靳 標(biāo)

（南京高精軌道交通設(shè)備有限公司，江蘇 南京 210000）

對(duì)于進(jìn)行滲碳、淬火熱處理的齒輪，如果變形量較大，將導(dǎo)致齒面精加工的磨削量不一致。對(duì)于磨削量較大的區(qū)域，有可能導(dǎo)致齒面硬度不足，有效硬化層深ECD 低于技術(shù)要求；反之，對(duì)于磨削量過(guò)小的區(qū)域則有可能出現(xiàn)齒面無(wú)法磨出、有效硬化層深超出范圍的情況。同時(shí)，變形大增加了磨削余量，增加了工序時(shí)間。我司生產(chǎn)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(xiàng)目初期零件熱處理變形控制效果較差，就出現(xiàn)了上述情況。

在齒輪件制造工藝中，熱處理是一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，比如本文研究的對(duì)象需要通過(guò)滲碳淬火，來(lái)增強(qiáng)齒輪表面硬度、強(qiáng)度，但在這一過(guò)程中，也很容易導(dǎo)致齒輪本身出現(xiàn)變形問(wèn)題。因此在實(shí)際進(jìn)行齒輪生產(chǎn)時(shí)，做好齒輪滲碳淬火熱處理變形的分析與改進(jìn)顯得尤為重要?；诖耍疚膰@所研究的齒輪，分析了導(dǎo)致齒輪在滲碳淬火熱處理過(guò)程中相關(guān)因素，制定相應(yīng)技術(shù)方案，控制零件變形，這對(duì)于提高齒輪生產(chǎn)質(zhì)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(jìn)行滲碳、淬火熱處理。零件采用豎直裝爐的方式。每爐裝12 個(gè)零件，零件之間用熱處理工裝滲碳?jí)|板隔開(kāi)，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(tǒng)計(jì)分析

對(duì)于前面2 爐零件，我們測(cè)量了滲碳后的公法線(xiàn)尺寸。測(cè)量取夾角90°兩處位置，每個(gè)位置上、下二個(gè)截面，共計(jì)4 個(gè)數(shù)值[4]。齒輪件公法線(xiàn)變形量用下式表達(dá)：

△W=( △W1+ △W2)/2

△W1=W11-W12

△W2=W21-W22

△W ：公法線(xiàn)變形量。正值表示零件倒“八”字變形，負(fù)值表示正“八”字變形。

△W1 ：位置1 公法線(xiàn)變形量。

△W2 ：位置2 公法線(xiàn)變形量。

W11、W12、W21、W22 ：分別代表位置1、位置2 上下截面所測(cè)公法線(xiàn)值。

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如下圖3 所示。

圖3 零件公法線(xiàn)變形

圖3 橫坐標(biāo)為相應(yīng)的零件編號(hào)，排列順序按照裝爐順序從左至右依次為自下至上?？v坐標(biāo)為公法線(xiàn)變形量，即△W。從分析結(jié)果上我們可以看出，上下零件變形相對(duì)較小，中間零件變形較大[5]。

經(jīng)分析，我們認(rèn)為中間零件變形較大是因?yàn)椴捎脤?shí)心結(jié)構(gòu)的熱處理墊板。實(shí)心墊板同零件緊密接觸后形成了一個(gè)類(lèi)似桶狀的結(jié)構(gòu)，零件的外圓和滲碳?jí)|板如同桶壁。這種情況影響了爐內(nèi)氣氛的對(duì)流，進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)內(nèi)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(dǎo)致中部的零件變形相對(duì)偏大，如圖4 所示。針對(duì)這種情況，我們對(duì)滲碳?jí)|板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改善，將實(shí)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(gè)均勻的氣氛和溫度場(chǎng)內(nèi)[6]，如圖5。

圖4 實(shí)心墊板將零件內(nèi)外部隔離

圖5 空心墊板的通孔利于氣氛的流通

同時(shí)，我們還試驗(yàn)分析了零件在不同滲碳溫度下的變形情況，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)和測(cè)量分析，得出不同滲碳溫度下齒輪淬火結(jié)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(nèi)孔錐度、端面翹曲等，均處于增加的狀態(tài)。隨著滲碳溫度的升高，齒輪前后節(jié)點(diǎn)位移值在逐漸增大，尤其是當(dāng)滲碳溫度在 940℃后，變形明顯增大，由此我們能夠認(rèn)識(shí)到，滲碳溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致齒輪變形增大，為有效改進(jìn)這一問(wèn)題，需要注重降低滲碳溫度，在實(shí)踐生產(chǎn)時(shí)，建議將滲碳溫度定為 880℃[7]。

同時(shí)，為了研究淬火溫度對(duì)齒輪變形影響，我們測(cè)量了研究對(duì)象在不同淬火溫度下，齒輪各種特征量的變形情況。從相應(yīng)結(jié)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(tài)。其中對(duì)于孔錐度和端面的翹曲而言，受淬火溫度變化帶來(lái)的變形影響更大。從中我們能夠了解到，應(yīng)在確保齒輪淬火強(qiáng)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(chǎn)生的變形。當(dāng)淬火溫度在800℃與 820℃時(shí)，齒輪熱處理變形幅度比較小，為了進(jìn)一步提升齒輪淬火的熱處理質(zhì)量，我們可以在傳統(tǒng)熱處理工藝基礎(chǔ)上，將淬火溫度降低為 820℃，能夠有效降低齒輪的內(nèi)孔錐度變形和端面翹曲的變形程度[8]。

3 跟蹤驗(yàn)證

熱處理溫度優(yōu)化及空心墊板投入使用后，本人持續(xù)跟蹤統(tǒng)計(jì)了63 批次，約756 個(gè)零件熱處理后的公法線(xiàn)變形情況。從整體上看，齒輪的公法線(xiàn)變形情況得到了較大的改善，詳見(jiàn)圖6。

圖6 使用空心墊板后的零件變形情況

圖6 的橫坐標(biāo)為每個(gè)熱處理批次的爐號(hào)，縱坐標(biāo)為該熱處理批次所有零件熱處理后公法線(xiàn)變形量絕對(duì)值| △W| 的平均值。從圖6 可以看出，后續(xù)所有爐次零件的公法線(xiàn)變形的平均值全在0.25mm 以?xún)?nèi)，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(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，滲碳?jí)|板在使用一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)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(duì)工裝進(jìn)行定期維修，確保其處于良好的狀態(tài)[10]。

4 結(jié)論

針對(duì)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(guò)程中的變形相對(duì)較小。同時(shí)，滲碳?jí)|板的變形會(huì)加劇零件的變形，要定期檢修滲碳?jí)|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(guān)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。