CN112522499B - 一种航空用斜幅板圆柱齿轮的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种航空用斜幅板圆柱齿轮的热处理方法，包括以下步骤：S1、将圆柱齿轮零件的齿部、需渗碳外圆加工至预设尺寸，斜辐板不加工；S2、将圆柱齿轮零件进行整体渗碳处理后，按预设尺寸加工出斜辐板；S3、将圆柱齿轮零件放置于装有保护气体的箱体内在650±10℃温度下预热，然后转移箱体至810±10℃温度下保温；S4、将圆柱齿轮零件取出置于组合淬火模具中，进行油冷压力淬火；S5、将圆柱齿轮零件进行冷处理、回火处理和后处理。本发明具有能有效控制零件变形量的优点。

Description

一种航空用斜幅板圆柱齿轮的热处理方法
技术领域
本发明涉及齿轮热处理领域，尤其涉及一种航空用斜幅板圆柱齿轮的热处理方法。
背景技术
航空用斜幅板高精度圆柱齿轮具有结构强度高、承载能力大、结构振动小，工作平稳等特点，主要用于高速、高载荷传动。为满足齿轮工作性能需要，最终热处理形式为渗碳(或氰化)淬火，渗层深度与齿轮模数及载荷相关，一般为齿轮模数的25％左右。花键只需抵抗微动磨损，表面硬度及渗层深度要求相对较低。
由于多数航空用高精度圆柱齿轮不同部位的化学热处理要求(渗入元素、深度及硬度)不一致，零件往往须经过多次热处理，在反复加热、冷却及组织转变中，受热应力及组织应力的影响，将产生较大的热处理变形。并且斜幅板齿轮壁厚较薄、形状不对称的结构特点使零件热处理过程中变形问题加剧，最终造成幅板倾斜度变化、轮齿锥度大、产生椭圆、齿端面跳动出差等问题，从而因为零件齿轮的不规则变形导致轮齿热后均匀磨削修形时，部分齿型面靠近齿顶处磨削不起，磨齿后齿面黑皮。
综上所述，航空用斜幅板高精度圆柱齿轮由于热处理变形及渗层深度超差，如果此类斜幅板高精度圆柱齿轮零件的热处理变形量没有进行精确控制，此类零件热处理变形控制合格率较低，无法保证渗碳淬火渗层表面磨削余量均匀。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能有效控制零件变形量的航空用斜幅板圆柱齿轮的热处理方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种航空用斜幅板圆柱齿轮的热处理方法，包括以下步骤：
S1、将圆柱齿轮零件的齿部、需渗碳外圆加工至预设尺寸，斜辐板不加工；
S2、将圆柱齿轮零件进行整体真空渗碳处理后，按预设尺寸加工出斜辐板；
S3、将圆柱齿轮零件放置于装有保护气体的箱体内在650±10℃温度下预热，然后转移箱体至810±10℃温度下保温；
S4、将圆柱齿轮零件取出置于组合淬火模具中，进行油冷压力淬火；
所述组合淬火模具包括上模、下模和定位心模，圆柱齿轮零件位于上模和下模之间，上模包括上支撑模和压力传递垫，下模包括底模、下支撑模、轴肩支撑垫；
所述上支撑模和下支撑模分别用于支撑圆柱齿轮零件齿部上下两端；所述上支撑模在压力环的作用下控制圆柱齿轮零件齿部跳动；所述压力传递垫在压力轴的作用下控制圆柱齿轮零件上部轴肩跳动；
所述下支撑模、轴肩支撑垫、定位心模支撑于底模上，所述轴肩支撑垫用于支撑圆柱齿轮零件下部轴肩；所述定位心模位于圆柱齿轮零件中心孔内；
S5、将圆柱齿轮零件进行冷处理、回火处理和后处理。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述步骤S3中，所述预热的时间为20-30min，所述保温时间为45-55min。
所述步骤S4中，所述上支撑模和下支撑模的外圆周分别开设有多个凹槽，凹槽用于放置圆柱齿轮零件齿部。
凹槽内侧壁和圆柱齿轮零件辐板结构外圆周壁过盈配合。
所述定位心模、轴肩支撑垫、下支撑模分别与底模间隙配合。
所述底模的底部和侧部分别设有供淬火油通过的通孔。
所述步骤S5中，所述冷处理的温度为-60～-80℃，时间为1.5-2h。
所述步骤S5中，所述回火处理的温度为160±10℃，时间为2.5-3h。
所述底模包括底座，底座上设有第一定位圆台和第二定位圆台，第一定位圆台的中心轴和第二定位圆台的中心轴重合，且第二定位圆台的半径大于第一定位圆台，轴肩支撑垫位于第一定位圆台和第二定位圆台之间且被第一定位圆台和第二定位圆台限定位置。
所述底模还包括设置于底座外圆周上方的定位部，定位部上部设有第三定位圆台，第三定位圆台用于限定下支撑模的位置。
