帶內花鍵零件的畸變控制方法

崔 鼎，車永平

(西安法士特汽車傳動有限公司，陜西 西安 710119)

在滲碳熱處理過程中，整個零件畸變帶寬的大小是重點關注對象之一。比如，某一零件經熱處理后收縮最大可到0.15 mm，但如果其帶寬只有0.04 mm，則其只需要根據熱處理后零件的相關尺寸來優化熱處理前工藝尺寸，零件的畸變也是相對容易控制的；若該零件的畸變一致性超過0.1 mm，對于公差只有0.1 mm的零件來說，熱處理控制的難度將是巨大的。

因此，基于齒輪中內花鍵的畸變規律，類比于材料中淬透性帶的概念，提出了淬火畸變公差帶的概念，即可理解為不同熱處理條件下(淬火介質、攪拌速度、備料方式和淬火溫度等)，同一零件內花鍵最大畸變量與最小畸變量的差值。可以認為，所有降低淬火畸變公差帶的方式對熱處理畸變的改善均是有益的。

1 內花鍵畸變因素分析

對于某一特定產品，影響熱處理畸變關鍵的因素主要是零件結構類型、熱處理前的工藝尺寸、材料類型、熱處理工藝、鍛造正火工藝等[1]。

1.1 零件結構類型

零件的結構類型對淬火畸變公差帶影響較大。類似于圖1的片齒類零件，由于沿內花鍵齒寬方向的有效厚度差異大，即兩端小，中部大，在熱處理過程中的畸變主要表現為兩端收縮大、中部收縮小的不一致狀況。

圖1 典型帶內花鍵零件

對于該類結構，一般需要通過降低冷卻速度、增加熱補償或改善鍛造組織均勻性等方式適當降低淬火畸變公差帶，同時要對熱處理前的工藝尺寸設計提出較高的要求[2]。根據熱處理的畸變規律，讓熱處理前的零件加工在尺寸上進行補償，比如使花鍵中間尺寸加工小些。若是通過上述的方式依舊無法有效降低淬火畸變公差帶寬，則需要通過壓淬或固定芯軸的方式對其進行限形淬火。因此，在零件前期的結構設計時，應盡可能采用對稱性、規整性更高的設計方案，更有助于后續的工藝開發及批量生產。

1.2 熱處理前工藝尺寸

熱處理前工藝尺寸的影響主要體現在以下3個方面：①決定了零件的最大允許畸變量；② 內花鍵的錐度對熱處理畸變有一定影響；③工藝階段的加工殘余應力。

通常，內花鍵的公差要求多為0.1 mm，假設某一零件圖紙要求內花鍵的跨球距公差為47.00～47.10 mm，若熱處理前工藝尺寸為(47.10±0.02)mm，則可以認為該工藝在熱處理階段的畸變趨勢為收縮，且熱處理階段的允許最大收縮量為0.08～0.12 mm，且當熱處理前工藝分別處于上差、下差時，熱處理階段的最大允許收縮量為0.12、0.08 mm。

假設該零件的“淬火畸變公差帶”為0.08 mm，最小收縮畸變量為0.04 mm時，則當熱處理前尺寸為中差47.10 mm時，該零件的預期廢品率將達到25%，即可認為該零件的熱處理前工藝尺寸是不合適的，最優的熱處理前工藝尺寸應該為(47.14±0.02)mm。

內花鍵的加工方式主要有插花鍵和拉花鍵兩種，而后者由于工藝效率高，應用更為廣泛。由于拉花鍵的工藝特點：其出刀口與進刀口總存在一定的錐度，且內花鍵的齒寬越大，錐度通常也越大。因此，該工藝本身就帶有一定的畸變，進而影響產品的整體合格率。熱處理前加工的殘余應力會在熱處理畸變過程中獲得釋放，并對熱處理階段的畸變產生一定影響，但該影響相對較小，非重要因素。

1.3 材料類型

材料淬透性對零件的畸變也有重要影響。通常來說，淬透性越高的材料，淬火畸變公差帶也越大。表1為20CrMnTiH鋼和8620RH鋼的淬透性對比。可以看出，前者的淬透性高于后者，這也就一定程度上解釋了同一種結構零件，20CrMnTi鋼零件比8620RH鋼零件更容易畸變的根本原因。

