CN102808077A

CN102808077A - 一种保持精度等级的薄壁齿圈类零件淬火方法

Info

Publication number: CN102808077A
Application number: CN2012103421728A
Authority: CN
Inventors: 蒋秋娥; 蒋亦舟; 谭永耀; 莫竞芳; 赵飞; 杨旭驰; 向导; 王倩; 黄玉堃
Original assignee: Jianglu Machinery and Electronics Group Co Ltd
Current assignee: Jianglu Machinery and Electronics Group Co Ltd
Priority date: 2012-09-16
Filing date: 2012-09-16
Publication date: 2012-12-05

Abstract

本发明涉及一种保持精度等级的薄壁齿圈类零件淬火方法。将中碳氮化用钢的薄壁齿圈类零件，加工过程按工艺规定切削量进行粗、精加工，并分别进行去应力回火，采用涂覆材料，将待强化面涂覆均匀，通过高能激光束扫描工件表面，得到表层均匀的马氏体组织，采用对称等分渐进加热方式，按顺序逐步加热零件待硬化表面，进行工装定位激光淬火和渗氮两种热处理工艺对比，得出激光淬火得到具有表面压应力的马氏体组织，零件表面抗疲劳性能有明显提高。该方法满足产品性能要求，同时采用对称等分渐进加热方式减少零件变形，可以在不降低加工精度等级的基础上，减少零件加工的工序，满足产品性能要求。

Description

一种保持精度等级的薄壁齿圈类零件淬火方法

技术领域

本发明是一种保持精度等级的薄壁齿圈类零件淬火方法。该方法能广泛应用于普通中碳结构钢或合金结构钢的薄壁齿圈类零件表面强化，可以在不降低零件加工精度等级的基础上替代低碳钢渗碳后的整体低温淬火、渗氮。

背景技术

传统热处理生产中，薄壁齿圈类零件因其结构复杂、截面变化较大，若采用整体淬火方式，由于热应力与组织应力迭加，容易造成零件变形扭曲或形成淬火裂纹；感应淬火由于感应磁场、电流等参数难以控制，容易出现烧焦和过热的现象，并形成软带，造成零件淬硬层深和硬度不均匀；为保证局部耐磨性提高表面硬度，采用化学热处理渗碳或氮化的方式，必须通过镀铜等措施对零件非渗面进行局部防渗，易对环境造成污染，而且为了有效地控制热处理变形，工艺上采取反复校直和增加机加磨削余量的方法，严重制约生产进度和产品性能的提高。本技术发明采用激光淬火方式为国内外前沿的清洁、绿色热处理工艺技术，利用聚焦后的激光束快速加热钢铁材料表面，使其发生相变，形成马氏体硬化层，满足产品性能要求，同时采用对称等分渐进加热方式减少零件变形，可以在不降低加工精度等级的基础上，减少零件加工的工序，满足产品性能要求。

发明内容

该项技术发明，薄壁齿圈类零件内齿表面淬火采用聚焦后的激光束快速加热钢铁表面，其工艺参数为：激光功率P=2900KW；扫描速度Vs速度：起始850/中380/尾部800 mm/min。由于激光束热影响区较小，透热层较薄，相对整个零件基体，组织应力和热应力影响相对较弱。

如图1所示，按序号1～8依次进行激光加热，即对称等分渐进加热方式，可使零件基体淬火时产生的热应力和组织应力相互消抵，实现零件均匀对称变形，从而减少零件的实际变形量。

本发明的具体步骤如下：

步骤1、将中碳氮化用钢的薄壁齿圈类零件，加工过程按工艺规定切削量进行粗、精加工，并分别进行去应力回火，主要目的是使零件机加应力尽量消除，加工完成后清洗烘干，其加工精度为7级。

步骤2、采用特制的涂覆材料，将待强化面涂覆均匀，通过高能激光束扫描工件表面，工件表层材料吸收激光辐射能并转化为热能，热传导使材料周围温度以极快的速度升高到奥氏体相变以上工艺温度，再通过材料基体的自冷却作用使被加热的表层材料以超过马氏体相变临界冷却速度而快速冷却，从而完成相变硬化，得到表层均匀的马氏体组织。

步骤3、采用对称等分渐进加热方式，按顺序逐步加热零件待硬化表面，使零件基体淬火时产生的热应力和组织应力相互消抵，实现零件均匀对称变形，从而减少零件的实际变形量。

步骤4、进行工装定位激光淬火和渗氮两种热处理工艺对比（数据参考见表二），具体措施为：4.1在激光淬火前、后分别检测齿形、齿向值；4.2在渗氮前、后分别检测齿形、齿向值；4.3从齿形、齿向的变化值验证产品加工精度等级降低的数值大小（检测方式见图4）；

步骤5、分析研究激光淬火和氮化处理两种热处理工艺的零件机械性能与金相组织，激光淬火得到具有表面压应力的马氏体组织，零件表面抗疲劳性能有明显提高。

步骤6、应力相互消抵，实现零件均匀对称变形，从而减少零件的实际变形量，设计激光淬火的自动旋转定位分度圆的工装，缩短调整光斑与工件焦点的时间，定位精确，操作简便，提高生产效率。

