热处理中影响齿轮变形的因素研究

杨文明

（深圳职业技术学院，广东 深圳 518055）

热处理中影响齿轮变形的因素研究

杨文明

（深圳职业技术学院，广东 深圳 518055）

研究了有关因素对齿轮热处理后变形的影响，包括齿轮原材料的选择、几何结构的设计、热处理时的放置方式、热处理工艺参数选择等。在不同热处理条件下对齿轮变形进行了试验，并对试验数据进行了分析，研究了各相关因素对总变形的影响程度，综合利用文中所述方法，可使生产的齿轮热处理变形最小，给优化齿轮热处理工艺提供参考。

热处理；齿轮；淬火；变形

行星差动减速器大多在低速重载并伴随有冲击振动的条件下工作，其中的行星轮和太阳轮大都采用低碳合金结构钢制造。为满足使用性能的要求，渗碳淬火是必不可少的工艺过程。但热处理时齿轮因热胀冷缩及相变引起的变形也是不可避免的。这一变形极大地影响着齿轮的传动性能及后续的精加工成本，是影响齿轮传动质量的关键，是目前齿轮热处理中亟待解决的复杂问题之一。

1 影响因素

研究热处理齿轮变形的问题从以下4个方面加以考虑。

1.1 原材料及其制造

对原材料的偏析情况、成分及淬透性已进行了大量研究。研究表明：

（1）要控制材料的性能，必须从熔炼和铸锭开始就使材料有更好的均匀一致性。轧前铸锭的对称凝固应特别重视，它是热处理后产生椭圆变形的主要原因。

（2）合金成分和淬透性对热处理变化的影响。大都认为钢的淬透性越高，钢的收缩性越大，且有较好的可重复性，因而可避免齿轮热处理后内孔的胀大。也有人指出，淬透性加大，齿向变化减小，淬后不圆度明显增大等。

测量钢的淬透性，常使用乔米尼（Jominy）曲线。但乔米尼曲线对材料成分太敏感，即使成分有少许改变，它们的变化也很大。此外，为减小零件热处理后的变形，应减小乔米尼曲线的离散度。在这方面对原材料制造提出了更高要求。国外制造行星减速器齿轮，推荐使用控制淬透性的钢（H钢）和严格控制淬透性的钢（RH钢），应引起我们的重视。

1.2 齿轮的设计和制造

齿轮的几何形状和热处理前的内应力分布状态，影响着它热处理后的变形。热处理后的变形和齿轮的几何设计是否合适具有很大关系，最佳设计应充分考虑热处理后的变形。而齿轮最后精切前的去除应力处理是减小热处理变形的有效手段，但目前由于经济原因这一点往往做不到。

1.3 热处理时的放置方式

热处理时的放置方式对齿轮的热后变形性能有较大的影响，合理的放置方式与零件、温度、处理时间和淬火介质均有关，需要根据实际情况确定。

1.4 热处理时的参数

热处理中的零件变形，主要是由于零件中的温度梯度造成的，该梯度是由于加热或淬火时冷热不均造成的，为减小这一效应，常使用零件逐步加热的办法。对不同淬火介质的冷特性，人们做了广泛研究。目前在行星减速器齿轮渗碳淬火中虽然普遍使用油淬，但用高压气体淬火对变形的减小是有利的。此外，渗碳过程也会导致组织转变应力的不同，随之引起变形。评论该变形时渗碳层深与总断面的相互关系，以及心部材料的性能，都应仔细考虑。有人证明了大型圆柱零件的长度。在这种情况下，将导致斜齿轮螺旋角的改变，且变形的大小主要受齿轮模数的影响。

2 实验目的、条件和程序

2.1 目的

如前所述，齿轮热处理的变形是不可避免的，但我们应尽量减小其变形量，并减小该量的离散度，这是必要的。齿轮在热处理后的变形，主要是内孔的收缩和胀大及平面度、圆度、锥度的变化，以及轴线间夹角的改变。本文的目的就是系统地考虑有关因素。对齿轮热处理后变形的影响，澄清各因素对总变形的影响程度，给优化齿轮渗碳淬火工艺提供基础。

