增加其多余部分的0.3倍。

當B＞400時，則K1對應增加其多余部分的0.27倍。

如果是人字齒輪，其齒寬B1按下式計算：

B1=B（單邊齒寬）×1.3。K1值仍按表中相應的公式計算。

3.4 公法線基本留量W1

各種形式和材料的齒輪的公法線基本留量W1見表3—表6。

表3 齒盤滾齒公法線基本留量W1 單位：mm

表4 齒圈滾齒公法線基本留量W1 單位:mm

表5 空心齒軸滾齒公法線基本留量W1 單位:mm

續表5

表6 齒軸滾齒公法線基本留量W1 單位：mm

3.5 滲碳淬火后，齒頂圓直徑的膨脹量ΔDd

3.6 公法線長度預先減少量ΔW

（1）對于齒盤

當d/ Df＜0.37時，ΔW=0.15ΔDd

當0.37≤d/ Df＜0.5時，ΔW=0.20ΔDd

（2）對于齒圈

當Df≤1 000時，ΔW=0.26ΔDd

當Df≥1 000時，ΔW=0.31ΔDd

（3）對于空心齒軸和齒軸

ΔW=0.14ΔDd

4 結語

本研究中的數據對滲碳淬火硬齒面齒輪的磨削加工有重大的指導意義。經過多年的工廠實際使用表明，用以上的方法確定的滲碳淬火硬齒面齒輪的磨削余量不多也不少，而是恰到好處。這大大降低了齒輪的加工成本，提高了加工效率。