CN106119507B - 一种减小齿轮轴键槽变形的热处理工艺 - Google Patents

一种减小齿轮轴键槽变形的热处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种减小齿轮轴键槽变形的热处理工艺，属于热处理技术领域。本发明的步骤为：1)机加工齿轮轴零件；2)装框；3)前清洗；4)在齿轮轴零件的键槽部位涂覆防渗碳涂料；5)渗碳淬火：830±5℃均温20±1min，碳势为0.60±0.025％；900±5℃强渗60±1min，碳势为0.95±0.025％；880±5℃扩散40±1min，碳势为0.80±0.025％；830±5℃淬火均温35±1min，碳势为0.65±0.025％；在140±5℃淬火油中进行冷却；6)后清洗；7)回火；8)再清洗。本发明有效减小了齿轮轴键槽热处理后的变形量，热处理一次合格率可达100％。

Description

一种减小齿轮轴键槽变形的热处理工艺
技术领域
本发明涉及一种热处理工艺，更具体地说，涉及一种减小齿轮轴键槽变形的热处理工艺，该齿轮轴主要应用于工业机器人肩部减速器。
背景技术
图1和图2为一种工业机器人肩部减速器用输入齿轮轴的结构示意图，该齿轮轴1的一端为齿2，另一端设有键槽3。机器人肩部减速器是承重部分，其主要作用是传递动力，是连接伺服电机与减速器的主要部件，而输入齿轮轴是肩部减速器系统中的重要部件，工作条件复杂，要求齿轮轴具有优良的耐磨性、较高的抗接触疲劳和抗弯曲疲劳性能，这些性能通常需要通过热处理来实现。目前，对于此类输入齿轮轴的热处理，常规工艺是采用密封箱式多用炉渗碳淬火，采用常规工艺处理后的齿轮轴存在性能较差的问题，更重要的是，在热处理后，齿轮轴的键槽3变形量大，采用常规热处理后成品率仅60％左右。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有输入齿轮轴热处理工艺存在齿轮轴键槽变形量大、成品率低的不足，提供一种减小齿轮轴键槽变形的热处理工艺，采用本发明的技术方案，通过改进正火工艺、装炉方式、渗碳淬火工艺、控制渗碳碳势及齿轮轴键槽涂覆涂料等技术措施，使齿轮轴键槽热处理畸变得到有效控制，减小了齿轮轴键槽热处理后的变形量，同时提高了齿轮轴的耐磨性、抗接触疲劳和抗弯曲疲劳性能，是一种热处理一次合格率达100％的热处理工艺。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种减小齿轮轴键槽变形的热处理工艺，包括以下步骤：
(1)零件制备：对牌号为SCM420的合金钢坯料进行高温正火处理，使坯料表面硬度达到150～170HBW，获得均匀的铁素体和珠光体组织；然后将坯料机加工成齿轮轴零件；
(2)装框：将步骤(1)中制备好的齿轮轴零件摆放在料筐中；
(3)前清洗：对装入料筐内的齿轮轴零件进行清洗，清除齿轮轴零件表面残留的污物；
(4)涂覆处理：在齿轮轴零件的键槽部位涂覆防渗碳涂料，并烘干；
(5)渗碳淬火：对齿轮轴零件进行渗碳淬火处理，具体包括以下分步骤：
(5-1)保护气氛渗碳：在保护气氛环境中采用阶梯升温保温加热方式，830±5℃均温20±1min，碳势控制在0.60±0.025％；900±5℃强渗60±1min，碳势控制在0.95±0.025％；880±5℃扩散40±1min，碳势控制在0.80±0.025％；830±5℃淬火均温35±1min，碳势控制在0.65±0.025％；
(5-2)淬火冷却：在140±5℃淬火油中进行冷却；
