CN103223577A - 曲齿锥齿轮的抗疲劳制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一项以当代抗疲劳制造方法体系为基础，以感应加热淬火与气体渗氮组成的复合表面强化的新型曲齿锥齿轮生产工艺体系。本发明的目的还在于提供一项热后精度为4～6级，实现理论接触区啮合的强度可以与渗碳淬火媲美的复合表面强化的摆线齿锥齿轮制造方法。本发明的目的还在于提供一项既能体现齿轮当代抗疲劳高端制造方法宗旨，又能契合我国热处理技术发展路线图的软、硬件配套齐全的曲齿锥齿轮生产新技术。

Description

曲齿锥齿轮的抗疲劳制造方法

技术领域

本发明属于齿轮的制造方法，特别涉及的一种曲齿锥齿轮抗疲劳制造方法。

背景技术

现有技术中，由于航空、航天、汽车、风电、高铁、船舶等高端领域对长寿命、高可靠性齿轮的迫切需求，人们从抗疲劳的逆向思维出发，提出并构建出一个以材料科技为核心，以热处理为手段，以获取高疲劳性能量化指标为目标的一项齿轮抗疲劳制造方法体系。

现有技术中，曲齿锥齿轮的生产技术虽历经百年，但在实际生产中，尤其是汽车工业这一应用曲齿锥齿轮数量最大的领域，其制造方法仍停留在成型制造阶段。这一阶段的显著特征是齿轮材料、热处理的发展远远滞后于齿形加工，或者说现行曲齿锥齿轮制造工程体系与材料的抗疲劳性能相脱节。现在高端的曲齿锥齿轮切削机床已能够在热前高效率的生产出了3级精度的齿轮、但经渗碳淬火后精度将会损失三级以上，由于螺旋角度的变化，且数值离散从而造成齿轮接触区的变化。对曲齿锥齿轮而言，保证正确的接触区是其实现高强度、高寿命、高可靠性的关键所在。

为获得高精度的且处于理论接触区的曲齿锥齿轮副，人们不惜成本的采用昂贵的磨齿机进行热后磨齿，但磨齿只能用于格里森齿制的弧齿锥齿轮，而对于汽车工业普遍采用的“克”制和“奥”制的摆线齿锥齿轮则不能磨齿。为此，人们只有寻求减少热处理变形的方法。

现有技术中，曲齿锥齿轮对热处理变形格外重视，为此这一领域几乎应用了全部的减少热处理的方法。现罗列如下：淬透性钢种、高性能淬火油、淬火压床、精确碳势控制仪器、负压渗碳，以上方法只能改善热处理变形，但在控制齿轮螺旋角的变化方面均无明显效果。由于研齿并不具有误差修正能力，因此对于现行渗碳淬火齿轮的热处理变形修正只有进行磨齿。但是磨齿又存在以下弊端，即设备十分昂贵，生产效率低，造成表面硬化层的不完整，在齿根过度曲线处产生引发应力集中的台阶等等。

针对无法摆脱的渗碳淬火热处理变形，又避免磨齿，三种齿制都有自己的回授加工法。举例讲，奥利康采用全数控铣齿机和三坐标测量机，大论不修正，只通过对小轮的误差分析并通过修正小轮误差来实现接触位置的调整加工，这只能部分地改善接触区，而非实现理论接触区。只有经过无畸形表面硬化技术才能真正实现各种齿制的曲齿锥齿轮的理论接触区啮合，这是锥齿轮制造方法的最高境界。

现有技术中，齿面硬化工艺主要有三种，即感应加热淬火，渗氮和渗碳淬火，但在高端齿轮制造领域只有渗氮和渗碳淬火两种工艺。尽管感应加热技术已出现同步双频淬火、多频淬火、多能级脉冲的短周期而精确的淬火工艺，但在曲齿锥齿轮上应用还有待开发，由于这一工艺采用中碳钢或低淬透性钢种，因而表面接触疲劳强度与耐磨性均难以达到其他两种工艺的水平。