2.2 具体设备和淬火介质

齿轮的渗碳是在有预热炉的连续推式炉中进行。在加热区工件托盘有3个位置，且在渗碳时有7个位置，扩散时有3个位置。依靠推拉传动装置，被处理齿轮进入淬火室在油中直接淬火。托架间的推拉循环时间是16.3min，得到的渗碳层深0.6～0.7mm，硬度HV550。

使用的淬火油主要有2种，一种是滚动轴承淬火油（OL46），另一种是快速淬火油（DurixolW25）。前者的温度在90～120℃间变化，而后者在90～150℃间变化。

2.3 齿轮几何形状

为了评价齿轮几何形状对热后变形的影响，使用了2种形状的齿轮，一种为标准形，另一种为加强形。具体如图1所示，其外径Φ187.35mm，齿面宽23mm。

2.4 齿轮材料

渗碳齿轮的材料是16/20MnCr5,乔米尼淬透性为33～37HRC。初始为正方形铸锭，随后热轧成直径为70mm的棒料，切断后锻成所需的形状，锻后热处理使其硬度达到170～190HB。该材料的具体化学成分为：C(0.17%～0.21%)；Mn(1.28%～1.46%)；Cr(1.00～1.10%)；Si(0.17%～0.24%)；Al(0.021%～0.04%)。

图1 实验齿轮的几何形状

2.5 加载

在热处理中，每一托盘上放置五层共25个齿轮，每层的齿轮呈星型分布，每个齿轮均用3点支撑。每个齿轮占据500mm×500mm的面积。齿轮常垂直放置。

3 实验结果和讨论

3.1 不同种类淬火油的影响

淬火油的品质对淬火速度有相当大的影响，从而也就影响零件心部的硬度和变形性能。即使使用相同的油，添加剂和浓度不同，对油的冷却过程和效果也会产生相当影响。很明显，选择合适的淬火油对控制热处理后的变形性能是重要的。

选择淬火油的准则是减少齿轮变形和加宽淬火温度范围。经OL46和杜瑞科尔W25的对比试验，最后选择快速淬火油（杜瑞科尔W25）进行了随后的一系列实验。

图2示出了在2种油中淬火后，齿轮的变形比较情况。每种情况下，测量了4批100个齿轮的圆度和平面度，发现新的快速淬火油使不圆度减小约10%，平面度改善约26%，而且快速淬火油可在温度90～150℃间使用。

图2 油的种类对变形的影响

3.2 油温的影响

当标准几何形状齿轮用快速淬火油试验时，考察了不同油温对变形性能的影响。为评估所有实测值的可靠性及离散性，研究并记录了这些实测值的平均值和标准差。

试验数据表明，随着温度的增加，齿轮内孔的不圆度减少了约12%，且分散区的边界也发生了变化，离散度减小。在内孔锥度明显减小的较高温度时，在90℃和120℃的油温下，平面度没有发生大的变化，在油温150℃时，它明显变差。由于平面度会相应引起轮齿齿形角的变化，该参数对齿轮的传动性能影响极大，因此应该控制平面度的大小变化及离散度，以后的试验均在120℃的油温下进行。

内孔尺寸明显受所选温度的影响。在90℃的油温下，可看到内孔有一定的收缩量。但是，在120℃和150℃的油温下，热处理后的齿轮内孔则有少许胀大。在120℃的情况下，测出的离散度数据最小。

在试验观察时，齿轮的几何形状必须考虑。若齿轮由标准形改变为加强形，可得到明显不同的结果。与标准形相比，加强形的不圆度约减少17%，平面度约减小40%。油温从120℃升高至150℃时，不平面度可进一步改善约10%。由上述可知，加强形齿轮，在油温150℃下淬火，可产生最小的变形。由此也可以看出，齿轮的几何形状对变形有大的影响，有时对它的设计可代替对油温的考虑。

