CN109371221A - 一种复合排渗碳薄壁齿圈压力淬火工装及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种复合排渗碳薄壁齿圈压力淬火工装及处理方法，工装由外压环、内压环、上芯模、下芯模、过渡套、定位轴、抱紧块、销轴、弹簧、底模组成；上芯模为齿形结构；下芯模为圆饼状结构；齿圈在插内齿前经淬火加高温回火处理；渗碳时仅留有精加工余量，渗碳过程不控制变形，渗碳完后直接转淬火处理。淬火时，将渗碳齿圈加热至淬火温度并保温一段时间，取出红热状态齿圈套入芯模，启动压床，喷油淬火；内压环从上端面压紧齿圈，以脉动频率施加压力；外压环作用于抱紧块，以脉动频率施加压力。本发明可矫正齿圈的平面度、椭圆度、齿形和齿向；同时还具有装卸方便，使用寿命长和通用性好等特点，值得推广使用。

Description

一种复合排渗碳薄壁齿圈压力淬火工装及处理方法

技术领域

本发明属于热处理压力淬火工装及方法类，具体涉及一种复合排渗碳薄壁齿圈压力淬火工装及处理方法。

背景技术

行星传动机构由于其结构紧凑、承载能力强以及较低的轴承载荷而被广泛应用于工程机械及国防工业等行业。齿圈作为行星传动机构的核心零部件，其工况要求齿圈具备较高的心部强韧性和表面耐磨性，因而，在加工制造过程中，通常采用渗碳淬火强化手段来获取表面和心部不同的性能要求。对于高功率密度精密紧凑行星传动机构，因其齿圈径向较大，壁相对较薄，在渗碳淬火过程中不可避免的产生较大变形，直接影响产品质量和后序的加工效率。

随着行星传动机构设计的多样化和功能要求，出现了越来越多的复合排渗碳薄壁齿圈，其直径在φ350mm左右，壁厚在10mm左右，内侧齿部渗碳，外侧花键不渗碳，内齿和花键不在同一个圆柱体，内齿壁厚处圆柱面直径小于花键壁厚处圆柱面直径。该类齿圈齿部易产生齿形和齿向变形，需设计齿形芯模控制变形，由于齿圈为复合排结构，芯模受结构限制，不便设计成整体复合式，因此上芯模和下芯模单独制造。受装模的影响，内齿圆柱处外侧不能通过模具施加外力，因此采取了特殊的预处理措施。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合排渗碳薄壁齿圈压力淬火工装及处理方法，该发明对于直径φ350mm左右的复合排渗碳薄壁齿圈具有极强的矫形效果，可矫正齿圈的平面度、椭圆度、齿形和齿向；同时还具有装卸方便，使用寿命长和通用性好等特点，值得推广使用。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种复合排渗碳薄壁齿圈压力淬火工装，它包括底模，底模上设置有芯模；齿圈从上往下套在芯模上；所述芯模包括下芯模，下芯模上端同轴设置有上芯模，上芯模和下芯模的中心套在过渡套上；所述上芯模为圆盘状，圆周壁上设置有与齿圈相配合的齿轮面；所述芯模上方设置有用于压住齿圈顶端的内压环；所述内压环外围设置有外压环；所述底模上呈环形设置有用于压住齿圈外壁的可沿径向滑动的抱紧块；所述外压环下端内壁设置圆锥面，圆锥面的锥度与抱紧块外壁上的相同；所述外压环和内压环上端分别连接淬火机床内的两个单独工作的油压机；所述底模中心设置有定位轴，所述过渡套套在定位轴上。

进一步的，所述底模上呈环形设置有径向的T形结构的滑槽；所述滑槽内设置有销轴；所述抱紧块下端设置有与滑槽相配合的T型座；所述T型座滑动套接在销轴上；所述销轴上设置有弹簧。