现有技术中，渗氮齿轮的经典生产流程如下：

锻造制坯—预先热处理（正火、正火+回火）粗车齿坯—调质（220～280HB）—精车制坯—齿部粗、精加工至图纸要求—渗氮—修正基准—研齿配对。

渗氮工艺在热处理变形方面较之渗碳淬火与感应加热淬火有明显优势，但渗氮齿轮的承载能力取决于基体强韧化水平，大量实践表明基体硬度在220～280HB的渗氮齿轮的承载能力大大低于渗碳淬火齿轮，因此这种低心部硬度的渗氮齿轮不能取代渗碳淬火齿轮。传统渗氮齿轮这种低调质硬度（220～280HB）、高的表面硬度（700～1000HV）的组合对于抵御交变应力是不合理的。现在我国在渗氮齿轮的技术标准中推荐基体硬度不低于310～330HB。这样的调质硬度，切齿将会遇到困难，对于大批量生产的汽车齿轮而言，这是绝不能接受的，而且这一调质硬度对于键槽的推削加工和拉削加工都将是难题。

以上对曲齿锥齿轮采用的常规表面硬化工艺的现状进行了简要分析，此外在决定齿轮疲劳性能的技术指标的给定上也存在问题，如渗碳淬火齿轮的心部硬度均标注33～43HRC，实践中表明当心部硬度低35HRC时，齿轮的弯曲疲劳寿命很低，只有心部硬度为37～39HRC时才具有高的疲劳寿命，现行生产工艺体系难以保证100%优级品的产出。从抗疲劳制造方法的角度着眼，这些关键的技术指标的给定范围不应将不合格品也规划在内，显然现有技术体系做不到这个层次。

现行渗碳淬火曲齿锥齿轮在疲劳寿命方面存在的弊端是其技术体系所造成的，因此只有创建新的技术体系才能将曲齿锥齿轮制造方法提升到抗疲劳制造的水平。

此外，美国能源部提出的工业现代化发展规划中（又称美国热处理技术线路图），以2000年为基础，到2020年热处理主要达到七项目标：

1、能耗降低80%。

2、工艺周期缩短50%。

3、生产成本降低75%。

4、热处理炉寿命提高10倍，价格降低50%。

5、热处理畸变超差为零。

6、热处理零件质量分散度为零。

7、热处理生产对环境的影响为零。

以上热处理技术线路图所开列的研究项目与发展方向，以及对热处理硬件与软件的高端要求，表明热处理正面临一场重大技术变革时代，而且只有发生革命性的突破才能实现以上目标，当此之际，重新规划曲齿锥齿轮的技术体系已是势在必行的事。

此外还应指出，常规气体渗碳淬火是项高能耗、重污染的工艺，如不能从根本上解决上述问题，这项工艺也将面临被淘汰的结局。

综上所述可知，曲齿锥齿轮制造方法的创新，必须是同时符合齿轮的抗疲劳制造新理念与热处理技术发展线路图的双重要求才具有实际工程价值，而且必须具有更为超前的创新思维才能使以上两方面的苛刻要求在一项技术中兼而得之。

发明的内容

本发明的目的在于提供一项以当代抗疲劳制造方法体系为基础，以感应加热淬火与气体渗氮组成的复合表面强化的新型曲齿锥齿轮生产工艺体系。本发明的目的还在于提供一项热后精度为4～6级，实现理论接触区啮合的强度可以与渗碳淬火媲美的复合表面强化的摆线齿锥齿轮制造方法。本发明的目的还在于提供一项既能体现齿轮当代抗疲劳高端制造方法宗旨，又能契合美国热处理技术发展路线图的软、硬件配套齐全的曲齿锥齿轮生产新技术。

