几种齿圈的热处理畸变控制方法
由于齿圈直径和齿圈宽度(或高度)之间的巨大差异,在热处理过程中经常出现内孔圆度、端面平面度和锥度变形的超差问题。齿圈热处理变形是热处理过程中最常见的缺陷之一。
齿圈加工工序复杂,变形合格率低,加工余量大,次品率高,成本高,产品精度低,噪音大,严重影响其使用寿命。因此,通过冷加工和热加工的配合,优化工艺,改进夹(炉)方式,采用先进的热处理工艺和设备等。,可以提高齿圈热处理变形的合格率和加工精度,降低产品的加工成本,减少废品和次品。
改进和优化热处理过程控制齿圈变形
1.采用预处理工艺减少大渗碳齿圈变形
大齿圈φ2180mm(外径)× φ 1750 mm(内径)×550mm(宽度)采用17CrNiMo6钢,热处理变形要求严格。但渗碳淬火后,齿顶通常会大量升高4 ~ 5毫米,有时可达6 ~ 7毫米,因此采取以下控制措施:
(1)预处理工艺的制定
调质工艺,即860℃加热淬火(比最终淬火温度高20~30℃),650℃回火。最好将内孔直径的增加控制在8 ~ 10毫米以内..之后按照正常的工序,经过渗碳、冷却、风冷后,再在(820±10)℃下浸泡,在170℃的硝酸盐浴中淬火冷却,然后在210℃下回火两次,齿顶圆直径仅比渗碳淬火前大2mm左右,满足预期的增加,且齿圈的圆度、上下锥度满足要求。
(2)工艺要点
调质时严格控制淬火温度,如果温度过低,对减少胀大变形不会起到很好的作用;相反,如果温度过高,渗碳淬火后的齿顶圆尺寸可能会缩小,因此需要进行测试。
2.改进热处理工艺,减少三轮车驱动齿圈热处理变形
三轮车变速箱驱动齿圈(见图1),材质为20CrMnTi钢,热处理技术要求:碳氮共渗深层为0.6~1.0mm,齿面和中心硬度分别为58~64HRC和35~48HRC,螺纹孔与单链槽的位置公差为0.05 mm。
装料前10个M8螺孔用防渗漆封堵,850~860℃碳氮共渗后直接淬火回火。检查后发现螺纹孔和单链槽位置超差,防渗涂层不易脱落。改进后的工艺和效果如下:
(1)改进流程。
成齿→碳氮共渗后缓冷→车削(切削)渗层、拉(切)键槽、钻孔攻丝→850 ~ 860℃加热淬火→低温回火→压盖(保护螺孔)喷丸→磨(切)网→检验。
(2)改善效果
经检验,从动齿圈热处理变形合格率在95%以上。
3.用新的热处理工艺和新的工装控制大型齿圈热处理的变形。
矿用磨机减速机齿圈,外形尺寸为φ1631mm(外径)× φ 1364mm(内径)×300mm(宽度),单件质量为1434kg,正常模数为20mm,齿数为78,材质为20CrNi2MoA钢,需要渗碳淬火。
(1)修订齿圈技术要求
为了控制和减少齿圈热处理的变形,修改了一些技术要求。改装齿圈的技术要求见表1;渗碳前调质处理,调质硬度为217 ~ 255 HBW;有效硬化层为3.90 ~ 5.10 mm。
(2)新技术
锻造后正火改为正火+高温回火。渗碳后增加球化退火工艺,保证渗碳层碳化物粒度≤1 μm,球化退火工艺如图2所示。图2中工艺A和工艺B得到的结果基本相同。
新工艺路线:锻造→正火+高温回火→粗车→探伤→淬火回火→精车铣齿→渗碳→球化退火→淬火回火→抛丸→精车镗孔及两平面→磨齿→键槽插入→探伤→产品。
工装设计:设计上下压盖,控制齿圈变形。详见图3。
(3)测试结果
齿圈表面硬度、芯部硬度、有效硬化层深度均满足技术要求;齿圈表面碳浓度为0.76%(质量分数),分段球化退火后碳化物粒度达到0.5微米。显微组织马氏体和残余奥氏体为2级,碳化物为1级,中心铁素体为2级。机械性能指标符合图纸技术要求;齿圈畸变试验表明,内孔圆度为0.90mm,齿顶直径变化为+3.1~+4.0mm,普通法线变化为+0.2~+0.6mm,均满足技术要求。