进一步的，所述上芯模的齿顶和所述齿圈的齿根之间留有间隙；所述上芯模外齿和所述齿圈内齿齿面接触，公法线过盈量为单边0.02-0.05mm。

进一步的，所述下芯模为圆盘状；所述下芯模的外径和所述齿圈的内径的过盈量≤单边0.05mm。

进一步的，所述上芯模材料为合金钢，经过淬火处理，硬度为50-54HRC。

进一步的，所述上芯模齿面经过磨削处理，精度≤IT6级，粗糙度≤Ra0.8。

进一步的，所述底模上端面上开设断续有规律的圆环形油槽。

一种复合排渗碳薄壁齿圈压力淬火处理方法，它包括如下加工步骤：

齿圈在插内齿前，经淬火，高温回火处理，消除机加内应力并使径向尺寸提前涨大，接近淬火状态尺寸；

渗碳时，仅留有精加工余量，渗碳过程不控制变形，渗碳完后直接转淬火处理；

淬火时，将渗碳齿圈加热至淬火温度并保温30-60分钟，取出红热状态齿圈套入芯模，启动压床，喷油淬火；内压环从上端面压紧齿圈，以脉动频率施加压力，在不影响齿圈收缩的同时矫正齿圈的平面度；外压环作用于抱紧块，以脉动频率施加压力，从径向矫正齿圈的椭圆度，上芯模的外齿作用于齿圈内齿，矫正齿圈的齿形和齿向变形。

进一步的，所述内压环和外压环的脉动频率一致且施压的起始时间相同。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

1、上芯模齿顶和齿圈齿根留有间隙，外齿和内齿齿面接触，公法线过盈量为单边(0.02-0.05)mm，在矫正齿形和齿向的同时几乎不会撑大齿圈；

2、上芯模材料选用合金钢，经过淬火处理，硬度在52HRC左右，稍低于渗碳齿面硬度，耐磨性和刚性好，使用寿命长，卸模不会对渗碳齿面造成损伤；

3、上芯模齿面经过磨削处理，精度≤IT6级，粗糙度≤Ra0.8，消除工装制造误差对矫形能力的影响；

4、上芯模和下芯模单独加工，通过过渡套构成组合式复合芯模，解决了整体芯模加工困难的问题；

5、定位轴和过渡套尺寸固定，均为标准化设计，针对不同模数和尺寸的齿圈，只需更换芯模，通用性较强；

6、内、外压环设有螺栓孔，螺栓孔的角度和尺寸固定，便于装卸；

7、内压环以脉动频率施压于齿圈上表面，在矫正齿圈平面翘曲度的同时不会影响齿圈径向收缩；

8、外压环下侧设有锥度，其锥度和抱紧块相同，在下压过程中，抱紧块箍紧齿圈，可矫正齿圈花键部位的椭圆变形；

9、齿圈在渗碳前经过淬火+高温回火处理，组织转变为均匀的回火索氏体，可减小渗碳变形并使径向尺寸提前涨大，间接提高芯模的胀紧力；

10、内压环和外压环的脉动频率一致且施压的起始时间相同，施压过程可矫正齿圈的变形，泄压过程有利于淬火内应力释放和尺寸稳定；

11、外压环上升时，由于弹簧和销轴的作用，抱紧块将离开齿圈且在固定位置(外压环和抱紧块能相互作用的位置)，便于卸模和自动定位；

12、底模开设断续有规律的圆环油槽，便于油的流动，在垫平齿圈的同时不会影响其淬火效果。

附图说明

图1为复合排渗碳薄壁齿圈压力淬火工装剖视结构示意图；

图2为齿形上芯模剖视结构示意图；

图3为齿形上芯模俯视结构示意图；

图4为抱紧块侧视图；

图5为抱紧块仰视图；

图6为抱紧块下端的安装孔正面结构示意图；

图7为底模俯视图；

图8为底模剖视结构示意图；

图9为图8中A向结构示意图。

图中：1、外压环；2、内压环；3、上芯模；4、下芯模；5、过渡套；6、定位轴；7、抱紧块；71、T型座；8、销轴；9、弹簧；10、底模；11、滑槽；12、油槽。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

