石 敏

（中航工業(yè)長(zhǎng)沙中傳機(jī)械有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410200）

1 項(xiàng)目背景

某變速箱內(nèi)齒圈是一個(gè)重要零件，起著重要的傳動(dòng)作用，零件形狀見(jiàn)圖1。

圖1 零件形狀

此零件材料相當(dāng)于國(guó)產(chǎn)材料20MnCr5，整體滲碳淬火，深度0.4～0.7 mm（HV610），內(nèi)齒滾棒尺寸要求237.932+0.248，尺寸變化范圍不超過(guò)0.10 mm，齒形、齒向偏差符合DIN9級(jí)精度。內(nèi)齒圈為薄壁件，變形大，國(guó)內(nèi)都是通過(guò)磨齒或更改材料做氮化工藝或感應(yīng)淬火來(lái)達(dá)到圖樣上要求。筆者公司通過(guò)一系列工藝技術(shù)試驗(yàn)和攻關(guān)，結(jié)合控制熱處理變形，確保零件不磨齒即能滿足精度要求。

2 變形控制

2.1 變形因素分析

控制熱處理變形是多方面的，分析從機(jī)械加工開(kāi)始，在熱處理前后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多批次收集，找尋各工序過(guò)程影響熱處理變形的因素，部分具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

利用MINTAB軟件的數(shù)據(jù)分析功能，對(duì)表1進(jìn)行數(shù)據(jù)分析篩選主要影響因素。

（1）采用假設(shè)檢驗(yàn)對(duì)批次的差異造成熱處理變動(dòng)的影響進(jìn)行分析。

由于兩批次按時(shí)間先后和不同的原材料爐次進(jìn)行投產(chǎn)，故從批次上可以區(qū)分環(huán)境溫度和原材料化學(xué)成分微量變化。根據(jù)圖2顯示，可以利用數(shù)據(jù)證明環(huán)境溫度和原材料化學(xué)元素的變動(dòng)對(duì)熱處理前后的變形無(wú)顯著影響。

表1 熱處理前后數(shù)據(jù)mm

圖2 假設(shè)檢驗(yàn)

（2）利用多元回歸分析對(duì)熱前工序的精度影響熱處理變形的大小進(jìn)行計(jì)算。

圖3 多元回歸

從圖3中圖形顯示，車工跳動(dòng)、插齒跳動(dòng)、滲碳后跳動(dòng)對(duì)淬火后內(nèi)齒圈跳動(dòng)均有影響，故熱前機(jī)械加工過(guò)程的精度和滲碳后的變形控制都是影響熱處理變形的關(guān)鍵因素。

（3）由于滲碳和淬火后零件齒圈均存在跳動(dòng)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析滲碳后跳動(dòng)和淬火跳動(dòng)對(duì)產(chǎn)品的跳動(dòng)均有顯著相關(guān)性，故采用DOE確定經(jīng)濟(jì)合理的跳動(dòng)數(shù)值，具體實(shí)驗(yàn)運(yùn)行和結(jié)果見(jiàn)表2和圖4。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)測(cè)得數(shù)據(jù)，以及經(jīng)濟(jì)性的要求，確定要求：“滲碳后跳動(dòng)小于0.18；淬火后跳動(dòng)小于0.12”。

表2 DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2 滲碳前的機(jī)加工變形控制

由于內(nèi)齒圈零件為薄壁件，采用普通的固定、夾緊方式，零件因加持處受力變形，而導(dǎo)致零件跳動(dòng)增大，如圖5所示，在外圓面上呈規(guī)律的三角形，即三爪夾持力造成。

對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行改進(jìn)，車外圓時(shí)使用專用的夾具，內(nèi)孔定位，端面支靠和固定，避免零件變形，見(jiàn)圖6。

車內(nèi)孔和端面時(shí)，則采用包爪形式，加大零件受力面積，減少壓強(qiáng)，減小零件因變形而導(dǎo)致的跳動(dòng)增大［1］。

圖4 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果

圖5 零件圓度測(cè)量結(jié)果

圖6 零件夾具設(shè)計(jì)示意圖

同時(shí)插齒切削力大，導(dǎo)致機(jī)加應(yīng)力，在測(cè)量階段即出現(xiàn)在設(shè)備上測(cè)量和從機(jī)床夾具上取下測(cè)量的結(jié)果不一致的現(xiàn)象。在插齒工序中增加釋放粗插齒應(yīng)力工步，調(diào)整和控制零件夾緊力，降低插齒的切削應(yīng)力。粗插齒后將夾緊螺釘松一個(gè)螺距后，再次夾緊，有效釋放切削應(yīng)力，確保精插齒后尺寸的一致性。