(6)后清洗：对渗碳淬火后的齿轮轴零件进行清洗，清除齿轮轴零件表面残留的油迹及键槽部位的涂料；
(7)回火：对后清洗后的齿轮轴零件进行回火处理，回火温度为180±5℃，时间为150±10min，回火出炉后在空气中冷却；
(8)再清洗：对回火后的齿轮轴零件进行再次清洗，清除齿轮轴键槽部位的涂料。
更进一步地，步骤(1)中的SCM420合金钢坯料的化学成分为：C：0.18～0.23；Mn：0.60～0.90；Si：0.15～0.35；S：≤0.030；P：≤0.030；Cr：0.9～1.2；Mo：0.15～0.25；Ni:≤0.25。
更进一步地，步骤(2)中的料筐采用网格状料筐，将齿轮轴有齿的一端朝上逐个竖放在料筐的网片上，且零件与零件之间的间隙为3～8mm，多组料筐层叠在一起，且上层料筐与下层料筐之间的层距为30～50mm。
更进一步地，步骤(3)中采用真空碳氢溶剂对齿轮轴零件进行清洗；步骤(6)和步骤(8)中均采用浸入式清洗机对齿轮轴零件进行清洗和烘干。
更进一步地，步骤(4)中采用的防渗碳涂料为AC-200，并采用50～60℃保温烘干60～90min。
更进一步地，步骤(5-1)中采用箱式可控气氛炉对齿轮轴零件进行保护气氛渗碳处理，并采用甲醇气体作为保护气；步骤(7)中采用箱式保护气氛回火炉对齿轮轴零件进行回火处理。
更进一步地，步骤(5-2)中采用闭式冷却塔循环进行淬火冷却，将热淬火油从淬火油槽底部抽出经过闭式冷却塔冷却后从淬火油槽上部返回，保证油槽温度在设定范围内；该淬火油采用等温淬火油，淬火油以180±20转/分钟低速搅拌。
更进一步地，步骤(6)后清洗结束后到步骤(7)回火开始的等待时间小于1.5h。
更进一步地，在步骤(8)再清洗结束后，还包括依次对齿轮轴零件进行检验、抛丸、装箱的步骤。
更进一步地，在抛丸步骤中，采用立式吊挂抛丸机，将齿轮轴零件置于料架上，使用QP-4钢砂强力抛丸，时间为正向3分钟，反向3分钟。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种减小齿轮轴键槽变形的热处理工艺，通过改进正火工艺、装炉方式、渗碳淬火工艺、控制渗碳碳势及齿轮轴键槽涂覆涂料等技术措施，使齿轮轴键槽热处理畸变得到有效控制，减小了齿轮轴键槽热处理后的变形量，同时提高了齿轮轴的耐磨性、抗接触疲劳和抗弯曲疲劳性能，是一种热处理一次合格率达100％的热处理工艺；
(2)本发明的一种减小齿轮轴键槽变形的热处理工艺，采用网格状料筐对齿轮轴进行装框，将齿轮轴有齿的一端朝上逐个竖放在料筐的网片上，且零件与零件之间的间隙为3～8mm，多组料筐层叠在一起，且上层料筐与下层料筐之间的层距为30～50mm，使齿轮轴零件均匀分布无堆积，从而使齿轮轴零件受热和冷却更加均匀，进而有效消除了加工应力，减小了齿轮轴零件的热处理变形；
(3)本发明的一种减小齿轮轴键槽变形的热处理工艺，在涂覆处理前对齿轮轴进行前清洗，清除齿轮轴表面残留切削油和铁屑等污物，便于后续涂覆涂料，并使齿轮轴表面达到一定的洁净度，达到渗碳淬火后零件表面硬度无软点、外观无杂色的作用；在渗碳淬火后对齿轮轴零件进行后清洗，能将零件淬火后带出的油完全清洗干净，同时将键槽部位的涂料清洗干净，使得零件回火后的表面无杂色和油斑出现；并且，前清洗采用真空碳氢溶剂来清洗，清洗效率好，节能环保，后清洗采用普通浸入式清洗机清洗烘干，清洗高效稳定；
(4)本发明的一种减小齿轮轴键槽变形的热处理工艺，其在齿轮轴零件的键槽部位涂覆防渗碳涂料，并烘干，有效防止键槽部位渗碳，降低了键槽部位的热处理畸变；