本发明是在对高强度渗氮齿轮软、硬件制造方法长达18年的系统研究和实践的坚实基础上形成的，其工艺流程设计如下：

1、锻造制坯。

2、预先热处理，获得片状珠光体，硬度为180～197HB，晶粒度5～6级。

3、精加工齿坯，按图纸精度要求。

4、齿部半精切，留精切量0.4～0.5mm（单面）。

5、齿部感应加热淬火，要求：

（1）齿根以下2.5～3.0mm为全马氏体组织，电镜下呈超细板条状。

（2）回火：550℃保温4小时，索氏体区硬度为HRC35～50。

6、修正基准至图纸要求。

7、齿部精加工，至图纸要求精度。

方式（1）铣齿，拉齿，（各种齿形制度）。

方式（2）磨齿，（适用于格里森齿制）。

8、接触区配研做标记。

9、气体渗氮。

（1）深度0.5～1.2（根据模数）。

（2）表面硬度750～1000HV。

以上给出的由九步基础工序组成的曲齿锥齿轮抗疲劳制造工艺流程是一种标准工艺，对于具体形状的大轮、小轮的施工工序流程则要更加详尽。

这一九步工序流程工艺是经多年实践而确定的，它具有深刻的技术内涵和技术创新性，下面对此新工艺体系做进一步说明：

一、该工艺首先出自于齿轮抗疲劳设计的总体思路，这一思路的要点如下：

1、材料成分简单，价格适中，适宜进行感应加热淬火和渗氮。

2、材料易切削，适宜进行齿部铣削、拉削加工。

3、淬火+550℃回火后的硬度为33～50HRC，具体硬度指标需根据服役载荷和服役寿命要求而定。

4、齿部精加工在中硬齿面条件下进行，加工方式包括铣齿和磨齿，避免渗氮后的磨齿加工，以期保证齿面形状的完整性和维护有利的应力状态。

5、实现高精度曲齿锥齿轮副（3～6级）的理论接触区的啮合，这需要齿轮渗氮后的热处理的畸变超差为零予以保证。这一目标的实现将是材料科学、精密热处理与齿轮超精密加工的无暇连接，此时材料的潜力将被发挥到较高水平。

二、该发明的抗疲劳制造要点有六项

1、锻造齿坯金相组织不得有过热、过烧缺陷，预先热处理后的平均晶粒度应在5～6级范围，珠光体组织的硬度为180～197HB。

2、工序5的要领是在齿廓范围内获得极高强韧化的金相组织，它与现行工艺中的穿透加热调质和感应加热淬火完全不同。本发明在此序中的目标是合金元素的充分固溶以及板条马氏体的超细化，它的量化需进行电镜分析，由此形成一种全新的齿部热处理作业。

这工序的更深层次的创新则是将强化部位局限在齿根2～3mm以上区域内，这不仅是节约能量，而且是开辟了浅层金属物理冶金新工艺方向。

此工序是渗氮的预备工序，这种超级强韧化的基体渗氮后的承载能力将超过现行的合金钢渗碳淬火齿轮。

3、工序7齿部精加工，热处理的变形主要产生在淬火过程中，而渗氮是一种无需淬火即可实现表面硬化的热处理工艺，本发明抓住渗氮工艺这一独有契机将齿部精加工安排在齿部强韧化热处理之后进行，此时齿廓硬度为33～50HRC，对于硬度33～42HRC的齿轮采用超硬高速钢刀具或粉末冶高速钢刀具进行切削加工，硬度为45～50HRC的齿廓精加工建议采用磨齿。

本发明的要点是将淬火变形修正在渗氮前，而且是可以用刀具来修正变形，这使摆线齿锥齿轮实现了不磨齿而可廉价高效生产超高精度硬齿面齿轮的期盼，这很好地弥补了摆线齿锥齿轮不能磨齿的缺憾。

这一工序的优点还表现为获得完整的齿面，这对于减少应力集中，提高疲劳寿命至关重要。磨齿与硬齿面刮削加工都在齿根过度曲线处留下锐角台阶。

本发明更重要的意义在于实现了各种齿制曲齿锥齿轮的理论接触区的啮合，因为渗氮是一种几乎无畸变的表面硬化技术，这将使曲齿锥齿轮的疲劳寿命得到成倍的提高。

4、工序9气体渗氮，气体渗氮的关键作用在于获得高度弥散的氮化物，本发明在齿轮渗氮的最表面，即白亮层中经透射电镜分析见到Fe₂N相的形态以板条状为主，在Fe₂N的板条上有高度弥散小颗粒，尺寸为50～150A^O，用带有以上白亮层（厚度<0.005mm）的氮化齿轮在实验台上做接触应力实验，结果如下：

（1）赫芝应力为1976MPa时，齿轮累计运转5.24×10⁷循环，在小齿轮节圆附近有一处1×2的点蚀坑，齿根附近有一处2×3的剥落面，其它齿面完好，因N>5×10⁷循环，试验越出。