通过该项技术可代替整体淬火和渗氮等常规工艺方法，零件技术要求如硬度、层深（表一）、金相组织（图2）、齿形、齿向变形等技术参数（表二），验证了其工艺方法的科学性和替代性。同时，根据产品结构，设计了合适的自动旋转定位分度圆的工装（图3），充分缩短调整光斑与工件焦点的时间，确保定位精确，操作简便，提高了生产效率。

附图说明

图1对称等分渐进法淬火图，

图2激光淬火后金组织相图，

图3自动旋转定位分度圆的工装示意图，

图4热处理前后齿形、齿向精度等级检测方式示意图。

具体实施方式

本发明的步骤如下：

步骤3、采用对称等分渐进加热方式，按顺序逐步加热零件待硬化表面，可使零件基体淬火时产生的热应力和组织应力相互消抵，实现零件均匀对称变形，从而减少零件的实际变形量。

步骤6、应力相互消抵，实现零件均匀对称变形，从而减少零件的实际变形量，设计激光淬火的自动旋转定位分度圆的工装，缩短调整光斑与工件焦点的时间，确保定位精确，操作简便，提高生产效率。

1、硬度及金相组织图说明（表一），检测负荷HR₁₅N ，换算成洛氏；

序号	渗氮	激光淬火
			硬度	57.5 57 57.5 56.2、57.4 57HRC	60.7 60.2 61.0 60.2 60.6 60.5HRC
层深	0.50mm	0.65mm

2、工装定位激光淬火过程：

整个工装由定位轴2、定位销3、回位弹簧4三部分组成。其中定位轴与产品5内孔配合，并通过三爪（四爪）盘一起固定在主轴箱1上，主轴箱支承带动工件绕水平轴旋转；定位销起到固定齿向的作用，即在调整好光带大小及第一个齿的位置及其与激光光斑6的距离后，定位销每顺时针转动一个齿，对应的齿也随着转动，这样各个齿的光斑焦点与产品的距离间隙就被固定，避免再次调整光斑大小和重复定位，因此大大提高加工效率。

3、激光淬火与氮化热处理对比试验（表二）：

选择第1、14、26、39个齿进行检测（其中L表示左、R表示右）

激光淬火前后精度等级对比：（单位：mm）

氮化前后精度等级对比：（单位：mm）

表二（说明：Δ每变化0.005mm，精度等级就会变化1级）

4、热处理前后齿形、齿向检测方式示意图：见图4。

Claims

1.一种保持精度等级的薄壁齿圈类零件淬火方法，其特征在于，该方法具体步骤包括：

步骤1、将中碳氮化用钢的薄壁齿圈类零件，加工过程按工艺规定切削量进行粗、精加工，并分别进行去应力回火，加工完成后清洗烘干；

步骤2、采用涂覆材料，将待强化面涂覆均匀，通过高能激光束扫描工件表面，工件表层材料吸收激光辐射能并转化为热能，热传导使材料周围温度以极快的速度升高到奥氏体相变以上工艺温度，再通过材料基体的自冷却作用使被加热的表层材料以超过马氏体相变临界冷却速度而快速冷却，从而完成相变硬化，得到表层均匀的马氏体组织；

步骤3、采用对称等分渐进加热方式，按顺序逐步加热零件待硬化表面，使零件基体淬火时产生的热应力和组织应力相互消抵，实现零件均匀对称变形，从而减少零件的实际变形量；

步骤4、进行工装定位激光淬火和渗氮两种热处理工艺对比，具体措施为：4.1在激光淬火前、后分别检测齿形、齿向值；4.2在渗氮前、后分别检测齿形、齿向值；4.3从齿形、齿向的变化值验证产品加工精度等级降低的数值大小；

步骤5、分析研究激光淬火和氮化处理两种热处理工艺的零件机械性能与金相组织，激光淬火得到具有表面压应力的马氏体组织，零件表面抗疲劳性能有明显提高；

步骤6、应力相互消抵，实现零件均匀对称变形，从而减少零件的实际变形量，设计激光淬火的自动旋转定位分度圆的工装，缩短调整光斑与工件焦点的时间；

其中，工装定位激光淬火过程：

整个工装由定位轴（2）、定位销（3）、回位弹簧(4)三部分组成，其中定位轴与产品（5）内孔配合，并通过三爪或四爪盘一起固定在主轴箱（1）上，主轴箱支承带动工件绕水平轴旋转；定位销起到固定齿向的作用，即在调整好光带大小及第一个齿的位置及其与激光光斑（6）的距离后，定位销每顺时针转动一个齿，对应的齿也随着转动，各个齿的光斑焦点与产品的距离间隙被固定，避免再次调整光斑大小和重复定位。

2.根据权利要求1所述的一种保持精度等级的薄壁齿圈类零件淬火方法，其特征在于，对称等分渐进加热方式具体为：按序号1～8依次进行激光加热，使零件基体淬火时产生的热应力和组织应力相互消抵，实现零件均匀对称变形，从而减少零件的实际变形量。

3.根据权利要求1所述的一种保持精度等级的薄壁齿圈类零件淬火方法，其特征在于，激光淬火工艺参数为：激光功率P=2900KW；扫描速度Vs速度：起始850/中380/尾部800 mm/min。