(5)本发明的一种减小齿轮轴键槽变形的热处理工艺，在保护气氛环境中采用阶梯升温保温加热方式对齿轮轴零件进行渗碳加热，不仅能够保证齿轮轴具有优良的耐磨性、较高的抗接触疲劳和抗弯曲疲劳性能，而且有利于减小齿轮轴零件各部位的温差，消除加工应力的产生，减小因加热过快而导致的齿轮轴零件变形；
(6)本发明的一种减小齿轮轴键槽变形的热处理工艺，其在140±5℃等温淬火油中进行冷却，并采用闭式冷却塔循环进行淬火冷却，将热淬火油从淬火油槽底部抽出经过闭式冷却塔冷却后从淬火油槽上部返回，保证油槽温度在设定范围内，确保齿轮轴零件冷却均匀，减小齿轮轴的变形；
(7)本发明的一种减小齿轮轴键槽变形的热处理工艺，其后清洗结束后到回火开始的等待时间小于1.5h，及时进行回火处理有利于减小齿轮轴零件变形。
附图说明
图1为本发明中的一种工业机器人肩部减速器用输入齿轮轴的结构示意图；
图2为图1中齿轮轴的右视结构示意图；
图3为本发明中的齿轮轴的装框结构示意图；
图4为本发明中的渗碳淬火工艺曲线图(图中碳势范围上下浮动±0.025％)；
图5为本发明中的回火工艺曲线图。
示意图中的标号说明：
1、齿轮轴；2、齿；3、键槽；4、料筐。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例
以某模数为2.215、齿数为13的工业机器人肩部减速器用输入齿轮轴的热处理工艺过程为例，热处理技术要求为：表面硬度为80.1～82.1HRA，有效硬化层深度为0.25～0.63mm，键槽平行度≤0.035mm(热处理前的键槽平行度≤0.02mm)，键槽公差为±0.015mm(热处理前的键槽公差为±0.008mm)。为达到上述热处理要求，本实施例的一种减小齿轮轴键槽变形的热处理工艺，包括以下步骤：
(1)零件制备：对牌号为SCM420的合金钢坯料进行高温正火处理，使坯料表面硬度达到150～170HBW，获得均匀的铁素体和珠光体组织，对坯料的预备热处理不仅会影响其切削性能，并且对齿轮轴的最终热处理畸变有较大的影响，因此为了满足后续机械加工和畸变控制的要求，对坯料进行高温正火处理是必要的；在正火处理后，将坯料机加工成齿轮轴零件；在本实施例中，SCM420合金钢坯料的化学成分为(JIS G4085-2008)：C：0.18～0.23；Mn：0.60～0.90；Si：0.15～0.35；S：≤0.030；P：≤0.030；Cr：0.9～1.2；Mo：0.15～0.25；Ni:≤0.25。
(2)装框：将步骤(1)中制备好的齿轮轴零件摆放在料筐中；具体如图3所示，料筐4采用网格状料筐，将齿轮轴1有齿的一端朝上逐个竖放在料筐4的28×28mm网片上，且零件与零件之间的间隙为3～8mm，多组料筐4层叠在一起，且上层料筐4与下层料筐4之间的层距为30～50mm，这样，与常规多用炉热处理相比，可使齿轮轴零件均匀分布无堆积，从而使齿轮轴受热和冷却更加均匀，进而有效消除了加工应力，减小了齿轮轴的热处理变形；由于在后续渗碳淬火和回火工序中会分别使用UBE-600箱式可控气氛炉和BTF-600箱式保护气氛回火炉对齿轮轴零件进行渗碳淬火和回火，，且单个零件重量为0.56Kg，因此为了防止热损失，每层料筐内放置120件齿轮轴零件，10层叠放为一组，共设置前后两组。
(3)前清洗：对装入料筐内的齿轮轴零件进行清洗，清除齿轮轴零件表面残留的污物；在该步骤中，采用真空碳氢溶剂对齿轮轴零件进行清洗，具体采用中日合资生产的真空碳氢溶剂清洗机进行前清洗，主要目的是清除齿轮轴零件表面及键槽内残留的机加工切削油和细微铁屑等污物，使齿轮轴表面达到一定的洁净度，达到淬火后零件表面硬度无软点、外观无杂色的作用。