（2）赫芝应力为2545Mpa累计循环2.16×10⁷次时，有一齿在节圆附近有一处3×4的点蚀坑，另有两齿面有1.5×1的点蚀坑。

此外还在齿轮试验机上对三种渗碳淬火齿轮（即20CrMnTi，SAE8620H，ZF7）和按本发明技术处理30Cr₂MoV钢渗氮齿轮进行了接触应力对比试验，结果也是渗氮齿轮略高于渗碳淬火齿轮。

以上耗时、耗资巨大的齿轮运转试验非常重要，首先我们取得了渗氮齿轮高承载能力的数据，从而验证本发明的齿轮抗疲劳制造方法是先进、可行的，至今未见有相同内容的信息。其二证明齿轮的有白亮层气体渗氮工艺是可行的。因为至今人们仍耽心白亮层的不利影响，所以出现了无白亮层的光亮渗氮工艺，按氮势门坎值曲线操作的可控渗氮工艺，以及去除白亮层的碱液法和磨齿法，以上试验结果已回答了这些问题，即在本发明技术条件下，白亮层具有良好赫芝应力承受力，有白亮层气体渗氮工艺意味着在强渗期炉内允有较高的氨含量，这对提高渗速非常有利。其三纯氨气体渗氮的关键参数是氨分压值，因此只需按氨含量值指导渗氮工艺就可以。明确以上三方面的技术问题是发展和应用渗氮齿轮的重要条件。

5、本发明涉及的重结晶加热均采用感应加热方式，而且属于精密热处理范畴，因此必须实施全程数字化管理才能取得稳定划一的结果。

6、本发明只用于精密级（4～6级）齿轮副，只有全面贯彻本发明各序要领时才能收到预期效果。

本发明的技术、经济效果分析如下：

1、该发明所涉及的复合强化齿轮可以在模数10以下的范围下取代渗碳淬火齿轮。

2、齿轮全程热处理能耗下降60%以上，详见热处理工艺曲线示意图，图1为渗碳淬火齿轮热处理工艺曲线示意图，图2为本发明热处理工艺曲线示意图（适应大轮、小轮）。本发明涉及的重结晶加热为感应加热方式，所用气体渗氮炉为带有能量回收和超大装载量的无马弗罐式新型气体渗氮炉，气体渗氮能耗可降至200度/吨以下，总体计算将比现行渗碳淬火能耗下降60%以上。

3、本发明涉及的工艺周期将缩短1倍以上，工序中的奥氏体化加热为感应加热方式，使用新型气体渗氮体后降温时间可缩短至4～6小时，而传统马弗罐式气体渗氮炉降温时间为24～72小时。

4、生产成本可降低100～200%。采用渗碳淬火磨齿法生产本发明的高精度齿轮副，从磨齿机投资、生产率、设备维护三项成本计算将比本发明生产成本高2倍以上。

5、由于本发明的重结晶加热作业采用感应加热方法，因此工艺全程不需配置中温电炉，炉龄及设备维修成本将会极大下降。

6、本发明采用的感应加热淬火产生的畸变已安排在下序予以去除，因此无需顾忌该序的变形量，即便如此该工序造成的热处理畸变是有规律的，而且数值离散度几乎为零，本公司对感应加热淬火后的齿轮内孔变形做过统计，其离散度为零。渗氮的变形主要取决于前处理，渗氮造成的变形也全部是容积差引起的，可以用回授法予以补偿。

7、本发明的热处理质量分散度为零

本发明涉及的三步热处理，其中前两步热处理均采用感应加热单件处理，可建立在线检测，任何一件未达到技术要求的齿轮都将通不过，这与批量装炉的穿透加热的传统热处理方式相比在质量管理上具有突破性进展，气体渗氮在正确的操作条件下是一项无废品的作业方式，工艺参数控制精确，工件清洗到位，气体渗氮的质量是稳定可靠的。

8、环境保护已成为评估一切新老工艺留存的标尺，渗碳淬火是一项对环境产生污染的热处理作业，该工艺不但要排放CO₂等温室气体，而且淬火用油每半年就需更新30～50%，废油流向何处，淬火后的工件需工业清洗剂清洗，废水将污染环境和地下水。本发明涉及的淬火作业是一种无油无水的零污染新型工艺，气体渗氮尾气燃烧产物为H₂O和N₂，这也是一项零排放、零污染的热处理作业。

