薄壁齒輪在滲碳淬火過程中,通常會出現平面翹曲、橢圓變形,磨齒時由于齒面余量分配不均,導致齒面黑皮及磨削臺階;造成左右齒面硬化層不均、表面硬度下降,嚴重時導致齒輪報廢。為了解決這一問題,本文設計了水平裝爐與懸掛裝爐兩種方式,下文對滲碳淬火過程及變形數據進行了詳述。
1.工藝方法和過程
(1)齒輪參數 某齒輪產品參數如表1所示,簡圖如圖1所示。
表1 齒輪參數
Mn | Z | α | β | 齒頂圓/mm | 齒寬/mm | 層深/mm | 硬度HRC | 齒輪精度/級 | 材質 |
4 | 138 | 20° | 23°4′26″ | 608 | 80 | 0.9～1.2 | 58～62 | 6 | 20CrMnMo |
圖1 齒輪簡圖
(2)熱處理裝爐方式
裝爐方式一:水平放置,如圖2所示。
圖2 水平放置示意
裝爐方式二:垂直懸掛放置,如圖3、圖4所示。
圖3 垂直懸掛示意
圖4 其他爐次垂直懸掛實物
(3)熱處理工藝曲線
如圖5所示,設備使用AICHELIN 5/2A 箱式爐。
圖5 熱處理工藝曲線
3.結果與分析
(1)金相、硬度梯度、表面硬度均合格
金相組織形態按照JB/T6141.3及GB/T3480.5 進行判斷如表 2所示。
表2 金相組織
K/級 | Ar(%) | M/級 | IGO/μm | F/級 |
2 | 15～20 | 2 | 18 | 3 |
(2)硬度梯度
如圖6所示,層深DC=1.219mm/HV550。
圖6 硬度梯度
(3)變形數據及磨齒情況
齒輪變形數據如表3所示。
表3 水平與懸掛放置滲碳淬火后節圓、端面跳動對比
件號 | 位置 | 0° | 90° | 180° | 270° | 總跳動 | |
水平放置 | 件1 | 節圓/mm | 0.74 | 0.61 | 0.61 | 0.43 | 0.31 |
端面/mm | 0 | 1.15 | 0.47 | 1.3 | 1.3 | ||
件2 | 節圓/mm | 0.86 | 0.55 | 0.86 | 0.92 | 0.37 | |
端面/mm | 1 | 1.35 | 1.82 | 1.36 | 0.82 | ||
懸掛放置 | 件1 | 節圓/mm | 0 | 0.01 | 0 | 0.02 | 0.02 |
端面/mm | 0 | 0.03 | 0.03 | 0.07 | 0.07 | ||
件2 | 節圓/mm | 0 | -0.01 | -0.01 | 0.05 | 0.06 | |
端面/mm | 0.01 | -0.04 | -0.04 | 0.18 | 0.22 |
水平放置零件由于翹曲變形,齒形、齒向、節圓跳動過大,引起磨齒余量分配出現負值,磨削后部分齒面留有黑皮,部分齒面磨削臺階十分明顯,最終報廢;懸掛放置齒輪變形小,磨齒余量分配均勻,磨削后無黑皮,無臺階。
(4)結果分析
水平放置由于齒輪邊緣懸空,滲碳過程輪緣自重引起蠕變,淬火瞬時,觸油截面積大,且下端面較上端面先入油;由于瞬時兩端面熱應力及相變應力不平衡,導致上端面凸起,齒輪翹曲過大;反觀懸掛放置,滲碳也存在高溫蠕變,但齒輪輪緣不承受較大彎矩,同時淬火時兩個端面平行入油,入油截面小,相變應力及熱應力平衡對稱,齒輪端面跳動及節圓跳動小于水平放置。
4.應用擴展
根據上述齒輪變形的原因分析,對于直徑1140mm的齒輪也進行了懸掛裝爐,也取得了十分良好的效果,齒輪參數如表4所示,裝爐如圖7所示,變形數據如表5所示。
表4 齒輪參數
Mn | Z | α | β | 齒頂圓/mm | 齒寬/mm | 層深/mm | 硬度HRC | 齒輪精度/級 | 材質 |
8 | 137 | 20° | 12° | 1140 | 120 | 1.6～2.0 | 58～62 | 6 | 20CrMnMO |
圖7 裝爐圖片
表5 4件齒輪端面、節圓跳動數據
件號 | 位置 | 0° | 90° | 180° | 270° | 總變形 |
件1 | 節圓/mm | 0.53 | 0.51 | 0.55 | 0.5 | 0.05 |
端面/mm | 0.45 | 0.3 | 0.6 | 0.5 | 0.3 | |
件2 | 節圓/mm | 1 | 1 | 1.07 | 1 | 0.07 |
端面/mm | — | — | — | — | 0.4 | |
件3 | 節圓/mm | 0.9 | 0.92 | 0.97 | 0.92 | 0.07 |
端面/mm | 0.58 | 0.8 | 0.7 | 0.9 | 0.32 | |
件4 | 節圓/mm | 0.25 | 0.22 | 0.23 | 0.28 | 0.06 |
端面/mm | 0.7 | 0.6 | 0.35 | 0.4 | 0.35 |
5.結語
(1)對于Φ600mm×80mm的薄壁齒輪通過懸掛裝爐使得滲碳淬火齒輪節圓跳動從平均0.34mm減小至0.04mm;端面平均跳動從1.06mm減小至0.15mm。
(2)對于Φ1140mm×120mm的薄壁齒輪通過懸掛裝爐使得滲碳淬火齒輪節圓跳動控制在0.07mm以內;端面跳動控制在0.40mm以下。
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作者:李小末,朱百智
單位:南京高速齒輪制造有限公司
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