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滲碳淬火齒輪熱處理變形及預防  2010/10/6 
 
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     變速箱齒輪在滲碳淬火過程中的變形問題一直是困擾和阻撓熱處理生產的一大障礙,有效地控製熱處理變形是降低成本和提高生產效率的有效手段。
    為了控製變形,一般企業都會嚴格控製原材料淬透性帶寬、等溫正火質量、滲碳淬火冷卻,以及校直等工序質量,來保證滲碳淬火後變形規律性。本文主要探討滲碳淬火工序及校直工序對產品變形的影響。
    1.軸齒類零件變形預防及控製
    軸齒類的變形主要表現在兩個方麵:一方麵是齒跳;另一方麵是齒形、齒向變化。軸類產品滲碳淬火後要進行校直才能進行齒形齒向的檢測,在實際生產中齒跳檢測比較麻煩、效率低,因此一般廠家均采用測量相鄰近部位軸向跳動來間接反映齒跳的大小。
    在實際生產中我們也發現,變形的原因各不相同,有些是真正變形,有些是因為測量基準變化或遭到破壞而造成測量誤差,後者往往表現為校直後齒跳檢查合格,但齒向檢測不合格。因此,在實際生產中要依據不同的情況進行分析解決和預防。
    案例一:某電動工具軸在多用爐滲碳淬火後變形不規律,造成後續校直工序難度很大。為了解決這個問題,我們更換了不同的裝卡方式(見圖1、圖2),但實際效果不夠理想。
    從裝卡方式變換後的測量結果看,如果造成變形的主要原因不是裝卡方式,那一定就是與淬火冷卻有直接關係。為了驗證這一設想,將圖3所示的整爐產品從最外層到裏層逐根進行跳動檢測,發現最外層變形比例最高,且具有方向性;到第三層以後變形明顯降低。到底是加熱影響、冷卻影響還是加熱和冷卻雙重影響?我們又進一步取小批量滾齒後產品加熱到滲碳溫度後保溫30min拉到前室緩冷至室溫,出爐後100%檢測跳動,發現最大跳動量均在0.02mm以下,這說明變形不是由於加熱產生。那問題的關鍵就是淬火冷卻過程的影響,結合該產品的裝料方式和工裝情況,加上前麵試驗結果綜合分析,最大可能就是淬火台下降開始淬火時,由於工件太小、裝料密集,淬火油從下向上流動受阻,大量淬火油是從側麵向料盤中央流動,這實際上就相當於外側麵的軸是“橫著入油”淬火,必然在軸的兩側麵因相變不同時性而造成宏觀變形。
    確認變形的主要原因後,在裝料後四周加上擋板,保證淬火時淬火油強製由底部向上部流動,問題得到解決。滲碳淬火後84%工件不需要校直,12%工件跳動在0.02~0.05mm,僅有4%工件跳動在0.05~0.10mm,校直後100%符合技術要求。同時也大大地降低了校直工作量,提高了生產效率。
    案例二:某變速箱輸入、輸出軸,工藝試驗時熱前、熱後變形規律很好,但成品發貨抽檢時,齒形、齒向檢測結果很差,尤其是齒向交叉。
    為了弄清楚問題所在,將同一批次的毛坯重新加工到剃齒後,送熱處理進行工藝試驗驗證。按照慣例,隨機取三根軸送P26(德國克林貝格儀器代號)檢測齒形齒向,結果保存在儀器中;滲碳淬火、低溫回火後清理拋丸,操作工手工用砂紙清理頂尖孔後校直到齒跳合格,送P26檢測,並把熱前、熱後檢測結果疊加輸出到同一張報告單上,變形結果規律,齒向位置度很小。將該小批量軸中的10根按正常生產流程流轉,每道工序都專人跟蹤,100%檢測校直後齒跳全部合格,流到成品後100%檢測齒形齒向,發現明顯比同批中有熱前、熱後對比的要差,其中4根軸齒向有嚴重交叉,問題重現。