表1 鋼的淬透性公差帶(端淬值, HRC)

對于同一種材料，材料淬透性帶寬也對淬火畸變公差帶有影響。基于熱處理畸變的考慮，材料淬透性帶寬越小越好。然而，淬透性帶寬主要是由材料的化學成分波動導致的。目前，在工業生產中，一般要求淬透性公差帶控制在6 HRC；對于某些特殊要求的零件，淬透性公差帶甚至要求控制在4 HRC，但材料的工業成本也大大提高。

1.4 熱處理工藝

1.4.1 冷卻速度

熱處理工藝制定的時候，首先要考慮的是冷卻速度。影響冷卻速度的因素主要有結構類型、材料類型、淬火介質、攪拌速度、備料方式等，需要針對產品具體的工藝要求進行合理的匹配。此外，零件的加熱速度、淬火溫度等也是熱處理工藝制定需要考慮的重要因素，一般緩速加熱可提高零件升溫的一致性；淬火溫度降低也可在一定程度上降低產品的熱應力，進而有助于畸變的一致性[3]。

1.4.2 熱處理方式

熱處理方式主要分為直接滲碳淬火、帶心軸工裝滲碳后直接淬火、滲碳緩冷+帶心軸加熱淬火、滲碳緩冷+壓淬。對于某一種零件來說，通常需要對4種方案的產品合格率及成本進行綜合分析，針對不同零件篩選出最優的工藝方案。

1.5 鍛造正火工藝

鍛造正火工藝主要包含了鍛造及預備熱處理過程，目的是為了獲得均勻一致的毛坯組織，為后續的機加工及熱處理做準備。基于模鍛的材料利用率及效率均較高，等溫正火后的鍛件具有硬度均勻，晶粒細小，帶狀組織輕微的特點，目前大多采用模鍛+等溫正火的工藝。

圖2為某Cr-Mo系列齒輪鍛件的等溫正火工藝，其中加熱溫度、保溫時間、冷卻速度(裝載量、冷卻速度、冷卻均勻性)、等溫溫度、等溫時間均對零件的鍛造正火組織有重要影響。圖3為不同加熱溫度下某齒輪鍛件的正火組織，當溫度為940～950 ℃時，出現了混晶組織，可見加熱溫度對組織的一致性有重要影響。

圖2 某Cr-Mo系列材料的等溫正火工藝

圖3 不同加熱溫度下某齒輪鍛件的正火組織

圖4為不同冷卻速度下某齒輪鍛件的正火組織。可以看出，冷卻速度慢時出現了帶狀組織，冷卻速度較快時，則出現了斷離珠光體。因此，合適的冷卻速度對組織的均勻性也有重要影響。

圖4 不同冷卻速度下某齒輪鍛件的正火組織

需要說明的是，鍛造毛坯不同部位的組織差異較大，這是由模鍛特點決定的，其無法像自由鍛一樣通過多次鍛打提高組織的均勻性。但是，鍛造時要盡可能保證纖維流線呈對稱分布，并控制鍛造正火工藝的穩定性，保證在同一維度下對后續產品的畸變規律進行分析[4]

2 不同結構類型的內花鍵畸變規律

齒輪結構類型不同，其內花鍵的畸變規律也是不同的。目前，對于帶外齒的內花鍵零件(含外圈為光軸的結構)，基于大量的畸變數據，主要采取了零件的有效厚度作為評價標準，其簡單的計算方法：零件有效厚度=(外齒節圓直徑-內花鍵節圓直徑)/2。

2.1 熱處理后內花鍵尺寸收縮

經滲碳淬火后，大部分零件內花鍵呈縮小趨勢(相較熱處理前的工藝尺寸)，且壁厚越薄、淬火烈度越高，收縮的程度越大。對于沿內花鍵齒向方向有效厚度不均勻的零件來說，如圖1所示為我公司的某零件，主要特征是零件中部有效厚度大，可達65.3 mm，兩端僅為8.8 mm(外圈為光軸)。圖5為該零件滲碳淬火后油冷的12組尺寸收縮數據的統計圖。可以看出，端口及中部均呈收縮趨勢，且兩端的收縮量明顯大于中部，體現了收縮的不均勻性。