(4)涂覆处理：在齿轮轴零件的键槽部位涂覆防渗碳涂料，并烘干；具体地，所采用的防渗碳涂料为AC-200，并采用50～60℃保温烘干60～90min，有效防止键槽部位渗碳，降低了键槽部位的热处理畸变。
(5)渗碳淬火：对齿轮轴零件进行渗碳淬火处理，渗碳淬火工艺曲线图如图4所示，具体包括以下分步骤：
(5-1)保护气氛渗碳：由于零件在加热过程中，不仅热应力会产生畸变，同时释放内应力也会产生畸变，而加热速度是影响齿轮轴零件应力产生的一个重要因素，齿轮轴各部位的温差越大则应力也就越大，因此本实施例是在保护气氛环境中采用阶梯升温保温加热方式进行渗碳处理的，不仅能够保证齿轮轴具有优良的耐磨性、较高的抗接触疲劳和抗弯曲疲劳性能，而且有利于减小齿轮轴零件各部位的温差，消除加工应力的产生，减小因加热过快而导致的齿轮轴零件变形；具体地，使用UBE-600箱式可控气氛炉，加热过程中采用甲醇气体作为保护气，流量控制在2300～2600ml/min，830±5℃均温20±1min，碳势控制在0.60±0.025％Cp；900±5℃强渗60±1min，向炉内通入3～4.5升/小时丙烷气体，碳势控制在0.95±0.025％Cp；880±5℃扩散40±1min，向炉内通入2.5～4升/小时丙烷气体，碳势控制在0.80±0.025％Cp；830±5℃淬火均温35±1min，碳势控制在0.65±0.025％Cp，确保齿轮轴零件最终表面碳含量在0.69～0.73％；
(5-2)淬火冷却：在140±5℃淬火油中进行冷却；该步骤中的淬火油采用等温淬火油，具体采用进口日本出光X型等温淬火油，淬火油以180±20转/分钟低速搅拌，并采用闭式冷却塔循环进行淬火冷却，将热淬火油从淬火油槽底部抽出经过闭式冷却塔冷却后从淬火油槽上部返回，保证油槽温度在设定范围内，确保齿轮轴零件冷却均匀，减小齿轮轴键槽的变形；该淬火冷却工艺是减小齿轮轴零件热处理变形的重要环节。
(6)后清洗：对渗碳淬火后的齿轮轴零件进行清洗，清除齿轮轴零件表面残留的油迹及键槽部位的涂料；具体采用普通浸入式清洗机对齿轮轴零件进行清洗和烘干，能将零件淬火后带出的油完全清洗干净，同时将键槽部位的涂料清洗干净，使得回火后的表面无杂色和油斑出现，清洗后工件表面呈银白色。
(7)回火：对后清洗后的齿轮轴零件进行回火处理，该步骤中采用BTF-600箱式保护气氛回火炉，回火工艺曲线如图5所示，回火温度为180±5℃，时间为150±10min，回火出炉后在空气中冷却；较佳地，从步骤(6)后清洗结束后到步骤(7)回火开始的等待时间小于1.5h，及时进行回火处理有利于减小齿轮轴变形。
(8)再清洗：对回火后的齿轮轴零件进行再次清洗，清除齿轮轴键槽部位的涂料，与步骤(6)中后清洗相同，本步骤中也采用普通浸入式清洗机对齿轮轴零件进行清洗和烘干，将齿轮轴键槽部位残留的涂料清洗干净。
(9)检验：随机选取一件经过上述热处理工艺处理后的齿轮轴进行检验，检验结果如下表：
(10)抛丸：采用立式吊挂抛丸机，将齿轮轴零件置于料架上，使用QP-4钢砂强力抛丸，时间为正向3分钟，反向3分钟。
(11)装箱：将抛丸结束的输入齿轮轴零件用压缩空气吹净表面灰尘后浸防锈油装箱。
采用本实施例的热处理工艺后，通过改进正火工艺、装炉方式、渗碳淬火工艺、控制渗碳碳势及齿轮轴键槽涂覆涂料等技术措施，使齿轮轴键槽热处理畸变得到有效控制，减小了齿轮轴键槽热处理后的变形量，同时提高了齿轮轴的耐磨性、抗接触疲劳和抗弯曲疲劳性能，热处理一次合格率达100％。
