CN111621736A - 一种大型锥齿轮热处理变形控制方法 - Google Patents

一种大型锥齿轮热处理变形控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及热处理领域，尤其是一种钢锥齿轮零件变形控制的热处理方法。该方法包括：将零件除锥齿区以外的所有区域进行第一次镀铜保护；将清理的零件的锥齿端向上装炉，使用工装对零件进行腹板支撑；对支撑的零件进行第一次渗碳；在保护气氛炉对第一次渗碳的零件进行高温回火，然后充氮气冷却至室温；将冷却的零件除锥齿、花键及轴颈以外的所有区域进行第二镀铜保护；将再清理的零件的锥齿端向上装炉，使用工装对再清理的零件进行腹板支撑；对再支撑的零件进行第一次渗碳；在保护气氛炉对第二次渗碳的零件进行高温回火；按预设升温要求将回火的零件放置在可控气氛炉内升温；对升温的零件进行压力淬火、冷却、回火、冷却至室温。

Description

一种大型锥齿轮热处理变形控制方法
技术领域
本发明涉及热处理领域，尤其是一种大型锥齿轮热处理变形控制方法。
背景技术
8CrNi4E材料在热处理过程中变形较大，对于使用其制造的零件在热处理过程中产生的剧烈变形对后续的机械加工造成了严重影响，尤其是形状复杂且不对称结构的零件，所以因热处理变形产生的报废率极高。大型锥齿轮的生产一直以来是齿轮加工的难点，国内目前的技术水平发展瓶颈问题在于热处理变形控制及精磨齿加工。大型锥齿轮的生产国内属于空白状态，并没有实际生产经验与有效的变形控制手段。不同的工作环境及使用要求决定锥齿轮不同的性能指标，因而要求锥齿渗层深度要求不一致，大齿要求渗层深度(1.75～1.95) mm，轴颈和花键渗层深度(1.05～1.25)mm，零件的锥角变形量不超过+8′，根锥到安装距端面距离变形量不超过±0.1mm，目前采用的热处理技术无法实现两个区域两种渗碳层深度的要求，同时也无法达到所需的变形要求。
发明内容
本发明的目的是提供大型锥齿轮热处理变形控制的解决方案，可使锥齿轮在热处理后性能指标达到要求，大齿端的有效渗层深度为1.75～1.95mm，轴颈和花键渗层深度(1.05～1.25)mm，零件的锥角变形量不超过+8′，根锥到安装距端面距离变形量不超过±0.1mm。
本发明提供一种大型锥齿轮热处理变形控制方法，包括：
将零件除锥齿区以外的所有区域进行第一次镀铜保护；
清理第一次保护的零件的渗碳表面至零件为灰白色为止；
将清理的零件的锥齿端向上装炉，使用工装对零件进行腹板支撑；
对支撑的零件进行第一次渗碳；
在保护气氛炉对第一次渗碳的零件进行高温回火，然后充氮气冷却至室温；
将冷却的零件除锥齿、花键及轴颈以外的所有区域进行第二镀铜保护；
清理第二次保护的零件的渗碳表面至零件为灰白色为止；
将再清理的零件的锥齿端向上装炉，使用工装对再清理的零件进行腹板支撑；
对再支撑的零件进行第一次渗碳；
在保护气氛炉对第二次渗碳的零件进行高温回火；
按预设升温要求将回火的零件放置在可控气氛炉内升温；
对升温的零件进行压力淬火、冷却、回火、冷却至室温。
进一步的，工装为工装1B412/JS8C-1025。
进一步的，还包括：
在第一次镀铜保护前对零件进行补偿。
进一步的，零件的大齿端的有效渗层深度范围为1.75～1.95mm，轴颈和花键渗层深度的范围为1.05～1.25mm，零件的锥角变形量不超过+8′，零件的根锥到安装距端面距离变形量不超过±0.1mm。
进一步的，第一次渗碳的参数为：
渗碳温度为900±10℃，Ⅰ碳势0.3～0.4％C，渗碳时间为30～40min；Ⅱ碳势1.15～1.2％C，渗碳时间为6h；Ⅲ碳势1.05～1.1％C，渗碳时间为5～8h；渗碳结束后随炉降温至(840±20)℃，碳势(0.8～1.0)％C，保温(10～30)min，保护气氛冷却。
进一步的，第二次渗碳的参数为：
渗碳温度为900±10℃，Ⅰ碳势0.3～0.4％C，渗碳时间为30～40min；Ⅱ碳势1.05～1.1％C，渗碳时间为5h；Ⅲ碳势0.95～1.0％C，渗碳时间为1～4h；渗碳结束后随炉降温至(840±20)℃，碳势(0.8～1.0)％C，保温(10～20)min，保护气氛冷却。
进一步的，用于压力淬火的压力淬火机的外圈压力为700～900psi，内圈压力为500～700psi，内圈压套作用于零件加工基准面上。
进一步的，压力淬火包括：
外圈压套通过工装的上模压在锥齿轮的锥齿上，工装的上模设置有与齿面配合的模压面，模压面的设置使其作用在锥齿上时，压力沿径向方向逐渐增大，工装的下模与上模压点对应并支撑零件；淬火开始时的油温为40～60℃，直至零件冷却至100℃以下时，将零件卸下。
进一步的，零件为18CrNi4E材料的大型锥齿轮。
