1、内花键齿轮热处理变形分析 青海华鼎齿轮箱有限责任公司 (西宁81 0021) 魏理林 我公司为某重载汽车公司生产一种内花键齿 轮，材质选用20Cr2Ni4A。内花键的基本参数为： 径节1224、压力角30。、齿数14和跨棒距2432 2441mm。图样技术要求：齿轮整体渗碳淬火，表 面硬度5862HRC，结构如图IN示。 图1 部位裂纹源位于主动齿轮齿根部位。 钢铁材料中的Cr、Mo元素均可提高材料的淬 火淬透性能，但通过试验分析发现主动齿轮中cr、 Mo元素含量远远低于20CrMnMo国家标准对该材 料的含量要求(国家标准要求：W =1114， W 。=0203)，严重影响了该产品的热处理
2、淬透性，导致热处理后产品硬化层深度过浅，心部 硬度达不到技术要求，使产品心部硬度和强度降 低。正是由于产品齿根强度达不到要求，最终导致 用户在使用过程中早期失效。 3建议方案 建议原材料入厂严格验收，对热处理实物质量 严格把关。同时，设计上应加强主动齿轮的齿根强 度要求及齿根部位的硬化层要求，并考虑其他措施 强化齿轮副齿根的抗弯矩强度。MW(20130108) 一、零件特点及存在问题 此零件结构较复杂、壁薄、内花键孔的两端壁 厚不对称。试制时，热处理后内花键的变形没有明 显的规律，同一批次产品热处理后出现的变形杂乱 无章，变形无规律。经过多方面分析，最终确定影 响变形的主要因素是零件本身的结构
3、、原材料及热 处理工艺。 二、改进措施 作为对外承接产品，采用改变零件结构的方法 来消除热处理的变形极不现实，故要从原材料、冷 加工工艺、热处理3个方面加以解决。 1严控原材料和锻造质量 (1)原材料目前钢材存在来源杂、乱和质次 价高的现状，需加强钢材管理，严格进厂检验，主 要从以下几点做到严把质量关：检查钢材的低倍 组织，包括一般疏松、中心疏松、方框偏析和边缘 点偏。检查钢材中非金属夹杂物的含量，包括 A、B、C、D和DS类。检查钢材中碳化物的级 别，包括带状组织、网状组织、不均匀性和偏析。 检查钢材的晶粒度，晶粒度必须6级以上。 (2)锻造质量锻造工艺如不合理，就会使锻 坯过烧或过热，从而
4、导致晶粒粗大，直接影响内在 质量。粗大的晶粒在最终热处理时会产生粗大组 织，增大内应力及变形量。故在锻造方面，应从大 型钢厂直接买钢材，然后派专业技术人员到锻造 厂家监造，从锻造工艺的合理性入手，对锻造后低 倍、高倍组织(包括非金属夹杂物、晶粒度以及碳 化物级别)进行大量的检验，确保锻造后毛坯的各 项指标合格。 G 参磊 热加工 西 ，o 舅I9期 39l11m0 95“0,corn tolWOrKlt坦| G 瓮 通过严控原材料和锻造质量试制两批后，发现 内花键的变形有了很大的改观，并且分析得到此种 零件的热处理变形规律主要是：孔壁较薄的上端花 键孔热处理收缩量和圆度比下端大，并且花键的上
5、下进出口端带锥度，对后期解决内花键的变形起到 了关键性作用。 2合理选择正火工艺 由于此零件结构较复杂，孔壁较薄，在渗碳淬 火后变形量大，为得到均匀的奥氏体晶粒，把内应 力降低到最低，故在零件粗车后又增加了二次正 火，且在执行毛坯正火时将奥氏体化温度适当地提 高11950，随炉冷却JI350以下出炉空冷，并 确保零件能够较均匀冷却，以保证其硬度均匀性 和一致性。通过试验数据(见附表)分析，得到 了内花键较精确的变形规律：跨棒距平均缩量为 013ram，花键孔进出口带008mm锥度。 种结构齿轮采用挂装比平叠放置变形小，且有规 律。分析原因主要是： (1)竖直挂装的方式下，齿轮在高温下只承 受自
6、重，齿轮间作用力?IL,J-,，淬火时齿轮竖立入 油，该淬火方式使热处理变形所引起的端面挠曲很 小，相应地对内花键的变形影响也-flL,b。 (2)穿挂齿轮的心棒大小和形状对齿轮花键 孔变形有明显的影响。用圆棒(0形)穿挂时，由 于圆棒与孔的支撑是一条线接触(见图2a)，圆棒 与孔壁之间的间隙也不均匀，冷却时受圆棒影响， 在孔的圆周方向和轴线方向都会产生较大的温差， 使应力分布不均匀，孔的变形出现椭圆和反腰鼓 形，产品的合格率低；后来将心棒改为x形(见图 2b)，使心棒与孔为两条支撑线接触，齿轮的自重 由孔壁上两条线分担，且心棒与孔壁之间的间隙呈 90。均匀分布，变形沿孔圆周方向比较均匀，在淬
7、 内花键跨棒距的检验数据表 (mm) 抽检零 工艺未改进前 工艺逐步改进后(十字形测量) 原材料和锻 件序号 (十字形测量) 控制正火质量 挂装(O形) 挂装(x形) 造质量改进 1 245O2464 24482456 24462452 24302442 24I362440 2 24522470 24-422458 244224，54 24_322440 243024_36 3 24502462 24482460 2450246O 24_322444 24_3232_36 4 24462458 2440245O 24442456 24l3O2442 24l382441 5 24422456 2
8、4422454 245O2458 24302440 24362441 6 24402458 24422456 24402446 24-3224-42 24322438 7 24382454 244024-48 24-422448 24-362444 24342438 8 24402456 24462460 24402448 24342442 243224-36 9 24482466 24442456 24482456 24l3O2442 24-322438 1O 24442468 24402454 24442454 24362446 24382442 3冷热尺寸配合 火冷却时，由于在轴线 控制
9、热处理变形，搞好冷热加工配合相当重 方向冷却比较均匀，因 要。单靠冷加工提高精度为热处理留更多的变形余 量或单靠调整热处理工艺减少变形都有难度。适当 地将拉刀的 值调整到24482453mm。加工几批 后，从试验数据(附表)中可以看出，产品收缩量 达到了预期的效果。 4齿轮装夹方式的合理性 齿轮装夹方式的合理与否决定了齿轮在热态下 的受力形式和大小，也决定了淬火入油的方式，最 终影响齿轮的热处理变形。通过反复试验，得出该 40 参跏 棒 一一 、 (b) 图2 此椭圆和锥度都减少了。从数据表中可以看出，采 用此种挂装方式能够取得满意的效果。 三、结语 控制和减少热处理变形，首先要分析影响变形 的因素，其次要控制和减少各种应力的产生，并使 应力分布均匀有规律。通过对原材料和锻件质量的 控制，正火及装炉方式的改进，对带内花键的齿轮 的热处理变形有了很大的改进作用，基本能满足了 技术要求。MW (20130107)
