齿轮零件热处理后变形影响因素探讨

齿轮零件热处理后变形影响因素探讨

李瑶    李朝青

南京高精齿轮集团有限公司 江苏南京210000

【摘要】常规齿轮生产分为软齿面齿轮，中硬齿面齿轮和硬齿面齿轮。根据轮齿硬度的不同，其可承受载荷的强度也不同。目前市场上硬齿面齿轮箱以其高承载、高使用寿命而被广泛适用。硬齿面齿轮，指齿部经过硬化处理的齿轮。在零件加工工艺中，齿轮件通过热处理进行硬化，而热处理后所表现出的零件变形对加工路线、加工成本及部分性能的实现都产生了巨大的影响。本文对热处理零件变形的影响因素进行探讨，寻求对变形量的规律掌握，以便于开发合理的工艺路线，满足对齿轮设计参数的实现。

【关键词】齿轮、材料、热处理、变形

1. 齿轮加工路线概述及变形现象特点
   1. 齿轮加工路线概述

硬齿面齿轮的加工工艺路线通常如下：

原材料→初加工→粗开齿→热处理→精加工→齿部精加工。

在此工艺路线中，因经热处理工序后，零件会表现出形状改变的特性，故在热处理前的工序精度较低，可初步接近零件图纸尺寸，同时在关键尺寸部位留有加工余量，在热处理后进行精细加工以满足图纸要求。

热处理工序主要是对零件进行硬化处理，硬齿面齿轮主要的硬化方式有渗碳淬火、感应淬火、渗氮等。本文以最常用的渗碳淬火工艺为例，对齿轮的变形情况进行研究。

1.2变形现象的特点

我们所定义的变形，是指零件形变与畸变的共同作用。形变是指宏观尺寸的变化，比如尺寸的伸长或缩短，圆环的增大或缩小等；畸变是指几何形状的变化，比如扭曲，弯曲，圆形形变为椭圆性或不规则形状，正方形变长方形等等。

齿轮件热处理时，形变和畸变是同时发生的，但由于各种内因、外因不同，两种变形的程度又是不同的。在热处理后，主要形状变化表现为上小下大的锥度变形，齿轮整体的涨大及椭圆变形，端面翘曲变形及齿向的扭曲变形。各种变形倾向及变形量的大小，与热处理及以前各道工序的加工，零件自身的形状结构均有密切的关联。

因变形影响因素较多，故如对零件进行单一变量的固定，无法得到一个固定的变形量的值，仅能通过对生产过程能力的控制，得到一个较小的变形范围，以便于热处理后的加工对变形进行补偿。

2. 影响变形的因素分析
   1. 零件设计

齿轮件的结构设计是影响热处理畸变大小的一项重要因素。零件如可做到形状简单、对称性强、直径控制在较小直径、少的台阶数量、少或者没有悬臂，各部分厚薄较均匀，热处理畸变会相对较小。反之，如形状复杂，不对称的工件，外径大和厚薄相差大的零件热处理畸变较大，截面厚度相差越大畸变量越大。零件的几何形状对某些特定的热后畸变会产生决定性的影响。截面尺寸不对称的零件淬火冷却是一种不均匀的冷却，形状越不对称，冷却越不均匀，淬火后变形越大。

另外，齿轮件材料的选择也可显著影响零件热处理后的变形。在产品设计时，在校核产品性能时，应存在多种材料可同时满足性能要求，在此情况下，结合零件结构对变形影响大小，选择合适淬透性的材料。低淬透性的材料在淬火后的形变要明显小于高淬透性的材料。

2.2原材料（毛坯）

原材料的加工流程通常为：冶炼→锻造→锻后热处理。

冶炼：

渗碳淬火齿轮件的原材料通常选用20CrMo，20CrMnTi，20MnCr5，20CrMnMo，8620，4320，18CrNiMo6等低碳合金钢。在炼钢过程中，钢水冷却速度的不同，导致钢在凝固过程中出现碳及合金元素的偏聚。因此带来了原材料不同位置成分的微小差别。成分的差别在产品渗碳淬火过程中，碳化物的形成能力有所分别，导致零件进表面组织的不同，加热冷却对不同位置产生的组织应力不同，热处理后不同位置的变形就有所区别。

锻造：

锻造过程中，零件经过锻打成型，形成零件的毛坯状态。锻造过程中，零件经过镦粗、拔长、冲孔等工序。形成零件自身的锻造流线。合理的锻造过程，锻造流线在零件毛坯截面对称分布。如锻造后，锻造流线不对称，在产品经过热处理后，变形趋势也难以按照对称方向进行。

