羅麗霞， 李曉亮

（1.山西省平遙縣新產(chǎn)品開發(fā)研究所，山西 平遙 031100；2.山西省平遙減速器有限責任公司，山西 平遙 031100）

0 引言

隨著齒輪技術的發(fā)展，大模數(shù)齒輪不斷運用，尤其是在中硬齒面齒輪中，但因其模數(shù)較大而加工困難，尤其是在熱處理后其全齒面難以獲得設計要求的硬度值，在使用初期往往出現(xiàn)接觸不良或齒面很快產(chǎn)生點蝕導致短期失效等問題，因此其無法滿足使用要求而受到一定限制。如我們?yōu)槟晨蛻艏庸ぶ圃斓凝X輪其最大法面模數(shù)為22 mm，要求齒面調(diào)質硬度310～340 HB，如何對該齒輪進行合理加工，如何協(xié)調(diào)機加工與熱處理間的關系就成為一個很現(xiàn)實的問題。

1 據(jù)化學成分計算硬度值

目前對于小模數(shù)齒輪的加工，各生產(chǎn)廠家一般采取的工藝路線為：粗車→調(diào)質→精車→粗滾齒→精滾齒→入庫。從其工藝路線可知：工件是在整體調(diào)質后才進行輪齒的加工、成型。這樣安排的原因是：工件模數(shù)較小，其熱處理后輪齒獲得的淬硬深度較設計全齒高要深，輪齒全齒面能獲得設計要求的硬度值。而大模數(shù)齒輪的全齒高較小模數(shù)齒輪要大很多，其加工也能否按照傳統(tǒng)工藝進行，同樣條件下輪齒某一點的硬度如何，其齒面硬度能否滿足設計要求，如何提前對熱處理后的齒面硬度及淬硬深度等進行提前預判。對于以上問題的解決目前已經(jīng)有了多種有效的方法。下面推薦一種“從化學成分計算可淬透性問題”的計算方法供大家參考。

其實早在1942年格羅斯曼就提出了“從化學成分計算可淬透性問題”。近幾十年來隨著計算機技術的迅速發(fā)展及其在工業(yè)領域的普遍應用，特別是“數(shù)學冶金”這一分支的發(fā)展，關于淬透性的計算日益精確，已經(jīng)將其作為材料選擇、材料設計及制定熱處理工藝的重要手段[7]。由于“理想臨界直徑計算法“的缺陷，其在工業(yè)領域實用程度受到一定限制，故本文推薦采用“根據(jù)化學成分計算端淬曲線”法進行淬透性計算。

根據(jù)工件的化學成分計算端淬曲線,是一種根據(jù)鋼中化學成分直接計算距離端淬試樣水冷端某一點處的硬度值的計算方法。近年來關于淬透性計算的大量問題大都集中在其增值系數(shù)的研究上，但其作為淬透性計算的基本公式，仍然是各方研究的基礎重點[6-7,10]。

下面我們以本文開頭提到的齒輪為例，根據(jù)其相關參數(shù)及化學成分進行淬透性示例計算，齒輪的基本參數(shù)：模數(shù)為22 mm，齒數(shù)為85，齒寬為340 mm，全齒高約為50 mm，齒面硬度310～340 HB，材料為35CrMo。

我們依據(jù)國家標準GB/T 223、GB/T 4336對該齒輪進行了化學成分取樣化驗[14,17]，依據(jù)GB6394進行了金屬平均晶粒度測定[6-7,10]，同時其端淬試樣符合GB 225-2006規(guī)定[15]。具體化驗結果見表1，從表1可看出工件化學成分符合GB/T 3077-1999合金結構鋼化學成分規(guī)定[16]。

