齿轮零件热处理变形及控制方法

σE=0
-σE
Cold
（a）平衡状态
+σE→0
（b）加热过程（尖角膨胀，边受压）
+σE Hot
（c）加热后（尖角圆满，边 （d）冷却过程（尖角收缩，边缩短） 弯曲变长）
-σE
（e）冷却后（尖角仍圆满，边弯曲变长） 图 1 热应力引起的变形示意
图 2 汽车后桥从动锥齿轮模型
3.1.2 机械加工 齿 轮 的 热 处 理 变 形 与 机 械 加 工 相 关 ，机 械 加
变形量/mm
+1.489×10-1 +1.365×10-1 +1.240×10-1 +1.116×10-1 +9.918×10-2 +8.675×10-2 +7.432×10-2 +6.189×10-2 +4.946×10-2 +3.703×10-2 +2.460×10-2 +1.217×10-2 -2.620×10-4
变形量/mm
+4.271×10-1 +3.899×10-1 +3.527×10-1 +3.156×10-1 +2.784×10-1 +2.412×10-1 +2.041×10-1 +1.669×10-1 +1.297×10-1 +9.256×10-2 +5.539×10-2 +1.825×10-2 -1.894×10-2
生产
WORKSHOP
现场
SOLUTION
齿轮零件热处理变形及控制方法
崔磊 杨林 李骏 齐飞
（中国第一汽车集团公司发展制造部，长春 130011）
摘要：齿轮在热处理过程中产生变形是一种普遍的现象，影响齿轮热处理变形的因素众 多，包括齿轮加工、材料以及热处理工艺等，针对这些因素，提出了一些减小齿轮热处理变形的 控制方法。其中齿轮设计、材料的淬透性、晶粒度的控制，预先热处理工艺以及模压淬火工序 是解决齿轮热处理变形的重要手段。
当通过一些手段措施将齿轮的变形波动控制 在一定范围之内，可以对齿轮在热前的尺寸进行调 整，即预留加工余量以补偿热处理产生的变形量。 3.2 原材料
齿 轮 热 处 理 变 形 是 齿 轮 在 热 处 理 过 程 中 ，因 齿轮各部位组织结构不同或组织转变不同时所产 生 的 尺 寸 和 形 状 的 变 化 。 因 此 ，由 于 材 料 的 不 稳 定和缺陷而导致的齿轮热处理过程中变形失控已 成为影响精度的关键之一[2]。 3.2.1 淬透性
在相同热处理工艺条件下，齿轮各部分的冷却 速率相同，但由于材料淬透性不同会导致齿轮各部 分，特别是心部位置相变进程不同，最终转变组织 也不同。通常，对于淬透性较低的材料，齿轮心部 以铁素体和贝氏体为主，齿轮变形较小；对于高淬 透性材料，齿轮心部以低碳马氏体和贝氏体为主， 齿轮变形较大。通过实际生产检验和热处理工艺 模拟发现，对于不同淬透性材料而言，齿轮底面变 形趋势和规律也不同，模拟结果如图 3 所示。
作者简介：崔磊（1983—），男，中级工程师，硕士学位，研究方向为 材料及热处理。
个结论是在欧洲工艺水平较高的条件下得到的， 但也说明设计和材料是分析影响齿轮变形因素中 最值得重视的因素[2]。
从齿轮设计、材料和热处理工艺 3 个方面分析 和解决齿轮变形问题。
2 热处理变形原因
淬 火 时 ，淬 火 应 力 越 大 ，相 变 越 不 均 匀 ；比 容 差 越 大 ，则 淬 火 变 形 越 严 重 。 通 过 对 齿 轮 渗 碳 淬 火 冷 却 时 各 部 位 的 冷 却 速 度 、组 织 及 硬 度 状 态 比 较 分 析 ，可 以 发 现 各 部 位 冷 却 速 度 的 不 同 导 致 产 生 热 应 力 ，由 冷 速 不 均 匀 所 导 致 组 织 转 变 的 不 同 时性会造成组织应力。热应力引起的变形示意如 图 1 所示。
（a）低淬透性材料
（b）高淬透性材料 图 3 22CrMoH 材料锥齿轮底面变形
3 影响齿轮热处理变形的因素构
齿轮的结构，例如形状、尺寸等是影响热处理 变形的因素之一。图 2 所示为典型的汽车后桥从
34 汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M
2017 年 第 12 期
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动锥齿轮模型，其齿部厚度 L0 与齿座厚度 L1 的比 例影响齿轮底面变形，当 L1≥L0 时，齿轮底面变形 要比 L1<L0 时小；内环与外径的尺寸比例，有无螺纹 孔都会影响齿轮的变形；此外由形状、尺寸引起的 不同部位的冷却速率不同，所产生的热应力不同， 也会导致齿轮不规则的变形。
关键词：变形 淬透性 晶粒度 预先热处理 中图分类号：TG162 文献标识码：B
1 前言
现代工业的发展对齿轮传动精度的要求越来 越高，既要求承载能力高，使用寿命长，安全可靠， 同时还要求体积小、质量轻、传动平稳、噪声低，而 能达到以上各项要求的只有渗碳淬火并磨齿的齿 轮 。 然 而 ，热 处 理 变 形 却 一 直 是 我 国 齿 轮 生 产 中 需要攻克的一道难关。这是由于影响渗碳热处理 变形的因素太多，包括材料的化学成分和淬透性、 齿轮的几何形状、预先热处理的组织、零件装夹方 式 、淬 火 温 度 和 时 间 、淬 火 介 质 、淬 火 方 式 等 。 有 国外文献列出了影响变形的 26 种因素和 77 个子 因子，这应当是事实，减小渗碳淬火变形就成为当 今齿轮热处理生产中亟待解决的技术难题 。 [1] 瑞 典 沃 尔 沃 公 司 传 动 分 部 的 一 项 研 究 结 果 表 明 ，设 计 、材 料 和 热 处 理 工 艺 三 者 对 齿 轮 畸 变 的 影 响 率 分别为 50%～60%、20%～30%和 5%～15%。尽管这
工会产生加工应力，受切削工艺不当、刀具用钝等 因素的影响，会造成更复杂的应力状态，这种应力 在 热 处 理 过 程 中 得 以 释 放 ，由 于 齿 轮 在 高 温 下 的
强 度 较 低 ，释 放 的 应 力 会 导 致 齿 轮 的 塑 形 变 形 。 此 外 ，齿 轮 不 同 的 切 齿 方 式 会 在 表 层 形 成 不 同 的 应力状态，导致其变形倾向也不尽相同，因此必须 采用合理的加工工艺，降低加工应力。