锻后热处理：

锻后，为细化锻造过程中所造成的粗大晶粒，消除加工硬化和残余应力，降低硬度，改善切削加工性能，会对零件进行锻后热处理，锻后热处理效果的好坏，直接影响到了晶粒的均匀性，及参与应力的去除程度。而晶粒的均匀性及后续热加工中残余应力的释放，会带来零件的变形。

2.3粗加工

在热处理前的粗加工工序中，对零件的同心度及齿部的加工精度有一定的要求。粗加工时的偏心及齿部精度的过大偏差会在热处理加热过程中放大，从而带来较大的变形。

2.4热处理

热处理作为整个工序流程中变形表现最为显著的工序，在加热和冷却的过程中，分别受到热应力、组织应力及高温蠕变的影响，产生形变。

装炉影响：（1）工装的选择对零件的变形有显著影响。如工装的平整度不好，可能造成零件局部悬空，在零件加热过程中，受重力作用，零件会出现局部下塌形变。（2）零件在工装上的堆叠方式对变形也起到较大影响。零件的堆叠方式要尽量保证零件周围受热及冷却条件一致，这样在零件加热或冷却过程中零件各方向的变形规律将会相对一致，反之就会带来较大的不规则变形，。

工艺影响：（1）在整个热处理过程中，零件均受到热应力作用，零件整体变形趋势符合热胀冷缩规则。零件整体涨大。（2）零件在加热至900℃以上的温度渗碳的过程中，零件在长时间的高温条件下，产生蠕变，零件按照锥度方向进行变形。此时收到零件自重影响较大，零件越大，锥度越大。齿轮的上下外圆直径差越大。（3）零件在冷却过程中，组织由奥氏体转化为马氏体，由于马氏体与奥氏体晶格分布不一样，奥氏体为碳及其他合金元素溶解在γ-Fe中的固溶体，晶格类型为面心立方结构。而马氏体为碳和其他合金元素在α-Fe中的过饱和固溶体，晶格类型为体心立方结构。二者比体积不同，在零件进行马氏体转化过程中，晶粒涨大。随着淬火过程中，马氏体转变率的增加，零件体积也逐步增加，宏观上表现为零件涨大。

2.5热处理后基准变换

热处理后，对零件齿部精加工的基准进行修正，修正的目的是为了纠正在热处理过程带来的基准变化。基准修正的精度越高，纠偏越理想，后续精加工时显现出的变形分配越均匀，越利于零件按图纸尺寸加工到位。

3. 零件变形后的应对方案

如零件热处理后表现出的变形较大，后续精加工的余量不足以补偿变形。需要考虑零件性能需求是否允许对零件进行变形补救。常用的补救方案如，对零件进行重新热处理，在装炉及工艺方式上考虑反向补偿，可利用重力及工装的限定等方案，对零件进行变形的补救。或在性能允许的条件下，对零件进行局部的组织调整，对长端做局部热处理，通过组织转变改变零件比体积，调整零件变形量。

4. 变形优化方案探索

精加工前如可保证较小且均匀的变形，可大大提高精加工的效率，提升精加工的质量。故热处理后小的尺寸变化是工艺设计追求的改善方向。根据上文提到的会引起热处理变形的因素。我们可以在每个影响因素加以分析，找到合适的改善方向。在原材料端，可考虑原材料成分均匀性的优化，锻造流线对称性的保证，锻后热处理的优化方向。在热处理前的粗加工，可以考虑对变形规律进行预补偿，最大化的减小变形带来的影响。热处理过程，可通过对工装的优化，零件装炉方式的优化改善工装对零件变形的影响，同时调整热处理工艺，使热应力及组织应力带来的影响降至较低水平。同时随着加工技术发展，对各类零件的限形热处理也是减小变形的有效手段。

5. 结语

齿轮制造为传统的机械加工行业，齿轮加工过程中的热处理变形改善为该领域一项需要长期探索的课题。在社会及科技的发展进步过程中，对传统加工领域的技术能力有了越来越高的要求。齿轮零件热处理后变形的减小，可有效提升零件质量及加工效率，变形的改善有助于传统齿轮行业向着更精密更高要求的领域进军。在本文中我们对热处理后变形的影响因素进行探讨，后续针对各种影响因素，各细分领域可优化各自技术能力，进一步解决自身领域中的影响因素，使得行业技术水平得以优化。

【参考文献】

[1] 热处理手册编委会. 热处理手册[M]. 北京机械工业出版社, 2008

[2] 陈国民. 齿轮材料和热处理[Z]. 郑州: 齿轮行业生产力促进中心, 2009: 7.