本发明通过系统的变形趋势分析，形成了解决该类零件的方案，通过对零件进行两次渗碳，解决了零件不同部位渗碳层深度不同的问题，同时利用压力淬火机改变了传统的淬火模式，再加工时预留余量，通过模具对锥齿齿顶淬火压力作用下，重点对零件锥齿及平面度进行控制，另外将加工余量作为变形的补偿量，实现了锥齿轮零件渗层深度精度在0.1mm以内，零件的锥角变形量不超过+8′，根锥到安装距端面距离变形量不超过±0.1mm。本发明工艺技术合理，控制变形效果显著，为类似的产品的变形控制提供了新的思路。
具体实施方式
本发明提供一种大型锥齿轮热处理变形控制方法，其具体的实施步骤为：
(1)根据零件的变形规律，在热处理前对锥齿(X1区)根锥深度补偿加工-0.45mm，即根锥至加工基准定位面的高度缩短0.45mm。
(2)对除大齿区以外的零件所有区域进行镀铜保护，铜层厚度0.04mm；
(3)零件装炉前使用吹砂机，压力为0.25Mpa，清理零件表面，至灰白色，并在1h以内入炉渗碳。
(4)将零件锥齿端向上装炉，使用工装1B412/JS8C-1025对零件进行腹板支撑，减小零件加热过程自重变形，并使用工装实现气氛的充分流通；
(5)一次渗碳：渗碳温度为(900)℃，Ⅰ碳势(0.35)％C，渗碳时间为 (35)min；Ⅱ碳势(1.2)％C，渗碳时间为(6)h；Ⅲ碳势(1.1)％C，渗碳时间为 (6)h；渗碳结束后随炉降温至(840)℃，碳势(0.9)％C，保温(20)min，保护气氛冷却。实现渗层深度的0.1mm精确控制；
(6)高温回火：使用保护气氛炉，温度(650)℃，时间(5.5)h，氮气冷却至室温；
(7)对除锥齿、花键及轴颈以外的零件所有区域进行镀铜保护，铜层厚度0.04mm；
(8)吹砂及装炉方式按(3)、(4)重复进行；
(9)二次渗碳参数：渗碳温度为(900)℃，Ⅰ碳势(0.35)％C，渗碳时间为(35)min；Ⅱ碳势(1.1)％C，渗碳时间为(5)h；Ⅲ碳势(1.0)％C，渗碳时间为(2)h；渗碳结束后随炉降温至(840)℃，碳势(0.9)％C，保温(20)min，保护气氛冷却。
(10)高温回火：使用保护气氛炉，温度(650)℃，时间(5.5)h，氮气冷却至室温；
(11)在零件淬火时使用压力淬火机床进行，淬火压力为外圈900psi，内圈600psi；工装号为1B412/JS8C-1026；
(12)淬火油温60℃，淬火转移时间15S，冷至65℃出淬火压力机；
(13)零件淬火结束-78℃进行冰冷，时间4.5h；
(14)回火：150℃，4.5h，空冷；
(15)检验。
实施例
某直升机系统从动锥齿轮在热处理过程中的变形控制，要求渗层深度X1 区有效渗层深度(1.75～1.95)mm，X2、X3区有效渗层深度(1.05～1.25)mm。
(1)根据零件的变形规律，在热处理前对大齿(X1区)根锥深度补偿加工-0.45mm，即根锥至加工基准定位面的高度缩短-0.45mm。
(2)零件装炉前使用吹砂机，压力为0.25Mpa，清理零件表面，至灰白色，并在1h以内入炉渗碳。
(3)将零件锥齿端向上装炉，使用工装1B412/JS8C-1025对零件进行腹板支撑，减小零件加热过程自重变形，并使用工装实现气氛的充分流通；
(4)渗碳过程工艺方法分为两个阶段，首次渗碳进行大齿部分(X1区)，属于预先渗碳，二次对锥齿与花键、轴颈(X1、X2、X3)同时渗碳，非渗碳区镀铜保护，铜层厚度0.04mm。
(5)渗碳参数为：渗碳温度为(900)℃，Ⅰ碳势(0.35)％C，渗碳时间为(35)min；Ⅱ碳势(1.2)％C，渗碳时间为(6)h；Ⅲ碳势(1.1)％C，渗碳时间为(6)h；渗碳结束后随炉降温至(840)℃，碳势(0.9)％C，保温(20)min，保护气氛冷却技术，实现渗层深度的0.1mm精确控制；
(6)高温回火：使用保护气氛炉，温度(650)℃/(5.5)h，氮气冷却至室温；
(7)对除锥齿、花键及轴颈以外的零件所有区域进行镀铜保护，铜层厚度 0.04mm；
(8)吹砂及装炉方式按(2)、(3)重复进行；
(9)二次渗碳参数：渗碳温度为(900)℃，Ⅰ碳势(0.35)％C，渗碳时间为(35)min；Ⅱ碳势(1.1)％C，渗碳时间为(5)h；Ⅲ碳势(1.0)％C，渗碳时间为(2)h；渗碳结束后随炉降温至(840)℃，碳势(0.9)％C，保温(20)min，保护气氛冷却。
(10)高温回火：使用保护气氛炉，温度(650)℃，时间(5.5)h，氮气冷却至室温；
(11)在零件淬火时使用专用淬火工装B412/JS8C-1026gleason537型压力淬火机床进行，淬火压力为外圈900psi，内圈600psi。
(12)淬火油温56℃,淬火转移时间15S，冷至65℃出淬火压力机；
(13)零件淬火结束-78℃进行冰冷，时间4.5h。
(14)回火：(150)℃，4.5h，空冷
(15)检验
结束后测量值如下：
(1)、双联齿轮渗层深度：X1区锥齿有效1.80～1.85，X2区花键有效 1.2～1.24，轴颈有效1.2～1.25。
(2)、面锥角：61°59′，锥角2′误差。
(3)、根锥：56.90mm，87.61mm。
(4)、平面度0.08。
结论为合格。

