齒輪工件在熱處理過程中常見問題及預(yù)防

劉成 王金巖 馬煥生

摘 要：齒輪傳動(dòng)由于其效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、壽命長等優(yōu)點(diǎn)而成為機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用最廣泛的傳動(dòng)形式之一。但由于齒輪加工的工藝要求較高，因此加工過程中非常容易出現(xiàn)各種各樣的問題。本文根據(jù)齒輪機(jī)加工后熱處理過程中的變形與開裂做了一些探討，通過嚴(yán)格選材、改進(jìn)加工工藝等方法對(duì)所出現(xiàn)的問題進(jìn)行了整改。基本解決了齒輪在加工中出現(xiàn)的一些問題，并經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)獲得了很好的效果。

關(guān)鍵詞：齒輪；熱處理；工藝

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.047

0 引言

我單位負(fù)責(zé)煉化企業(yè)的維修維護(hù)任務(wù)，在工作中經(jīng)常遇到油泵、減速機(jī)等非標(biāo)及特殊齒輪的修理，包括各類機(jī)床中的齒輪修復(fù)就更多了，對(duì)于無批量和無備件的老化設(shè)備中的齒輪無法用外購解決，就只有自己加工以應(yīng)對(duì)生產(chǎn)的需要，鑒于齒輪的重要性和加工的難度，如何保證其質(zhì)量和壽命就成為一個(gè)需要重視的課題。在多年的工作實(shí)踐中，根據(jù)遇到的齒輪損壞形式和加工中的難點(diǎn)進(jìn)行了細(xì)致的原因分析也找到了一些解決辦法，本文以典型齒輪為例說明。

1 齒輪工件在熱處理過程中的問題

齒輪做為機(jī)械設(shè)備中使用最廣泛的轉(zhuǎn)動(dòng)配件，直接關(guān)系到所屬設(shè)備的長周期運(yùn)行，而考核齒輪質(zhì)量好壞的指標(biāo)大體要求一是精度高、二是壽命長。所謂精度高，即加工尺寸要符合設(shè)計(jì)圖紙要求；所謂壽命長，即其強(qiáng)度和韌性等指標(biāo)要達(dá)到最佳使用狀態(tài)。要做到上述兩點(diǎn)，齒輪在整個(gè)加工過程中要注意很多問題，雖然產(chǎn)生缺陷的原因是多種多樣的，但歸納起來不外乎以下三種：一是原材料（齒輪毛坯）存在原始缺陷，如軟點(diǎn)、微裂紋和夾雜等：二是加工過程中的不足造成，如加工工藝不合理、熱處理的變形與開裂等；三是其他一些原因，如人的操作失誤、量具精度不夠等。而原材料缺陷可以通過無損檢測(cè)等手段來避免，其他因素可以通過加強(qiáng)培訓(xùn)和過程控制來避免，本文重點(diǎn)針對(duì)齒輪在熱處理過程中所容易出現(xiàn)的問題及防止方法做一討論，下面以圖1所示齒輪為例進(jìn)行詳細(xì)說明。

2 齒輪工件在熱處理過程中常見問題及預(yù)防

一次在加工C6120車床一齒輪（如圖1）過程中，就出現(xiàn)了機(jī)加工后齒輪經(jīng)高頻淬火后，在齒部靠近∮45mm孔處的齒輪節(jié)圓直徑變小，降低了齒輪精度成為廢品的問題。

該齒輪由于載荷不大，采用的是45#鋼，其加工工藝路線為：下料→鍛造→預(yù)先熱處理→粗加工→精加工→最終熱處理→精磨。其預(yù)先熱處理采用正火處理，即將鍛造后的坯料加熱至780?C以上，保溫1-2小時(shí)使奧氏體充分均勻化后在空氣中冷卻。這樣處理的目的是不但消除了工件在鍛造過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，減少裂紋出現(xiàn)的機(jī)會(huì)，而且改善切削加工性能，為最終熱處理做組織準(zhǔn)備。所謂改善切削加工性能就是增加工件中珠光體彌散度的共折量減少先共折鐵素體量，提高了硬度，從而改善了切削加工性能，如鋼中有帶狀組織，經(jīng)正火處理后，也消除了其易產(chǎn)生切削裂紋的傾向。其最終熱處理采用高頻淬火加低溫回火。通過高頻淬火提高了齒輪表面的硬度和耐磨性，并使齒輪表面有壓應(yīng)力存在而增強(qiáng)了抗疲勞破壞的能力，從而齒輪的使用性能得以進(jìn)一步提高。而低溫回火則是為了消除工件經(jīng)高頻淬火后產(chǎn)生的淬火應(yīng)力，防止研磨裂紋的產(chǎn)生和提高齒輪的抗沖擊能力，這進(jìn)一步提高了齒輪的使用性能。

