渗碳钢齿轮热处理变形及预防

表 2 国产齿轮材料
成分 C
Si
Mn
Cr
Mo
范 围 0. 18 ～ 0. 24 0. 20 ～ 0. 31 0. 46 ～ 0. 55 0. 80 ～ 1. 00 0. 16 ～ 0. 23
平均值 0. 218
0. 274
0. 506
0. 932
0. 188
均方差 0. 0477 0. 0901 0. 0832 0. 1633 0. 0623
2. 材料成分稳定性 根据对国产材料成分统计分析，材料成分，特别是 C 和 Cr 的变动范围较大，从批量生产的结果来看，对 热处理变形的稳定性有较大影响，应控制（ 缩小）原材 料成分变化范围。 从德国 Audi 轿车变速器齿轮所用材料成分中可 以发现，一是 C、Cr 等成份变化范围小，二是严格控制 了 Ni、Mo、Si 的含量（ 见表 1）。
处理后对齿形齿向影响较大。表 3 为 m = 3 某齿轮在
不同加工工艺下表面残余应力与热后变形量。
表 3 不同加工工艺对齿轮残余应力及变形量影响
齿宽方向应力 齿高方向应力
齿向误差变化
齿形误差变化
加工 （N/ mm2）
（N/ mm2）
（ mm）
（ mm）
工艺
最大 波动范围 最大 波动范围 热前 热后 变化量 热前 热后 变化量
工艺与工艺装备
渗碳钢齿轮热处理变形及预防
□陈 振
摘要 根据对影响中、小模数渗碳钢齿轮热处理变形因素的分析及生产实践，提出预防齿轮热处理变形的方法。 关键词：齿轮 热处理 变形 控制 中图分类号：TG157 文献标识码：B 文章编号：1671—3133（2003）05—0059—02
本文以汽车、摩托车行业常见的中、小模数渗碳钢 齿轮（ 模数 1. 5 ～ 2. 75，齿数 12 ～ 40）的热处理变形及 预防加以分析研究。
参考资料 1 郭志德等. 齿轮的失效分析. 北京：机械工业出版社，1992 2 牛恩善. 轿车齿轮热处理及质量管理. 汽车工艺与材料，
1997，5
作者通讯地址：四川江华机器厂（ 成都 610106） 收稿日期：20020809
现代制造工程 2003（5 ）
3. 毛坯硬度和组织状态
锻造毛坯须经正火处理，正火后的硬度一般规定
为 HB169 ～ 217，实际生产中还会超过上述范围。硬度
过低，表面粗糙度差，加工过程中塑性变形明显增大，
由于冷作硬化带来较大的表面残余应力，热处理时会
发生较大的变形。正火硬度偏高，表面粗糙度好，但正
火状态下不平衡组织数量增多且促使刀具磨损加快，
作者简介：肖海波，工程 师，在 读 硕 士，研 究 方 向：汽 车 制 造 工 艺 与 装备。
作者通讯地址：湖北汽车工业学院机械工程系（ 十堰 442002） 东风汽车悬架弹簧公司（ 十堰 442046）
电话：（0719）8200251 收稿日期：20030118
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工艺与工艺装备
中心定位后退至下夹死点位置，与松夹缸动作无任何 干涉，一个工作循环完结，中心定位位置复原至 C 点。
5. 垂直入油的实现 当淬火机待机状态结束，热钢板已准确定位成形 完毕后，电磁换向阀 8DT、9DT 均不通电，阀芯处于中 位，由于 Y 形中位机能使摆动缸两腔卸荷，淬火机在 自重作用下自然下垂，进入前述“ 入油准备状态”。 6. 防火处理 在设计液压回路时考虑淬火机故障状态（ 即断电 后）依靠换向阀中位机能作用，使得升降缸下降，摇摆 缸靠自重下垂，避免火灾事故发生。 7. 抗液压干扰处理 在液压原理图中，中心定位用液压锁，升降控制用 单向阀。前者是为了防止回路内泄而生成定位不准； 后者是因为升降缸是最大的缸，用单向阀可以避免其 无杆腔油液瞬间回流现象发生造成误动作。 8. 对电控的要求
1. 对齿形的影响及预防 20CrMo、20Cr 等钢种经渗碳或碳氮共渗后，常出 现“ 塌顶”现象，即齿顶部的齿厚变薄而齿根部的齿厚 变厚（ 压力角增大）。此时应对热处理前的齿形反变 形修形，修磨剃齿刀，使齿轮齿顶渐凸，即减小压力角。 如某 m = 2. 25，z = 30，β = 24º齿轮，热处理前（ 剃后）使 齿顶渐凸 0. 003 ～ 0. 005mm，热处理后齿形达到要求。 2. 对齿向的影响及预防 根据实践经验，一般中、小模数汽车齿轮热处理后 齿向有朝螺旋角减小方向变形的趋势。剃齿时根据具 体情况（ 齿宽及热处理条件），齿向予以加大。如某 m = 2，z = 26，β = 32 º 齿轮，热处理前齿向加大0 . 004 ～ 0. 01mm（ 螺旋角加大 0º1' ～ 0º3'），热处理后齿向达到 预先要求。 3. 对孔的影响及预防 一般渗碳（ 或碳氮共渗）后齿轮孔均缩小，但基本 上不影响后序加工。对于花键孔，孔不仅缩小，且有一 定的椭圆度，这将影响齿轮精度。应选择合适的预热 处理，并尽量减少机械加工时的内应力，还可在热处理 后用推刀（ 挤刀）光整内花键，予以修整。这对后续为 磨齿的齿轮尤其重要。 另外，热处理后齿轮的公法线尺寸略有胀大，在热 处理前的加工中应予以减小尺寸，减小量视齿轮的齿 数、模数等，在实践中予以确定。热处理时装料方式对 变形亦有影响，应根据产品结构确定装夹（ 压）方式， 保证最小和稳定的热处理变形量。对于盘形齿轮，要 保证齿部不能受到非均匀性的压力，受压面应平整；轴 类齿轮采用竖排，支承面应选择热处理变形对性能影 响不大的非齿部位，挂具、料框应平整，要保证炉内气 体和淬火介质能合理流动，同时，在热处理设备一定的 情况下，应确定能稳定变形量的热处理工艺。