我們分析,不可能是熱前沒有剃好,也不太可能是滲碳淬火時沒抽查到的軸就正好變形超差了,一定是中間某個工序出了問題。經過分析認為,可能是頂尖孔滲碳淬火時變形或者研磨頂尖孔時將其破壞,雖然校直後齒跳合格,但剃齒頂尖孔和滲碳淬火後檢測用頂尖孔已經不重疊,導致檢測齒向交叉。為了驗證這個結論,將同爐中剩餘的17根軸輕微研磨頂尖孔後校直合格,立即送P26檢測,其結果全部合格,與熱處理工藝試驗的最終結果一致,說明問題就是出在頂尖孔的研磨上。
 由於國內大部分廠家滲碳淬火後校直前研磨頂尖孔都不是采用“雙浮動頂尖研磨”技術,而是采用類似搖臂鑽床結構,將上下研磨頂尖調整到同一中心線上,來保證研磨效果。但實際上已經變形的軸原始頂尖孔中心已經發生偏轉,這時如果強製研磨頂尖孔勢必將其破壞,頂尖孔一旦破壞,最終檢驗齒向變化肯定就不合格,但齒向的實際變化量可能是在合格範圍內。
    通過本案例可以看出,實際滲碳淬火中保護頂尖孔少無變形是保證產品質量的很關鍵因素之一,尤其對於帶有軸向油孔的空心軸的頂尖孔保護更為重要。為此,我公司空心軸滲碳淬火工裝全部由原來垂直掛裝改為頂尖孔穿耐熱鋼棒4點支撐垂直立裝(見圖4、圖5),進一步預防並減小頂尖孔的變形,取得了明顯效果。
    2.圓環類齒輪變形預防及控製
    圓環類齒輪在我公司主要有兩大類十幾個品種,一類是“變速器中主動減速齒輪”,另一類是“車橋中盆橋齒”。這兩種齒輪在滲碳淬火中的主要問題是端麵翹曲變形和安裝平麵上多個螺紋孔的位置度變化,其中後者主要表現為內孔橢圓度超差。
    案例三:主減速齒輪變形控製。
    2003年,我公司開始承接的第一單主減速齒輪是外貿產品,從滲碳淬火工裝到工藝都借助國內外經驗報道設計了多種方案,但試製的結果不盡如人意。我們對不同裝爐方式變形規律總結分析後,還是發現了接近成功的信息,其中疊放的平麵度和齒形、齒向變化規律明顯好於其他裝料方式,但內孔橢圓度和內圈平麵度超差,造成內圈安裝麵磨不出,以及安裝孔位置度超差。
    通過分析,認為內圈翹曲和內孔橢圓主要是形狀尺寸太薄,冷卻時冷速太快造成相變不同時,從而引起宏觀變形。接下來用一根φ143mm耐熱鋼管(尺寸接近工件內孔)插到工件內孔中滲碳淬火後檢查變形情況仍然不理想,同時,插入鋼管在滲碳淬火後清洗很困難,工程上沒有應用意義。後采用齒輪疊放並堵上端麵部分內孔以降低淬火油流入量的方法,試驗獲得成功,合格率達到100%。
    之後,我們生產的多種變速器主減速齒輪均采用這種辦法,達到了理想的效果。但是我們也發現,在實際生產中不同的材料,其淬透性變化規律不一致,需要調整內孔中淬火油通過量來保證變形一致性。
    該方法推廣到我公司新開發的皮卡車盆齒滲碳後直淬工藝上也達到了理想效果,其中外圈跳動0.04mm、內圈0.06mm、內孔橢圓度<0.075mm。
    3.結語
    熱處理變形受多種因素影響,在工廠現有的試驗條件下很難從理論上進行有效的模擬計算並加以控製,但是,我們可以通過一些工藝試驗結果結合別人的成功經驗加以分析利用,尋求一些相對簡單的辦法或措施來減小過程的變形,從而達到滿足客戶需求之目的。這樣既可以縮短試製周期,同時也降低了製造成本。之後,可以將這些成功經驗再尋求理論上的支持並加以升華和推廣。
 
 
      
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