而就是這么一種常用的典型的齒輪在加工過程中就出現(xiàn)了問題，其最主要的就是在最終熱處理的高頻淬火后，在齒輪腹板的∮45mm孔上靠近齒部節(jié)圓處直徑變小，從而造成齒面變形影響了齒輪的使用性能，并造成了大量的浪費(fèi)，對(duì)于這種問題的出現(xiàn)，我查閱了有關(guān)資料，并通過深入研究、總結(jié)、對(duì)比、試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，其問題的主要癥結(jié)在于6個(gè)∮45mm孔的存在，使該處壁厚比其余部分要薄，因此在高頻淬火中，該處的冷卻速度較快產(chǎn)生壓應(yīng)力，而其余各處還處在高溫塑性變形區(qū)，因此齒面壓應(yīng)力的存在使其余各處產(chǎn)生微量塑性變形，待冷室溫時(shí)其形變不再改變，因此出現(xiàn)前述問題。原因找到了，就要有針對(duì)性地找出解決方法，若6個(gè)孔不存在的話是不是就可以解決問題了呢，事實(shí)并非如此。由于該齒輪尺寸較大，為了減輕重量以及裝拆的方便該處6孔還必須存在，因此就只有從工藝路線上考慮。在原工藝中該孔的加工和齒輪的加工是一起在最終熱處理前進(jìn)行的，由于該孔的精度要求不高，所以它的加工不必同齒的加工一道進(jìn)行，而是將它改在最終熱處理后進(jìn)行，這樣在高頻淬火時(shí)由于齒輪根部厚度相同，就不會(huì)再出現(xiàn)類似的問題，從而就可以完全避免了問題的出現(xiàn)。

這是由于工序安排不合理產(chǎn)生裂紋的一個(gè)典型，在實(shí)際工作中工件出現(xiàn)裂紋的原因還很多，如工件結(jié)構(gòu)上尖角和棱角的存在，開口和不對(duì)稱等機(jī)加工藝都能生產(chǎn)裂紋。另外熱處理工藝不合理也能產(chǎn)生裂紋，這在工作中也要嚴(yán)格避免。

如G12MOV冷作模具鋼為了使其具有良好的熱更性，其熱處理工藝（如圖2）中淬火溫度為1115?C-1130?C之間，然而由于溫度較高，其在淬火冷卻時(shí)，產(chǎn)生的熱應(yīng)力也較大，所以冷卻后容易出現(xiàn)裂紋。為了避免裂紋的出現(xiàn)，常采用其下限溫度1115?C，但在綜合考慮時(shí)，為使其具有較高的強(qiáng)度和韌性，又可將溫度下降，到1000?C-1050?C進(jìn)行淬火處理，這樣不但控制了鋼中殘余奧氏體的量，調(diào)節(jié)了工件的變形，而且還可以避免由于溫度過高而產(chǎn)生的熱應(yīng)力存在，從而減少了淬火裂紋的出現(xiàn)。

總之，工件的變形與裂紋是處處存在的，它與工件的熱處理工藝有著密不可分的關(guān)系，一個(gè)容易忽視看來無關(guān)緊要的問題，就能導(dǎo)致前功盡棄，使工件成為廢品。因此減少甚至杜絕變形與開裂的傾向是熱處理工件的一個(gè)首要問題，這是一名工程技術(shù)人員所應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注和解決的問題，從而使我國的熱處理水平走在世界前列。