如图1-图9所示，本发明的具体结构为：一种复合排渗碳薄壁齿圈压力淬火工装，它包括底模10，底模10上设置有芯模；齿圈从上往下套在芯模上；所述芯模包括下芯模4，下芯模4上端同轴设置有上芯模3，上芯模3和下芯模4的中心套在过渡套5上；所述上芯模3为圆盘状，圆周壁上设置有与齿圈相配合的齿轮面；所述芯模上方设置有用于压住齿圈顶端的内压环2；所述内压环2外围设置有外压环1；所述底模10上呈环形设置有用于压住齿圈外壁的可沿径向滑动的抱紧块7；所述外压环1下端内壁设置圆锥面，圆锥面的锥度与抱紧块7外壁上的相同；所述外压环1和内压环2上端分别连接淬火机床内的两个单独工作的油压机；所述底模10中心设置有定位轴6，所述过渡套5套在定位轴6上。

优选的，所述底模10上呈环形设置有径向的T形结构的滑槽11；所述滑槽11内设置有销轴8；所述抱紧块7下端设置有与滑槽11相配合的T型座71；所述T型座71滑动套接在销轴8上；所述销轴8上设置有弹簧9。

优选的，所述上芯模3的齿顶和所述齿圈的齿根之间留有间隙；所述上芯模3外齿和所述齿圈内齿齿面接触，公法线过盈量为单边0.02-0.05mm。

优选的，所述下芯模4为圆盘状；所述下芯模4的外径和所述齿圈的内径的过盈量≤单边0.05mm。

优选的，所述上芯模3材料为合金钢，经过淬火处理，硬度为50-54HRC。

优选的，所述上芯模3齿面经过磨削处理，精度≤IT6级，粗糙度≤Ra0.8。

优选的，所述底模10上端面上开设断续有规律的圆环形油槽12。

优选的，上芯模3、下芯模4内径等于磨齿芯轴外径。

一种复合排渗碳薄壁齿圈压力淬火处理方法，它包括如下加工步骤：

所述齿圈在插内齿前，经淬火，高温回火处理，消除机加内应力并使径向尺寸提前涨大，接近淬火状态尺寸；

渗碳时，仅留有精加工余量，渗碳过程不控制变形，渗碳完后直接转淬火处理；

淬火时，将渗碳齿圈加热至淬火温度并保温30-60分钟，取出红热状态齿圈套入芯模，启动压床，喷油淬火；内压环2从上端面压紧齿圈，以脉动频率施加压力，在不影响齿圈收缩的同时矫正齿圈的平面度；外压环1作用于抱紧块7，以脉动频率施加压力，从径向矫正齿圈的椭圆度，上芯模3的外齿作用于齿圈内齿，矫正齿圈的齿形和齿向变形。

优选的，所述内压环2和外压环1的脉动频率一致且施压的起始时间相同。

具体原理：

齿圈在进行淬火前，先将本发明工装安装在淬火压床上，其中外压环1和内压环2安装于淬火压床顶部两个油压机接口处，抱紧块7、销轴8、弹簧9和底模10组装后安装在淬火压床的中心，上芯模3、下芯模4、过渡套5和定位轴6安装在底模10上。