4.改进热处理工艺,采用模具校正方法控制大型超薄齿圈渗碳淬火变形。
超薄内径齿圈,外径φ1120mm(外径)× φ 944 mm(内径)×260mm(宽度),材质17CrNiMo6钢,重量550kg,热处理技术要求:渗碳淬火有效硬化层深度2.40~2.90mm,齿面和中心硬度分别为58~62HRC和32 HRC。热变形后要求:锥度≤1.35 mm,圆度≤1.35mm,普通法线偏差≤0.7‰,齿顶圆压下量≤1.5‰。
(1)原始加工路线、工艺和齿圈变形问题
原加工路线:锻坯粗车→钻孔→插齿→渗碳淬火→抛丸→精车→磨齿→成品。原渗碳工艺路线为:预热650℃×1h→渗碳(930±10)℃×50h→冷却、保温830℃×2h→出料前→出风冷却→高温回火680℃×4h→淬火加热(820±10)℃×2.5h→硝酸盐等温淬火(160±10)。齿圈清洗后涂防渗漆,每炉5片,渗碳气氛富含甲醇和异丙醇。经检验,其他项目符合技术要求,但齿圈有较大畸变。
(2)改进流程。
齿圈齿轮成形前粗加工后,进行高温正火。为了降低残余应力和热应力,降低渗碳温度,增加前期步进加热的级数。改进后增加了400℃和850℃等温段,并适当降低了淬火温度。检查后齿圈失真降低一个等级,但有时失真超出公差范围。渗碳过程如图4所示。
渗碳淬火工艺和齿圈淬火冷却均采用模具校正法。齿圈渗碳校正淬火工艺曲线如图4所示。模具被校正和淬火,模具和齿圈一起冷却,使得齿圈在冷却过程中被迫通过模具被校正。在随后的长期回火过程中,消除了淬火和冷却过程中产生的应力,稳定了齿圈的尺寸,防止了变形反弹。失真测试结果理想。
5.通过调整热处理工艺减少齿圈变形
在TY320、TY220、D65等齿轮箱中,JT001 齿圈的外齿直径为318.1毫米,内齿直径为251.7毫米,宽度为51.5毫米,材料为调质硬度为262 ~ 302 HBW的42CrMo钢;渗氮后的δ m要求≤ 0.10mm。
(1)原始热处理工艺和变形
毛坯正火(880℃×3h)+粗车后调质(盐浴820℃×0.5h,油淬+回火)+矫正+精车后时效处理(300℃×5h)+插齿+离子渗氮(520℃),然后炉内冷却。经检验,M值和偏差超出公差范围,齿圈畸变合格率仅为70%左右。
(2)改进流程和效果。
将原来的先淬火回火,再校正,再氮化改为先校正,再淬火氮化。齿圈畸变合格率达到98%以上,齿圈δ m值的变化从调整前的最大值0.46mm下降到0.10mm淬火和回火后。时效温度从300℃提高到560℃,既保证了加工应力的充分释放,又比渗氮温度高了30~50℃,从而使渗氮齿圈㎡的畸变最小化,δ m的最大值从调节前的0.22mm降低到调节后的0.08mm。
6.通过调整工艺流程,解决高频淬火40Cr钢齿圈变形超差问题。
齿圈(见图5),材质为40Cr钢,技术要求:调质硬度28~32HRC,齿高频淬火硬度48~52HRC,齿圈跳动< < 0.048mm
(1)高频淬火工艺和齿圈变形问题
高频淬火工艺的电气参数,电流频率为250kHz,阳极和栅极电流分别为7~7.5A和1.4~1.7A,加热时间为30~40s,冷却水压力≥0.2MPa。
高频淬火时,φ30mm孔附近的冷却速度快,而远离φ30mm孔的冷却速度慢。正是这种冷却速度的不均匀性导致齿圈跳动量超出公差范围。
(2)改进工艺流程和效果。
改进后的工艺流程为:锻造→粗车→淬火回火→外圆内孔精车→滚齿去毛刺→剃齿去毛刺→清洗→齿高频淬火→两端空刀精车→钻孔扩孔角→钻孔攻丝→拉单键槽→去毛刺喷砂→清洗入库。改进效果:调整工艺流程后,齿圈高频淬火后跳动在公差要求内。