以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种减小齿轮轴键槽变形的热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）零件制备：对牌号为SCM420的合金钢坯料进行高温正火处理，使坯料表面硬度达到150~170HBW，获得均匀的铁素体和珠光体组织；然后将坯料机加工成齿轮轴零件；SCM420合金钢坯料的化学成分为：C：0.18~0.23；Mn：0.60~0.90；Si：0.15~0.35；S：≤0.030；P：≤0.030；Cr：0.9~1.2；Mo：0.15~0.25；Ni:≤0.25；
（2）装框：将步骤（1）中制备好的齿轮轴零件摆放在料筐中；料筐采用网格状料筐，将齿轮轴有齿的一端朝上逐个竖放在料筐的网片上；
（3）前清洗：对装入料筐内的齿轮轴零件进行清洗，清除齿轮轴零件表面残留的污物；
（4）涂覆处理：在齿轮轴零件的键槽部位涂覆防渗碳涂料，并烘干；
（5）渗碳淬火：对齿轮轴零件进行渗碳淬火处理，具体包括以下分步骤：
（5-1）保护气氛渗碳：在保护气氛环境中采用阶梯升温保温加热方式，830±5℃均温20±1min，碳势控制在0.60±0.025%；900±5℃强渗60±1min，碳势控制在0.95±0.025%；880±5℃扩散40±1min，碳势控制在0.80±0.025%；830±5℃淬火均温35±1min，碳势控制在0.65±0.025%；
（5-2）淬火冷却：在140±5℃淬火油中进行冷却，具体采用闭式冷却塔循环进行淬火冷却，将热淬火油从淬火油槽底部抽出经过闭式冷却塔冷却后从淬火油槽上部返回，保证油槽温度在设定范围内；该淬火油采用等温淬火油，淬火油以180±20转/分钟低速搅拌；
（6）后清洗：对渗碳淬火后的齿轮轴零件进行清洗，清除齿轮轴零件表面残留的油迹及键槽部位的涂料；
（7）回火：对后清洗后的齿轮轴零件进行回火处理，回火温度为180±5℃，时间为150±10min，回火出炉后在空气中冷却；
（8）再清洗：对回火后的齿轮轴零件进行再次清洗，清除齿轮轴键槽部位的涂料。
2.根据权利要求1所述的一种减小齿轮轴键槽变形的热处理工艺，其特征在于：步骤（2）中的料筐内零件与零件之间的间隙为3~8mm，多组料筐层叠在一起，且上层料筐与下层料筐之间的层距为30~50mm。
3.根据权利要求1所述的一种减小齿轮轴键槽变形的热处理工艺，其特征在于：步骤（3）中采用真空碳氢溶剂对齿轮轴零件进行清洗；步骤（6）和步骤（8）中均采用浸入式清洗机对齿轮轴零件进行清洗和烘干。
4.根据权利要求1所述的一种减小齿轮轴键槽变形的热处理工艺，其特征在于：步骤（4）中采用的防渗碳涂料为AC-200，并采用50~60℃保温烘干60~90min。
5.根据权利要求1所述的一种减小齿轮轴键槽变形的热处理工艺，其特征在于：步骤（5-1）中采用箱式可控气氛炉对齿轮轴零件进行保护气氛渗碳处理，并采用甲醇气体作为保护气；步骤（7）中采用箱式保护气氛回火炉对齿轮轴零件进行回火处理。
6.根据权利要求1所述的一种减小齿轮轴键槽变形的热处理工艺，其特征在于：步骤（6）后清洗结束后到步骤（7）回火开始的等待时间小于1.5h。
7.根据权利要求1所述的一种减小齿轮轴键槽变形的热处理工艺，其特征在于：在步骤（8）再清洗结束后，还包括依次对齿轮轴零件进行检验、抛丸、装箱的步骤。
8.根据权利要求7所述的一种减小齿轮轴键槽变形的热处理工艺，其特征在于：在抛丸步骤中，采用立式吊挂抛丸机，将齿轮轴零件置于料架上，使用QP-4钢砂强力抛丸，时间为正向3分钟，反向3分钟。
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