表1 齒輪化學成分及ASTM晶粒度表

我們依據(jù)賈斯特提出的公式對距水冷端6~80 mm范圍內(nèi)各點硬度進行計算，具體公式如下：

式中：J6－80為距水冷端6~80 mm范圍內(nèi)各點硬度；S為離水冷端距離，mm；K為ASTM晶粒度；其余字母表示各元素含量。

離水冷端距離小于6 mm處的硬度，由于合金元素的影響要比碳小得多，故此范圍內(nèi)硬度可按下式[6-10]估算：

根據(jù)以上兩式我們分別計算出距離水冷端2~80 mm范圍內(nèi)各點的硬度值，具體數(shù)值見表2所示。

表2 距離水冷端不同距離處的硬度值

2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表2計算結果，我們繪制了距離水冷端距離-硬度變化曲線圖，如圖1所示。

圖1 距離水冷距離-硬度變化曲線

通過分析圖1我們發(fā)現(xiàn)，在離水冷端6 mm以內(nèi)時，其各點淬硬硬度達50 HRC以上，該數(shù)值與相關標準中對該材料淬火后該深度硬度要求值相符；隨著離水冷端距離的逐漸加深，對應各點硬度值呈下降趨勢，在距離水冷端7~20 mm范圍內(nèi)時，各點淬硬硬度值能達到40 HRC以上，相對滿足該材料淬火后硬度要求；在距離水冷端大于20 mm后，其各點淬硬硬度值降至30~40 HRC之間，該硬度值已完全不能滿足相關要求。

對照本文開頭所提到的齒輪，其全齒高達50 mm，若采用齒坯整體調(diào)質后再開槽滾齒、成型的工藝，由計算結果可知，得到符合要求的硬度值其齒高深度僅為20 mm左右，其剩余齒面硬度則不能滿足設計要求，無法滿足使用要求，因而用此工藝對該模數(shù)齒輪進行加工是不合理的。

根據(jù)表2我們繼續(xù)分析：在距離水冷端20 mm以內(nèi)時，其各點淬硬硬度值基本滿足一般工況下對淬硬硬度值的使用要求，此時我們假設滿足該硬度值要求的齒輪為標準齒輪，則該齒輪的最大模數(shù)應不大于10 mm，即當齒輪模數(shù)不大于10 mm時，我們可以采取對齒坯整體調(diào)質后再進行輪齒加工、磨齒成型的工藝。齒輪模數(shù)大于10 mm時，其全齒面淬火硬度已不完全達到設計要求，不能采取傳統(tǒng)工藝進行加工。

通過以上分析我們得到以下結論：一般大模數(shù)齒輪體積和質量都較大，對齒坯整體進行調(diào)質時，由于受到鋼材淬透性等的影響，淬硬深度往往受到一定限制，其淬硬深度遠遠小于其全齒高，尤其是齒根部位達不到要求硬度值，采用高淬透性材料時其淬硬深度也是有限的；若采用先調(diào)質再開槽滾齒、成型時，其全齒面硬度得不到保證，因此我們不建議為了滿足切削加工方便或降低成本而采取傳統(tǒng)工藝對大模數(shù)齒輪進行加工。

對于大模數(shù)的劃分，目前暫無統(tǒng)一標準進行規(guī)定劃分，各廠家一般依據(jù)自身情況等進行劃分，我公司一般以模數(shù)12 mm作為分界點。

結合以上分析以及本公司多年來在大模數(shù)中硬齒面齒輪方面的生產(chǎn)經(jīng)驗，我們推薦對大模數(shù)齒坯的加工采用先開槽再調(diào)質處理，最后進行半精滾、磨齒成型的工藝，這樣能保證全齒面獲得設計要求且均勻的硬度值，尤其是齒根部位也能保證淬透，能滿足接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度的要求。具體工藝路線為：粗車→粗滾齒（開槽）→調(diào)質→精車→半精滾齒→磨端面、孔→磨齒→入庫。

我們對采用以上工藝加工的大模數(shù)齒輪齒坯在熱處理后進行了齒面硬度的檢測，檢測結果為：包括齒根部位在內(nèi)，其全齒面獲得設計要求均勻的硬度值，且與設計要求值相符[19]。

