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齿轮热处理变形及预防

时间:2010-11-12 12:47:46  来源:中国金属加工在线  作者:

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    变速箱齿轮在渗碳淬火过程中的变形问题一直是困扰和阻挠热处理生产的一大障碍,有效地控制热处理变形是降低成本和提高生产效率的有效手段。
 
  为了控制变形,一般企业都会严格控制原材料淬透性带宽、等温正火质量、渗碳淬火冷却,以及校直等工序质量,来保证渗碳淬火后变形规律性。本文主要探讨渗碳淬火工序及校直工序对产品变形的影响。
 
  1. 轴齿类零件变形预防及控制
 
    轴齿类的变形主要表现在两个方面:一方面是齿跳;另一方面是齿形、齿向变化。轴类产品渗碳淬火后要进行校直才能进行齿形齿向的检测,在实际生产中齿跳检测比较麻烦、效率低,因此一般厂家均采用测量相邻近部位轴向跳动来间接反映齿跳的大小。
 
  在实际生产中我们也发现,变形的原因各不相同,有些是真正变形,有些是因为测量基准变化或遭到破坏而造成测量误差,后者往往表现为校直后齿跳检查合格,但齿向检测不合格。因此,在实际生产中要依据不同的情况进行分析解决和预防。
 
  案例一:某电动工具轴在多用炉渗碳淬火后变形不规律,造成后续校直工序难度很大。为了解决这个问题,我们更换了不同的装卡方式(见图1、图2,但实际效果不够理想。
 2 图1图2副本.jpg
  从装卡方式变换后的测量结果看,如果造成变形的主要原因不是装卡方式,那一定就是与淬火冷却有直接关系。为了验证这一设想,将图3所示的整炉产品从最外层到里层逐根进行跳动检测,发现最外层变形比例最高,且具有方向性;到第三层以后变形明显降低。到底是加热影响、冷却影响还是加热和冷却双重影响?我们又进一步取小批量滚齿后产品加热到渗碳温度后保温30mi n拉到前室缓冷至室温,出炉后100%检测跳动,发现最大跳动量均在0.02mm以下,这说明变形不是由于加热产生。那问题的关键就是淬火冷却过程的影响,结合该产品的装料方式和工装情况,加上前面试验结果综合分析,最大可能就是淬火台下降开始淬火时,由于工件太小、装料密集,淬火油从下向上流动受阻,大量淬火油是从侧面向料盘中央流动,这实际上就相当于外侧面的轴是“横着入油”淬火,必然在轴的两侧面因相变不同时性而造成宏观变形。
2 图3副本.jpg
 
  确认变形的主要原因后,在装料后四周加上挡板,保证淬火时淬火油强制由底部向上部流动,问题得到解决。渗碳淬火后84%工件不需要校直,12%工件跳动在0.02~0.05mm,仅有4%工件跳动在0.05~0.10mm,校直后100%符合技术要求。同时也大大地降低了校直工作量,提高了生产效率。
 
  案例二:某变速箱输入、输出轴,工艺试验时热前、热后变形规律很好,但成品发货抽检时,齿形、齿向检测结果很差,尤其是齿向交叉。
 
  为了弄清楚问题所在,将同一批次的毛坯重新加工到剃齿后,送热处理进行工艺试验验证。按照惯例,随机取三根轴送P26(德国克林贝格仪器代号)检测齿形齿向,结果保存在仪器中;渗碳淬火、低温回火后清理抛丸,操作工手工用砂纸清理顶尖孔后校直到齿跳合格,送P26检测,并把热前、热后检测结果叠加输出到同一张报告单上,变形结果规律,齿向位置度很小。将该小批量轴中的10根按正常生产流程流转,每道工序都专人跟踪,100%检测校直后齿跳全部合格,流到成品后100%检测齿形齿向,发现明显比同批中有热前、热后对比的要差,其中4根轴齿向有严重交叉,问题重现。我们分析,不可能是热前没有剃好,也不太可能是渗碳淬火时没抽查到的轴就正好变形超差了,一定是中间某个工序出了问题。经过分析认为,可能是顶尖孔渗碳淬火时变形或者研磨顶尖孔时将其破坏,虽然校直后齿跳合格,但剃齿顶尖孔和渗碳淬火后检测用顶尖孔已经不重叠,导致检测齿向交叉。为了验证这个结论,将同炉中剩余的17根轴轻微研磨顶尖孔后校直合格,立即送P26检测,其结果全部合格,与热处理工艺试验的最终结果一致,说明问题就是出在顶尖孔的研磨上。
 