2.3 通過(guò)改進(jìn)工藝來(lái)改善滲碳后的變形

對(duì)熱處理工藝而言滲碳后的變形有幾個(gè)因素影響：滲碳溫度；升溫速度；裝料方式；滲碳后冷卻速度［2］。所以為控制滲碳后齒圈變形采取了措施：通過(guò)以上措施聯(lián)合作用滲碳后外圓橢圓度平均在0.15 mm以內(nèi)。

（1）降低滲碳溫度，同等條件下外圓平均橢圓度由900℃的0.35 mm提高到了0.25 mm；

（2）采用預(yù)熱方式減少加溫過(guò)快產(chǎn)生的熱應(yīng)力變形，先將零件預(yù)熱再進(jìn)爐滲碳［3］；

（3）滲碳完成后零件隨爐冷到830℃左右再空冷，減少冷卻速度太快產(chǎn)生的變形；

（4）在裝爐方式上進(jìn)行了控制，避免冷卻不均而產(chǎn)生變形，采用比較合適和經(jīng)濟(jì)的裝爐重疊數(shù)，不超過(guò)2件。

2.4 淬火變形控制

采用零件外圓滑塊擠壓淬火，淬火示意如圖7所示。

圖7 壓力淬火模具示意圖

為了使外環(huán)錐面通過(guò)滑塊把力均勻作用在零件外圓上，芯模外齒必須與機(jī)床中心同軸度要很小，所以底模必須與機(jī)床堵頭定位，才能保證零件淬火時(shí)同時(shí)受力且均勻。

2.5 齒形齒向變形控制

通過(guò)對(duì)09-3批熱處理后內(nèi)齒圈齒廓形狀進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)齒廓偏差呈錐度（見(jiàn)圖8），從中看出均勻有規(guī)律，故試驗(yàn)對(duì)零件采用熱前預(yù)留變形來(lái)抵消熱后齒廓形狀錐度偏差。

圖8 零件熱后齒廓形狀偏差

將插齒刀的齒廓形狀設(shè)計(jì)成反錐度，見(jiàn)圖9。零件采用修形插齒刀后齒形見(jiàn)圖10。改進(jìn)后對(duì)2010-2批進(jìn)行試驗(yàn)，熱處理后，內(nèi)齒圈零件齒形得到有效修正，見(jiàn)圖11，成功改進(jìn)內(nèi)齒齒廓形狀偏差不合格狀態(tài)。

圖9 插齒刀齒廓形狀偏差

圖10 修形插齒刀加工的零件齒廓偏差

圖11 修形后零件熱后齒廓偏差

3 達(dá)到的效果

薄壁滲碳淬火內(nèi)齒圈變形加工技術(shù)研究達(dá)到了預(yù)期效果，滲碳、淬火后校正比例小，即使校正了也達(dá)到了變形要求。經(jīng)過(guò)批生產(chǎn)驗(yàn)證成功取消了磨齒工序，質(zhì)量穩(wěn)定，變形符合設(shè)計(jì)要求。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）利用MINITAB軟件對(duì)內(nèi)齒圈熱處理變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)。

（2）插齒工序粗插齒后增加釋放插齒應(yīng)力工步，調(diào)整夾緊力，消除機(jī)加工應(yīng)力。

（3）采用齒廓反錐度的插齒刀增加內(nèi)齒圈的熱處理預(yù)變形。

（4）淬火由傳統(tǒng)的齒頂固定單向控制花鍵變形改變?yōu)檎w花鍵芯模固定，外圓擠壓雙向控制變形，解決花鍵橢圓和錐度技術(shù)難點(diǎn)。

［1］吳拓.現(xiàn)代機(jī)床夾具設(shè)計(jì)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［2］張俊善.材料的高溫變形與斷裂［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［3］金榮植.齒輪熱處理常見(jiàn)缺陷分析與對(duì)策［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.