综上所述，本发明实现了曲齿锥齿轮的抗疲劳制造的技术创新，又全面符合了美国能源局热处理技术发展路线图的相关要求，同时这也符合我国热处理技术路线图的相关要求。

附图说明

附图1是应用本发明技术生产的曲齿锥齿轮零件图。

附图2是现有技术中渗碳淬火曲齿锥齿轮热处理工艺曲线示意图。

附图3是应用本发明抗疲劳制造方法的曲齿锥齿轮的复合热处理工艺曲线示意图。

附图4是应用本发明技术第5序齿部感应加热淬火后的硬度检测曲线。

附图5是应用本发明技术第9序气体渗氮后节园处的硬度检测曲线。

附图6是应用本发明技术制造的30Cr2MoV钢齿轮表面白亮层的透射电镜照片。

附图7是应用本发明技术制造的曲齿锥齿轮实物照片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的曲齿锥齿轮抗疲劳制造方法的9步工序具体实施例作详细说明：

1.按附图1给定的曲齿锥齿轮零件图备料，材料为42Cr2Mo，锻造比应≥3采用一次成型模锻工艺。

2.毛坯脱模后进入锻造余热等温正火工艺阶段，其热处理工艺曲线按附图2中第I区工艺曲线执行。对42Cr2Mo钢等温温度为680^±5℃，硬度值为180～190HB，平均晶粒度为6级。

3.齿坯粗车后转数控车床精车各部达到工艺要求。

4.齿坯在大轮机床上进齿部半精切，留精切量为0.4～0.5mm（单面）。

5.转入感应热处理工部，频率选择为12KHZ，输出功率为300KVA，采用PAG淬火液，首件全部检验。淬火金相组织为超细板条马氏体，量化数值用电镜做物理分析。齿根部的淬硬层分布形态做金相分析，采用洛氏硬度计给出HRC硬度值。淬火态硬度范围应在53～58HRC区间，并不得出现微裂纹。淬火后应在2小时内及时回火，回火温度为550^±5℃，保温时间4小时，回火后硬度应＞HRC35。首件各项技术指标达到图纸要求后方可进行批量生产，热处理生产线应采用全数控设备以确保质量的离散度为零。

6.转入机加工工部，修正基准至图纸要求。

7.转入齿轮精加工工部，按6级精度精切齿部。

8.与小齿对研配对，并检查接触区，接触区位置做图存档。

9.转入气体渗氮工部，工件清洗后装炉，总装炉量为1000Kg,随炉装入金相检验齿轮试块，气体渗氮后将齿轮送到齿轮测量中心检测。01号大齿检测报告见检测报告01,02号大轮检测报告见检测报告02。

随炉齿状金相试样送到金相室做硬度分析，气体渗氮后节园处硬度检测曲线见附图5；按本发明技术制造的30Cr2MoV钢齿轮表面白亮层的透射电镜照片见图6，通过复型和薄膜这两种透射电镜分析方法，白亮层为板条状Fe₂N相为主，其它高度弥散分布尺寸为

左右的颗粒，这些颗粒有Fe₃C,Cr₂N和M₆（N.C）。

按本发明技术制造的曲齿锥齿轮的热后精度仍保持在6级，这是现有技术中表面硬化齿轮不可能达到的高水平，其实物照片见图7。这充分表明本发明为实现曲齿锥齿轮热后在高精度的前提下的理论接触区啮合提供切实可行的工艺体系。

Claims (1)

1.一项曲齿锥齿轮抗疲劳制造方法，其技术特征在于：由以下九步工艺流程组成：

一、锻造制坯；

二、预先热处理，获得片状珠光体，硬度为180～197HB，晶粒度5～6级；

三、精加工齿坯，按图纸精度要求；

四、齿部半精切，留精切量0.4～0.5mm（单面）；

五、齿部感应加热淬火，要求：

（1）齿根以下2.5～3.0mm为全马氏体组织，电镜下呈超细板条状；

（2）回火：550℃保温4小时，索氏体区硬度为HRC35～50；

六、修正基准至图纸要求；

七、齿部精加工，至图纸要求精度；

方式（1）铣齿，拉齿，（各种齿形制度）；

方式（2）磨齿，（适用于格里森齿制）；

八、接触区配研做标记；

九、气体渗氮；

（1）深度0.5～1.2（根据模数）；

（2）表面硬度750～1000HV。

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