工艺实施过程：

1插齿前进行淬火+高温回火处理，消除机加应力并使齿圈径向尺寸提前涨大；

2淬火+高温回火处理后精车，精车后插齿和插花键，留精加工余量；

3插齿和花键后渗碳，渗碳后淬火；

4淬火时，将齿圈在电炉中加热，温度800℃左右，时间(30-60)min，使之完全奥氏体化，保证后续淬火过程显微组织能转变为马氏体；

5保温后将齿圈出炉，红热状态的齿圈已胀大，可轻松套入芯模；

6启动淬火压床，内压环作用于齿圈上表面，外压环作用于抱紧块，压床护罩封闭，系统喷油冷却，齿圈冷却收缩，在芯模、内压环和抱紧块的作用下矫正变形；

7冷却完后开出压床，将齿圈从芯模上取出；

8淬火后的齿圈转入低温回火，低温回火完后采用水喷砂或者抛丸的方式去除表层油膜和氧化膜。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种复合排渗碳薄壁齿圈压力淬火工装，其特征在于，它包括底模（10），底模（10）上设置有芯模；齿圈从上往下套在芯模上；所述芯模包括下芯模（4），下芯模（4）上端同轴设置有上芯模（3），上芯模（3）和下芯模（4）的中心套在过渡套（5）上；所述上芯模（3）为圆盘状，圆周壁上设置有与齿圈相配合的齿轮面；所述芯模上方设置有用于压住齿圈顶端的内压环（2）；所述内压环（2）外围设置有外压环（1）；所述底模（10）上呈环形设置有用于压住齿圈外壁的可沿径向滑动的抱紧块（7）；所述外压环（1）下端内壁设置圆锥面，圆锥面的锥度与抱紧块（7）外壁上的相同；所述外压环（1）和内压环（2）上端分别连接淬火机床内的两个单独工作的油压机；所述底模（10）中心设置有定位轴（6），所述过渡套（5）套在定位轴（6）上。

2.根据权利要求1所述的一种复合排渗碳薄壁齿圈压力淬火工装，其特征在于，所述底模（10）上呈环形设置有径向的T形结构的滑槽（11）；所述滑槽（11）内设置有销轴（8）；所述抱紧块（7）下端设置有与滑槽（11）相配合的T型座（71）；所述T型座（71）滑动套接在销轴（8）上；所述销轴（8）上设置有弹簧（9）。

3.根据权利要求1所述的一种复合排渗碳薄壁齿圈压力淬火工装，其特征在于，所述上芯模（3）的齿顶和所述齿圈的齿根之间留有间隙；所述上芯模（3）外齿和所述齿圈内齿齿面接触，公法线过盈量为单边0.02-0.05mm。

4.根据权利要求1所述的一种复合排渗碳薄壁齿圈压力淬火工装，其特征在于，所述下芯模（4）为圆盘状；所述下芯模（4）的外径和所述齿圈的内径的过盈量≤单边0.05mm。

5.根据权利要求1所述的一种复合排渗碳薄壁齿圈压力淬火工装，其特征在于，所述上芯模（3）材料为合金钢，经过淬火处理，硬度为50-54HRC。

6.根据权利要求1所述的一种复合排渗碳薄壁齿圈压力淬火工装，其特征在于，所述上芯模（3）齿面经过磨削处理，精度≤IT6级，粗糙度≤Ra0.8。

7.根据权利要求1所述的一种复合排渗碳薄壁齿圈压力淬火工装，其特征在于，所述底模（10）上端面上开设断续有规律的圆环形油槽（12）。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种复合排渗碳薄壁齿圈压力淬火处理方法，其特征在于，它包括如下加工步骤：

齿圈在插内齿前，经淬火，高温回火处理，消除机加内应力并使径向尺寸提前涨大，接近淬火状态尺寸；

渗碳时，仅留有精加工余量，渗碳过程不控制变形，渗碳完后直接转淬火处理；

淬火时，将渗碳齿圈加热至淬火温度并保温30-60分钟，使之完全奥氏体化；取出红热状态齿圈套入芯模，启动压床，喷油淬火；内压环（2）从上端面压紧齿圈，以脉动频率施加压力，在不影响齿圈收缩的同时矫正齿圈的平面度；外压环（1）作用于抱紧块（7），以脉动频率施加压力，从径向矫正齿圈的椭圆度，上芯模（3）的外齿作用于齿圈内齿，矫正齿圈的齿形和齿向变形。

9.根据权利要求8所述的一种复合排渗碳薄壁齿圈压力淬火处理方法，其特征在于，所述内压环（2）和外压环（1）的脉动频率一致且施压的起始时间相同。