7.采用碳氮共渗工艺,减少内部齿圈淬火畸变。
重型自卸车转向机构内齿圈,外形φ444mm(外径)× φ 372.88 mm(内径)×140mm(齿宽),材质20CrMnTi钢,热处理技术要求:表面碳浓度0.8%~1.0%(质量分数),共渗层深度1.1 ~ 1.5 mm,显微组织为马氏体,残余奥氏体≤4级,碳氮化物≤5级。
(1)内部齿圈处理流程
下料→锻造→粗加工→预热处理(正火)→机加工→碳氮共渗→质检→喷砂→产品检验→入库。
(2)热处理碳氮共渗工艺
爱协林密封箱式多用炉用于气体碳氮共渗、冷却和直接淬火。过程如图6所示。870℃×6h碳氮共渗,强渗碳电位0.95%,870℃×2h扩散,碳势0.65%,冷却至840℃×0.5h,快速缓慢冷却。
(3)热处理和二次加热淬火工艺
经过氮碳共渗、缓冷、再加热和内支撑压紧淬火。工艺如图7所示,淬火加热830℃×40分钟。采用质量分数为10%~15%PM的淬火冷却介质,传递时间为20s,冷却时间为10s,出口温度为150~180℃,近似压力淬火。使用专用工具支撑内孔,然后回火。
(4)工装和装炉方式
内径与外径之比inner 齿圈远大于1/2,壁薄,淬火时易发生圆度畸变,应避免重叠堆垛,以减少重力影响。齿圈应具有合理的间距,以确保均匀的圆周冷却。
(5)淬火变形及控制
根据热处理情况,预留大量余量,保证尺寸精度;选择二次加热淬火工艺;用淬火压机淬火;淬火后,超差圆度零件用专用工装进行整形和回火。
(6)测试结果
表面硬度为60~65HRC,芯部硬度为38~40HRC,马氏体和残余奥氏体为1级,碳氮化物为1级,外径圆度为0.13~0.30mm,均合格。
8.50Mn2钢齿圈的中频淬火热处理
齿圈尺寸为φ322mm(外径)× φ 281 mm(内径)×齿圈77 mm(宽度)。材料为50Mn2钢。中频淬火的技术要求是:表面硬度50~55HRC,齿根硬化层1~4mm,相当于40HRC。齿圈累积节距误差< < 0.10毫米,齿向误差< < 0.055毫米,齿廓误差< 0.035毫米。
(1)中频淬火机床和感应器
中频淬火机床的额定功率不能低于400千瓦。传感器由5匝14mm×14mm铜方管制成,具有传感器高度,齿圈与传感器之间留有间隙。图8是传感器的示意图。
(2)中频加热淬火规范
齿圈电感与电感之间预留间隙:考虑到导磁体对磁场分布的影响因素,将电感直径增大到b+2mm。同时,将传感器的高度增加到+3毫米。电加热规格:最大输出电压540V,最大输出电流430A,频率8000Hz。齿圈加热到22秒时,加热区域变成鲜红色,完全达到淬火温度。加热方式采用同步加热淬火方式。常见的比功率为0.8~1.5kW/cm2。淬火冷却介质:采用霍顿公司生产的AQ251型淬火冷却介质,配比浓度控制在9%~13%(质量分数)。
(3)测试结果
金相检验和尺寸检验完全符合技术要求。齿根硬化层深度为2.5 ~ 4.0毫米,齿跳动小于< 0.05毫米,齿廓跳动小于< 0.04毫米,圆周累积误差小于< 0.1毫米
采用先进的技术和设备控制齿圈失真
1.采用齿圈模压感应淬火回火新技术,控制高精度齿圈变形。
(1)最新感应加热成型淬火技术
德国EMA最新的模具淬火工艺结合了感应淬火和压力淬火的优点。它的主要优点是:热量直接在齿轮内部产生,无热传导损失,加热时间短,节能;加热淬火速度快,过程容易控制,重复性好;易于形成高效率的生产线;无污染;热处理变形小,齿轮最终尺寸精度高;硬化层分布均匀。
该技术已成功应用于汽车零部件行业。适用于中碳钢齿轮和渗碳齿轮的直接淬火,包括齿轮(环)、锥齿轮、同步环等高精度环形件。
(2)工艺流程