3 大模數(shù)中硬齒面齒坯的材料選擇

大模數(shù)中硬齒面齒坯采用先開槽后調(diào)質工藝。開槽后齒坯齒部與冷卻液直接接觸，改善了齒部冷卻條件，使得齒面尤其是齒根部位也能獲得設計要求的硬度值，因此在大模數(shù)中硬齒面齒輪選材時，在滿足使用條件的前提下可采用淬透性較低的合金元素的鋼材，從而降低成本[11-12]。

4 粗滾齒余量的合理控制

熱處理后工件勢必要發(fā)生變形，給后續(xù)的精車、精滾齒等工序帶來了極大影響，因此粗滾齒后的余量（切齒深度、齒厚、齒向等）控制十分重要。

以本文提到的齒輪為例，我們對熱處理后的工件變形量進行了統(tǒng)計，其熱處理后齒部最大變形量達3 mm，且均為無規(guī)則變形，因此齒輪類工件在設計時要注意防變形結構的合理設計。例如在鍛件齒輪設計時可將其設計成實心毛坯結構，鑄造、焊接齒輪設計時要注意腹板厚度及拉筋位置的合理布置[1-3]，一些薄壁工件或特殊結構齒輪等熱處理時可使用內(nèi)撐、外夾熱處理夾具，在爐內(nèi)放置時要保證工件四周受熱均勻，必要時要對工件進行水平找正等[4]。這些措施經(jīng)實踐證明對減小工件變形量都有一定作用。

對于齒輪軸類工件其主要變形為軸向彎曲，且變形量較齒輪要大很多，我們一般要求齒厚方向余量控制在6 mm左右，對于長徑比大于8的細長軸類工件余量控制更嚴格，其吊裝方式及在爐膛內(nèi)放置等都有一定要求，必要時在熱處理后對其進行壓力機的變形校直[5,8,13]。

5 刀具的合理選用及切削要素的合理確定

隨著切削技術的不斷發(fā)展，中硬齒面齒輪加工技術得以不斷改進和提高，尤其是新型刀具材料的出現(xiàn)使得加工變得簡單快捷。

我們原先使用普通高速鋼材料滾刀對中硬齒面齒輪進行精滾齒，在精滾齒結束后我們對滾刀齒形等進行了檢驗統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)滾刀最大磨損量達0.7 mm左右，損耗相當嚴重。針對此情況我們不斷進行試驗，改進工藝，最終采用如下工藝進行加工。

采用普通高速鋼材料滾刀對齒輪進行粗滾齒開槽，使用特殊材質滾刀進行精滾齒，這樣做不僅降低了成本，有效保護滾刀，延長使用壽命，最主要保證了齒輪精度。我們從山西某工具廠定制了M42鈷高速鋼的涂層滾刀，其綜合性能較好，淬火硬度也較高，特別適合中硬齒面齒輪的精滾齒，使用效果良好。合理選擇切削要素能最大限度發(fā)揮涂層滾刀性能，對提高中硬齒面大模數(shù)齒輪加工效率也十分有效，例如為了最大限度地發(fā)揮M42滾刀的加工性能，經(jīng)過多年實踐，以M20齒輪為例，在機床主軸為25～30 r/min，切削進給量為0.79 mm/r時，對刀具的使用最經(jīng)濟[1-3]。

6 結 語

開槽后調(diào)質再半精滾齒、磨齒成型是一項保證齒輪質量的重要措施，但在實際生產(chǎn)中會遇到各類問題。除了上述提到的各項解決措施外，企業(yè)相關部門還應合理解決機械加工與熱處理之間的矛盾，兩者有機結合，將效益最大化，成本最小化。同時生產(chǎn)管理人員應合理安排工藝流程，督促員工正確進行工藝操作，這些都是確保齒輪質量的重要措施。

本文所述大模數(shù)中硬齒面齒輪的加工工藝雖然比傳統(tǒng)工藝復雜，但其有效保證了產(chǎn)品質量，杜絕了質量隱患，是一項值得推廣的工藝。