2.2 熱處理后內花鍵尺寸漲大

該類零件的主要特征如圖6所示，其有效厚度較小，外齒的畸變對內花鍵影響較大，造成了內花鍵跨球距呈漲大趨勢。當零件有效厚度為10.7 mm，經滲碳淬火后內花鍵尺寸平均漲大0.03 mm；當零件的有效厚度為20.6 mm時，也表現出相同的規律。

圖6 內花鍵尺寸漲大的結構示意圖

2.3 熱處理后內花鍵尺寸不變

該類零件的主要特征如圖7所示，其零件有效厚度為32.3 mm，對其熱處理后數據測量可知其內花鍵尺寸基本與熱處理前工藝參數保持一致，即漲縮平衡。

圖7 內花鍵尺寸不變的結構示意圖

基于冷熱畸變數據分析可以看出，在熱處理工藝相同的情況下，內花鍵的漲縮與零件的有效厚度相關性較大。對于帶外齒的零件結構，內花鍵跨球距尺寸與零件的有效厚度呈現出先漲后縮的連續變化趨勢，且中間會存在漲縮平衡點；而對只含有內花鍵的零件或結構，整體上呈收縮趨勢。但是需要注意的是，熱處理畸變的根本機理是熱應力與相變應力導致的不均勻畸變，上述只是對畸變的宏觀規律進行了分析。

3 基于畸變規律的熱處理方案

常用的滲碳熱處理方式主要分為3種，直接滲碳淬火、帶芯軸工裝的直接淬火/或二次加熱淬火和壓淬。本小節對3種熱處理方式進行分析，并對內花鍵畸變后的返修方案進行介紹。

3.1 直接滲碳淬火

直接滲碳淬火，簡稱為直淬，是最節省成本的方式，這也是帶內花鍵類零件首選的熱處理方式。若零件淬火畸變公差帶在合理范圍之內均優先使用直淬工藝。

調節淬火畸變公差帶的方式主要有降低冷卻速度(淬火油、攪拌速度、油品等)、淬火均勻性(材料淬透性帶、加工應力、備料方式、鍛造正火工藝等)以及產品設計特征(材料選擇、結構類型等)等。因此，可以看出，當零件結構設計、熱處理前工藝尺寸以及材料類型確定后，熱處理工藝階段對畸變的整體調整是有限的。

3.2 帶芯軸淬火

帶芯軸淬火主要分為帶芯軸工裝的直接淬火/或二次加熱淬火，芯軸的目的是使零件的有效厚度差變小，也是降低零件淬火畸變公差帶的方法之一。然而，通常芯軸的尺寸設計需要基于大量的實踐經驗，耐熱鋼是芯軸材料的最佳選擇。

3.3 壓淬

壓淬是滲碳正火+二次加熱+限行淬火的簡稱，其主要應用于淬火畸變公差帶大的零件，采用直淬或帶芯軸淬火合格率低的產品。壓淬是在零件冷卻的過程中，通過芯軸的持續擴張來限制內花鍵過度收縮的過程，其可認為是第二種方案的一種優化。通常來說，合理的壓淬工藝與模具相匹配可以較好地解決內花鍵的畸變問題，但是由于其生產效率低、成本大，常用于附加值較高的產品。

3.4 返修方案

對于內花鍵畸變后的塞規不過零件，可以采用“花鍵校正推刀”進行擴孔修復工藝進行返修，即熱處理后硬拉花鍵。然而該硬質拉刀成本較高，且磨損率高，只適應于附加值極高的工件，目前并未在我公司使用。此外，也可通過壓淬進行一定程度的返修，但返修工藝波動較大，合格率一般較低。

4 結論

本文提出了淬火畸變公差帶的概念，并對影響淬火畸變公差帶的各種因素，如熱處理前工藝尺寸、零件結構類型、材料類型、熱處理工藝、鍛造正火工藝等進行了分析，并對影響內花鍵熱處理畸變的各工藝參數進行了一定的剖析。同時，對我公司常見的產品類型，提出了零件有效厚度，分析了不同結構零件的畸變趨勢，并給出了建議的熱處理方案。