3.3 油循环速度的影响

3.3.1 标准形齿轮

淬火油循环速度用泵轮的速度表示，其变化范围为：320～960 r/min。试验时将被淬齿轮浸入油中5 s后油开始循环。

试验结果表明，具有标准形状的齿轮当泵轮的速度减小时，不圆度、锥度明显减小，分别减小约29%及42%。此外，也可以看到不圆度的离散度也有一定减小，当泵轮速度减小，平面度也有一定减小。因此，我们可以说泵轮速度最小时，被淬齿轮产生的变形量小。

当油速减小时，齿轮的内孔尺寸由少许收缩到较小胀大转变。这是由于冷却速度减小，且时间延误造成的。

淬火油循环起始时间延误（5 s）对变形影响的试验，是在循环速度320 r/min时进行的，并和其他试验结果作了比较。不圆度、锥度明显变差，而平面度实际保持未变。此外可清楚看到内孔尺寸收缩较大。时间延误终止了油的汽相，使冷却的均匀性变差，淬火的初始相不能循环，是上述问题的原因。

3.3.2 加强形几何形状齿轮

用加强形几何形状齿轮试验时，常常加大泵轮的速度范围，这可使其速度为：1 500～170 r/min。为了充分利用整个速度范围，选择初始速度为750 r/min，8 s后转变为1 500 r/min。同样实验了320 r/min和170 r/min的转速。油温调整为150℃，可望在此温度下得到较好结果。为证实该情况，也在较高速度和油温120℃下作了试验。

试验结果如图3，可以看到，油温增加，不圆度和平面度减小约10%。油温在150℃时，油的循环速度增大，仅对圆度和平面度有小许影响。这也表明，齿轮几何形状改变，油的速度对变形的影响明显减小。在油速320 r/min得到的变形最小。这一事实说明，存在最佳油循环速度，使被淬齿轮变形最小。

图3 油温与循环速度对变形的影响

4 结束语

减小被淬齿轮的变形，是一个极复杂的系统问题。首先应从材料上着手，选择化学成分稳定，特别是淬透性符合要求的钢材，尽管这样的钢材价格高些，但从保证质量来看是必须的。另外，在齿轮的几何设计上，淬火变形的问题也应该提高到研究日程上来，在这方面由于问题的复杂性，我们往往重视不够。既然设计齿型、设计齿向这些冷加工的精密设计都被我们重视，影响更大的热处理变形更应受到重视。对标准几何形状齿轮在120℃的油温下平面度没有大的变化且测出的数据离散度较小；对加强齿轮，在油温150℃下淬火，可产生最小变形。由此也可以看出，齿轮的几何形状对变形有大的影响，有时对它的设计可代替对油温的考虑。

原材料选择和几何设计完成后，也应在热处理方面广泛研究，从渗碳、淬火等方面进行试验，优化选择合适的工艺参数，可以使热处理后齿轮变形最小。本文给出了大批量生产时，使用连续渗碳淬火炉用油淬的试验结果：应选择符合要求的钢材，设计合理的几何形状，选择合适的淬火介质、油温、及油循环速度，综合利用上述方法，才能使我们生产的齿轮热处理变形最小。

[1]齿轮制造工艺手册编委会.齿轮制造工艺手册[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]张 展，温成珍，等.齿轮检测技术[M].北京：机械工业出版社，2012.

[3]于程歆，刘 林.淬火冷却技术及淬火介质[M].辽宁：辽宁科学技术出版社，2010.

[4]李书常.热处理实用淬火介质精选[M].北京：化学工业出版社，2009.

The Reasons of the Deformation ofGears in Heat Treating

YANGWen-ming
（Shenzhen Polytechnic，Shenzhen Guangdong 518055，China）

After searching on the reasons of deformation of gears in heat treating,including how to choose gear’s materials,how to design geometric construction,how to place gears in heat treating and how to choose technological parameter in heat treating,experiments in different conditions of heat treating are done.This paper analysises experiments’data and the degree of relevant factors influence deformation and summarizes ways to make smallest deformation in heat treating.Some reference aboutoptimizing technologiesofheat treatgearsare as follows.

heat treating；gear；quenching；deformation

TG162.73

A

1672-545X（2014）04-0001-03

2014-01-06

杨文明（1965—），男，江西上饶人，高级工程师，主要研究方向为机械设计与制造。