以控制、消除。
4. 冷加工工艺
不同的切齿工艺引起的齿面残余应力也不同，因
而影响热处理的变形也不同。插齿齿面残余应力小且
均匀，沿齿宽和齿高方向的应力差值也小，热处理后的
变形量小；滚齿齿面残余应力波动较大，热处理后变形
较大；剃齿齿面残余应力较大，同时正、反面上应力差
大，用钝剃齿刀加工的齿面上的残余应力明显提高，热
剃齿 - 422. 77 96. 63 - 409. 35 260. 09 0. 014 0. 020 0. 006 0. 011 0. 024 0. 013
5. 齿轮参数及结构 在一定的材料及热处理条件下，齿数较少，模数较 小，螺旋角较大，非对称性齿轮孔壁厚差异较大时，则 变形较明显，设计时应在满足强度、结构等方面的同时 予以综合考虑。几种不同参数和壁厚差齿轮剃齿状态 下的热后变形量统计见表 4。
采用 PC 控制，行程开关采用接近开关。根据动 作时序设计电器原理，编制控制程序。
四、结束语
中心定位及垂直入油的实现使悬架弹簧的热处理 质量得以改善，在实际应用中还可以通过程序变化，实 现中心定位与端部定位的自由转换。
参考文献
1 章宏甲. 液压传动. 北京：机械工业出版社，1996 2 官中范. 液压传动系统. 北京：机械工业出版社，1989
直接影响加工精度。同时由于刀具磨损变钝，切削力
变大，增加了表面残余应力。这些因素都促使热处理
变形增大，一般正火硬度变化范围控制在 HB20 内较
好。
齿坯的正火组织状态也影响热处理变形。较平衡
状态的组织变形小；组织不均匀，如带状组织超过规定
等级时，齿轮会产生明显的变形；魏氏组织不仅影响齿
轮的疲劳强度，还会影响热处理变形，均应在制坯前予
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表 4 剃齿状态下热后变形量统计
孔径 齿数 模数 螺旋角（ º）
（ mm）
29 2
32
22. 8
壁厚差 （ mm）
5
孔缩小量 （ mm） 0. 03 ～ 0. 07
螺旋角减 小量（ º）
0. 02
12 2. 5
0
16
0
0. 02
0
30 2. 25 25
32. 8
来自百度文库
1
0. 02
0. 015
二、热处理变形对齿轮精度的影响及预防
一、影响热处理变形的主要因素及其控制
1. 钢材淬透性 汽车、摩托车行业齿轮用钢一般采用低碳合金钢， 如 20CrMo、20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo 等，这些材料淬 透性好，热处理后可使齿轮有较好的强度和寿命，但过 高的淬透性会使齿轮淬火时有较大的变形。生产实践 中，孔的收缩量可达0 . 08 mm，齿向变化量可达0 . 02 mm。中、小模数齿轮一般均能淬透，材料淬透性应控 制在较小范围内，应根据产品结构和热处理生产条件 通过试验确 定 其 对 淬 透 性 的 要 求。据 文 献［ 1 ］指 出， 20CrMo 钢中、小模数齿轮，钢材的淬透性能 J（9 距淬 火端距离 9mm）控制在 HRC30 ～ 36 范围内，能获得满 意的热处理变形要求，国内生产厂家应尽量使用控制 淬透性的 H 钢。
插齿 - 211. 99 78. 69 - 233. 73 71. 83 0. 011 0. 016 0. 005 0. 011 0. 015 0. 004
粗滚 - 226. 57 230. 0 - 287. 04 308. 4 0. 028 0. 052 0. 024 0. 025 0. 045 0. 020
表 1 Audi 轿车齿轮材料
材料 C
Si
Mn
P
S
Cr
Al
Ni Mo
4216F 0. 14 ～ 0. 19 ≤0. 12 1. 00 ～ 1. 40 < 0. 035 0. 02 ～ 0. 035 0. 80 ～ 1. 20 0. 020 ～ 0. 055 — — 4220F 0. 17 ～ 0. 22 ≤0. 12 1. 00 ～ 1. 15 < 0. 035 0. 02 ～ 0. 035 1. 00 ～ 1. 30 0. 020 ～ 0. 055 — — 4125F 0. 23 ～ 0. 28 ≤0. 12 0. 60 ～ 0. 80 < 0. 035 0. 02 ～ 0. 035 0. 80 ～ 1. 00 0. 020 ～ 0. 055 — — 4128F 0. 25 ～ 0. 30 ≤0. 12 0. 60 ～ 0. 80 < 0. 035 0. 02 ～ 0. 035 0. 80 ～ 1. 00 0. 020 ～ 0. 055 0. 15 0. 15
批量生产的某齿轮所用国产材料主要成分统计见 表 2。材料成分虽然符合标准要求，但散布较大；Ni、 Mo、Si 含量均高于 Audi 标准。另外，对材料淬透性和 交货组织状态未作具体规定。这是应该改进之处。
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