大型齒圈結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于其壁薄、徑長(zhǎng)比（外徑/ 齒寬）大，其滲碳淬火畸變大、不規(guī)則且難以控制，較大畸變量直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和后序的加工效率，導(dǎo)致后序加工余量不均勻，影響齒面有效硬化層深和齒面硬度，從而降低齒圈的強(qiáng)度、承載能力和疲勞強(qiáng)度，最終降低齒圈的使用壽命。

1零件概況

以某大型薄壁齒圈，材質(zhì)為20CrMnMo，螺旋角7°右旋，齒面要求硬度58~62 HRC，心部要求硬度30~42 HRC，工藝有效硬化層深3.3~3.8 mm，橢圓度要求< 3 mm，成品示意簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。圖1所示齒圈，滲碳后直徑縮小1~3mm，采用硝鹽淬火后直徑漲大5~7mm，即漲大0.18％一0.25％D。對(duì)于齒圈而言，畸變分兩種類(lèi)型：一種為規(guī)律性的整體漲大縮小量，一般通過(guò)對(duì)齒頂圓及滾齒留磨量控制來(lái)保證成品齒部精度；二種為無(wú)規(guī)律性畸變，即橢圓 、翹曲、錐度等，該類(lèi)畸變影響因素較多，材料均勻性鍛造、機(jī)加工殘余應(yīng)力、結(jié)構(gòu)、裝架方式、滲碳淬火工藝等均會(huì)導(dǎo)致畸變。若殘余機(jī)加工應(yīng)力未徹底消除，后續(xù)熱處理中齒圈將發(fā)生與殘余應(yīng)力成正比的畸變。齒圈徑長(zhǎng)比越大，滲碳收縮量越大，淬火漲大量越大；齒寬越大，產(chǎn)生錐度越大；當(dāng)結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)且簡(jiǎn)單、徑長(zhǎng)比小，壁厚/齒寬值大時(shí)，滲碳淬火畸變較小。

2畸變控制

2.1機(jī)加工設(shè)計(jì)

該齒圈工藝路線：鍛造一鍛后正、回火一粗車(chē)一調(diào)質(zhì)預(yù)處理一半精車(chē)一人工時(shí)效一滾齒一滲碳淬火、回火一拋丸一精車(chē)一人工時(shí)效一精車(chē)一磨齒一成品。

考慮淬火將導(dǎo)致外圓漲大以及螺旋角變大，因此工藝設(shè)計(jì)通過(guò)減小半精車(chē)齒頂圓以及滾齒螺旋角來(lái)保證硝鹽淬火后齒圈齒頂圓、公法線及齒形齒向符合圖紙要求。樣本齒圈成品內(nèi)孔有凸臺(tái)，其結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)、厚薄懸殊大等對(duì)熱處理畸變有負(fù)面影響，因此機(jī)加工設(shè)計(jì)將內(nèi)孔臺(tái)階留至精車(chē)加工，如圖2所示。

2.2預(yù)處理

預(yù)處理若采用正火加高溫回火，熱處理后組織為珠光體加鐵素體，甚至產(chǎn)生非平衡組織貝氏體，由于空氣冷卻不均勻，正火組織均勻性較差。由于油介質(zhì)冷卻均勻性及速度均優(yōu)于空氣，調(diào)質(zhì)將獲得均勻的回火索氏體組織，可以改善或消除鍛造產(chǎn)生的原始組織不均勻性，使齒圈力學(xué)性能均勻性提高。鍛后正火熱處理可以改善鍛造組織，細(xì)化品粒，調(diào)質(zhì)預(yù)處理將均勻組織、減小后續(xù)熱處理畸變，兩者結(jié)合對(duì)于改善滲碳淬火組織及畸變十分有效。

2.3滲碳裝爐

滲碳齒圈疊加，相當(dāng)于增加齒寬，使徑長(zhǎng)比減小，有利于減小翹曲、橢圓畸變，其裝爐方式如圖3 所示。滲碳后冷卻時(shí)，疊加齒圈上下端面冷卻相對(duì)較快，其收縮量相對(duì)較大，產(chǎn)生腰鼓形特征。由于降溫至650 °C之前在爐內(nèi)冷卻，冷卻均勻，齒圈在剛性較差的高溫區(qū)產(chǎn)生的橢圓、翹曲畸變較小，所以?xún)H產(chǎn)生腰鼓形特性，如圖4所示。

2.4滲碳工藝

工藝路線采用重新加熱淬火，重新加熱可防止20CrMnMo長(zhǎng)時(shí)間滲碳產(chǎn)生的晶粒粗化問(wèn)題，同時(shí)可通過(guò)對(duì)滲碳后畸變測(cè)量、校正以及組織檢測(cè)來(lái)調(diào)整淬火工藝。滲碳升溫越快，產(chǎn)生熱應(yīng)力越大，與殘余機(jī)加工應(yīng)力疊加，將產(chǎn)生較大畸變，因此必須階梯升溫。滲碳必須低溫出爐，若760°C出爐，滲層將產(chǎn)生不均勻相變將在次表面產(chǎn)生淬火馬氏體組織，比容增大，表面受拉應(yīng)力，尤其在冬日,20CrMnMo鋼工件置人緩冷坑時(shí)，產(chǎn)生裂紋幾率大增，而且淬火馬氏體組織將使?jié)B碳畸變?cè)黾印B碳后期650°C保溫將使表面獲得均勻的共析組織，消除應(yīng)力，為淬火做準(zhǔn)備。

2.5滲碳后校正

對(duì)于硝鹽介質(zhì)而言，滲碳畸變量與淬火畸變量間存在一定比例關(guān)系，一般淬火橢圓畸變量在滲碳畸變基礎(chǔ)上增加30％一50％，一定意義上控制滲碳畸變即可有效控制淬火后畸變，因此控制滲碳畸變或者說(shuō)控制淬火前畸變成為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。若滲碳后檢測(cè)發(fā)現(xiàn)橢圓大則需進(jìn)行校正。校正采用千斤頂對(duì)整體加熱齒圈橢圓短軸熱頂，若齒圈加熱溫度低，如 280°C，此時(shí)齒圈強(qiáng)度高，且低溫時(shí)彈性區(qū)大，發(fā)生塑性變形難度大，隨著溫度升高，彈性區(qū)將減小，校正難度降低；若加熱溫度太高則操作困難，實(shí)踐證明加熱至550°C校正效果較好，彈性區(qū)大幅降低，低應(yīng)力即可產(chǎn)生塑性變形。實(shí)踐證明滲碳后校正加去應(yīng)力處理，淬火后畸變不會(huì)反彈，通過(guò)滲碳后校正有效解決淬火畸變累積問(wèn)題。

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