    由于国内大部分厂家渗碳淬火后校直前研磨顶尖孔都不是采用 “双浮动顶尖研磨”技术,而是采用类似摇臂钻床结构,将上下研磨顶尖调整到同一中心线上,来保证研磨效果。但实际上已经变形的轴原始顶尖孔中心已经发生偏转,这时如果强制研磨顶尖孔势必将其破坏,顶尖孔一旦破坏,最终检验齿向变化肯定就不合格,但齿向的实际变化量可能是在合格范围内。
 
  通过本案例可以看出,实际渗碳淬火中保护顶尖孔少无变形是保证产品质量的很关键因素之一,尤其对于带有轴向油孔的空心轴的顶尖孔保护更为重要。为此,我公司空心轴渗碳淬火工装全部由原来垂直挂装改为顶尖孔穿耐热钢棒4点支撑垂直立装  ,进一步预防并减小顶尖孔的变形,取得了明显效果。 
 
  2. 圆环类齿轮变形预防及控制
 
    圆环类齿轮在我公司主要有两大类十几个品种,一类是“变速器中主动减速齿轮”,另一类是“车桥中盆桥齿”。这两种齿轮在渗碳淬火中的主要问题是端面翘曲变形和安装平面上多个螺纹孔的位置度变化,其中后者主要表现为内孔椭圆度超差。
 
  案例三:主减速齿轮变形控制。
 
  2003年,我公司开始承接的第一单主减速齿轮是外贸产品,从渗碳淬火工装到工艺都借助国内外经验报道设计了多种方案,但试制的结果不尽如人意。我们对不同装炉方式变形规律总结分析后,还是发现了接近成功的信息,其中叠放的平面度和齿形、齿向变化规律明显好于其他装料方式,但内孔椭圆度和内圈平面度超差,造成内圈安装面磨不出,以及安装孔位置度超差。
 
  通过分析,认为内圈翘曲和内孔椭圆主要是形状尺寸太薄,冷却时冷速太快造成相变不同时,从而引起宏观变形。接下来用一根φ143mm耐热钢管(尺寸接近工件内孔)插到工件内孔中渗碳淬火后检查变形情况仍然不理想,同时,插入钢管在渗碳淬火后清洗很困难,工程上没有应用意义。后采用齿轮叠放并堵上端面部分内孔以降低淬火油流入量的方法,试验获得成功,合格率达到100%。
 
  之后,我们生产的多种变速器主减速齿轮均采用这种办法,达到了理想的效果。但是我们也发现,在实际生产中不同的材料,其淬透性变化规律不一致,需要调整内孔中淬火油通过量来保证变形一致性。
 
  该方法推广到我公司新开发的皮卡车盆齿渗碳后直淬工艺上也达到了理想效果,其中外圈跳动0.04mm、内圈0.06mm、内孔椭圆度<0.075mm。
 
  3. 结语
 
        热处理变形受多种因素影响,在工厂现有的试验条件下很难从理论上进行有效的模拟计算并加以控制,但是,我们可以通过一些工艺试验结果结合别人的成功经验加以分析利用,寻求一些相对简单的办法或措施来减小过程的变形,从而达到满足客户需求之目的。这样既可以缩短试制周期,同时也降低了制造成本。之后,可以将这些成功经验再寻求理论上的支持并加以升华和推广。

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