图9是热处理变形齿圈模压感应淬火的流程图。即畸变齿圈固定在非导磁定心夹紧装置上(步骤1,夹紧装置有强力底模和上模);通过电磁感应加热到900℃左右(第二步,加热温度取决于材料,可通过红外测温仪监控);保温一定时间后,齿圈达到相同或均匀的温度,压制上下模(步骤3);立即向齿轮喷洒淬火冷却介质(步骤4);在步骤4中淬火之后,不需要模压装置。将传感器移动到齿圈和校准心轴的组合位置(步骤5);然后,齿圈被回火和加热(步骤6);随着温度的升高,齿圈略微膨胀,产生非常小的间隙(步骤7);从心轴的另一端拉出齿圈(步骤8)。校正芯轴(不锈钢制成)可有效防止齿圈收缩。
(3)工艺参数和结果
工艺参数和结果见表2。从表2可以看出,齿轮变形小:同心度< 0.03毫米,圆度< 0.03毫米,平面度< 0.05毫米
2.非对称薄壁齿圈化学热处理变形的控制方法
薄壁齿圈尺寸φ162mm(外径)× φ 111.4mm(内径)×48mm(厚度),材质20CrMnTi钢。技术要求:碳氮共渗层深度0.6 ~ 1.0毫米,表面和芯层硬度分别为58~64HRC和35~48HRC,内孔圆度小于0.10毫米。
(1)原始设备、工艺和齿圈变形
原热处理采用连续渗碳炉和碳氮共渗工艺:强渗碳880℃→扩散860 ℃→冷却淬火840℃。由于齿圈,结构复杂、壁薄、不对称,碳氮共渗淬火后内孔圆度≥0.12mm,变形超差。
(2)改进热处理设备和工艺
设备采用2-1-1多用炉生产线,设备温度和碳势控制均匀准确。渗碳层越浅,碳势越低,畸变越小,渗碳层被精确控制在0.6 ~ 0.7毫米,金相组织被控制在1~2级。
共渗工艺:860℃强渗→860℃扩散→830℃冷却淬火(淬火采用金域Y35-ⅰ等温分级淬火油)。经检验,内孔圆度控制在< 0.10mm以内,合格。
3.采用40Cr钢高频淬火方法代替20CrMnTi渗碳淬火,减少内齿轮变形。
联合收割机内齿轮尺寸为φ315mm(外径)× φ 268.2mm(内径)×36mm(宽度),材料为20CrMnTi钢,模数为4mm,技术要求为:热处理后大端面平面度小于< 0.2mm;内孔圆度≤0.3毫米;渗碳层深度为0.9 ~ 1.3毫米;齿轮硬度为59~63HRC。
(1)原始流程和齿圈失真问题
原工艺:粗加工→渗碳→精加工→二次加热淬火。热处理后内孔变形大,内孔圆度在0.35-0.80mm之间,变形超差。
(2)改进工艺和试验结果。
齿轮材质的改进:经主机厂同意,决定使用40Cr钢。首先进行整体调质处理,保证齿轮中心的硬度(强度),然后对齿进行高频淬火,保证变形不超差。新技术要求:齿坯调质硬度为269 ~ 289 hbw齿轮高频加热淬火后的硬化层为1 ~ 1.5mm;齿面硬度为50~54HRC。新工艺:齿坯粗加工→调质→精加工→高频淬火。试验结果:通过多次冷热加工配合试验,调整了热处理前内齿轮参数M值,高频淬火后满足技术要求。用40Cr钢高频淬火代替20CrMnTi渗碳淬火也降低了成本,装车后应用效果良好。
失真校正方法齿圈
齿圈淬火后椭圆的修正方法如下:
(1)椭圆热点校正方法
热点修正法是基于在齿圈外圆的凸起部分(椭圆长轴点)加热,并立即快速冷却,使凸起部分因冷缩而变小的原理。热点校准可以通过乙炔氧或丙烷氧火焰加热来校正。
(2)具体操作
具体而言,在椭圆长轴外径的对称部分有两个热点,在椭圆短轴内径的对称端有一个热点。热点后应立即快速冷却(如水冷等)。).如果椭圆度过大,可以先用加热反击法粗略校正,再用热点校正法校正,这样可以得到满意的结果。最后在170~200℃×1h的低温下回火并复检。
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