Claims (9)

1.一种大型锥齿轮热处理变形控制方法，其特征在于，包括：
将零件除锥齿区以外的所有区域进行第一次镀铜保护；
清理第一次保护的零件的渗碳表面至零件为灰白色为止；
将清理的零件的锥齿端向上装炉，使用工装对零件进行腹板支撑；
对支撑的零件进行第一次渗碳；
在保护气氛炉对第一次渗碳的零件进行高温回火，然后充氮气冷却至室温；
将冷却的零件除锥齿、花键及轴颈以外的所有区域进行第二镀铜保护；
清理第二次保护的零件的渗碳表面至零件为灰白色为止；
将再清理的零件的锥齿端向上装炉，使用工装对再清理的零件进行腹板支撑；
对再支撑的零件进行第一次渗碳；
在保护气氛炉对第二次渗碳的零件进行高温回火；
按预设升温要求将回火的零件放置在可控气氛炉内升温；
对升温的零件进行压力淬火、冷却、回火、冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，工装为工装1B412/JS8C-1025。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
在第一次镀铜保护前对零件进行补偿。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，零件的大齿端的有效渗层深度范围为1.75～1.95mm，轴颈和花键渗层深度的范围为1.05～1.25mm，零件的锥角变形量不超过+8′，零件的根锥到安装距端面距离变形量不超过±0.1mm。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，第一次渗碳的参数为：
渗碳温度范围为900±10℃，Ⅰ碳势范围为0.3～0.4％C，渗碳时间范围为30～40min；Ⅱ碳势范围为1.15～1.2％C，渗碳时间范围为6h；Ⅲ碳势范围为1.05～1.1％C，渗碳时间范围为5～8h；渗碳结束后随炉降温至840±20℃，碳势范围为0.8～1.0％C，保温范围为10～30min，保护气氛冷却。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，第二次渗碳的参数为：
渗碳温度范围为900±10℃，Ⅰ碳势范围为0.3～0.4％C，渗碳时间范围为30～40min；Ⅱ碳势范围为1.05～1.1％C，渗碳时间范围为5h；Ⅲ碳势范围为0.95～1.0％C，渗碳时间范围为1～4h；渗碳结束后随炉降温至840±20℃，碳势范围为0.8～1.0％C，保温10～20min，保护气氛冷却。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，用于压力淬火的压力淬火机的外圈压力范围为700～900psi，内圈压力范围为500～700psi，内圈压套作用于零件加工基准面上。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，压力淬火包括：
外圈压套通过工装的上模压在锥齿轮的锥齿上，工装的上模设置有与齿面配合的模压面，模压面的设置使其作用在锥齿上时，压力沿径向方向逐渐增大，工装的下模与上模压点对应并支撑零件；淬火开始时的油温范围为40～60℃，直至零件冷却至100℃以下时，将零件卸下。
9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，零件为18CrNi4E材料的大型锥齿轮。
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