所述轴肩支撑垫的高度大于圆柱齿轮零件下部轴肩与底模之间的距离。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明在渗碳时不加工斜幅板，优化了零件渗碳(齿部渗碳)的热处理变形控制；在淬火前预加热零件后再加热至淬火温度，保证零件升温时表面及心部温差小，减小过程中产生的热应力，控制齿轮淬火变形；本发明采用合适的组合淬火模具，上支撑模、下支撑模控制齿部变形、定位心模可控制花键变形，在解决装模、卸模因模具重操作不便的技术问题的同时，解决了航空用斜幅板圆柱齿轮热处理变形大的问题。
附图说明
图1是传统渗碳时圆柱齿轮零件的结构示意图。
图2是本发明实施例1渗碳时圆柱齿轮零件的结构示意图。
图3是本发明实施例1斜幅板圆柱齿轮的结构示意图。
图4是本发明实施例1淬火时零件和模具的配合示意图。
图5是本发明实施例1压力传递垫的结构示意图。
图6是本发明实施例1上支撑模的结构示意图。
图7是本发明实施例1上支撑模的俯视结构示意图。
图8是本发明实施例1下支撑模的结构示意图。
图9是本发明实施例1下支撑模的俯视结构示意图。
图10是本发明实施例1底模的结构示意图。
图11是本发明实施例1轴肩支撑垫的结构示意图。
图12是本发明实施例1定位心模的结构示意图。
图13是本发明其他实施例的斜幅板圆柱齿轮的结构示意图。
图14是本发明其他实施例淬火时零件和模具的配合示意图。
图15是本发明的热处理方法的流程图。
图中各标号表示：
1、上模；11、压力传递垫；12、上支撑模；2、下模；21、底模；211、底座；2111、第一定位圆台；2112、第二定位圆台；212、定位部；2121、第三定位圆台；2113、底模中心孔；22、下支撑模；23、轴肩支撑垫；3、压力轴；4、定位心模；5、压力环。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。除非特殊说明，本发明采用的仪器或材料为市售。
如图3所示，现有航空用斜幅板圆柱齿轮产品两种输出齿轮齿部及需渗碳外圆渗碳处理，要求深度0.7mm-0.9mm，渗碳表面要求硬度59-62HRC，花键氰化深度0.15mm-0.2mm或花键渗碳深度0.35mm-0.55mm，淬火后齿端面对中心孔跳动≤0.12，渗碳外圆对中心孔跳动≤0.08，不允许校正修复。
实施例1：
如图15所示，本实施例的一种航空用斜幅板圆柱齿轮的热处理方法，包括以下步骤：
S1、将圆柱齿轮零件的齿部、需渗碳外圆加工至预设尺寸，斜辐板不加工。
本发明的圆柱齿轮零件在渗碳前已完成渗碳面齿部、需渗碳外圆加工，其余面留有渗碳层车削余量(大于渗碳深度的2倍)，以便零件整体渗碳。在渗碳前，零件斜幅板处不加工(如图2所示，辐板处未加工，辐板结构两侧空余位置是圆柱齿轮零件锻件毛坯原始形状)，相对于传统工艺渗碳前直接加工出斜辐板的整体结构(如图1所示)，本发明有利于在后续渗碳处理时，增加幅板的支撑刚度，减小热应力，从而有效减小渗碳时齿部在径向方向上的变形量，保证后续渗碳后、淬火前加工幅板时幅板结构孔与齿部的同轴度高。
S2、将圆柱齿轮零件在900℃温度下进行整体真空渗碳处理后，按预设尺寸加工出斜辐板。
S3、将圆柱齿轮零件放置于装有保护气体的箱体内在650±10℃温度下预热，然后转移箱体至810±10℃温度下保温。
本发明中，预热的时间为20-30min，保温时间为45-55min。
本发明在零件淬火加热前，先于650℃温度下预热，保温20min-30min再升至淬火温度810±10℃，650℃预热时，可降低零件表面及心部温度温差，保证零件不同部位加热速度近似，降低加热过程中产生的热应力，可降低零件淬火变形。
本发明将箱体放置于箱式炉内进行预热。
S4、将圆柱齿轮零件从箱体中取出置于组合淬火模具中，进行油冷压力淬火。
如图4至10所示(图中箭头所示方向为淬火油方向)，本发明的组合淬火模具包括上模1、下模2和定位心模4，圆柱齿轮零件位于上模1和下模2之间，上模1包括上支撑模12和压力传递垫11，下模2包括底模21、下支撑模22、轴肩支撑垫23。上支撑模12和下支撑模22分别用于支撑圆柱齿轮零件齿部上下两端；上支撑模12在压力环5的作用下控制圆柱齿轮零件齿部跳动；压力传递垫11在压力轴3的作用下控制圆柱齿轮零件上部轴肩跳动。下支撑模22、轴肩支撑垫23、定位心模4支撑于底模21上，轴肩支撑垫23用于支撑圆柱齿轮零件下部轴肩；定位心模4位于圆柱齿轮零件中心孔内。
如图5所示，本发明的压力传递垫11为中空的环状垫，在压力传递垫11侧部开设有供淬火油通过的通孔。
如图6至9所示，上支撑模12和下支撑模22的外圆周分别开设有多个凹槽，凹槽用于放置圆柱齿轮零件齿部，各凹槽关于中心点对称设置。凹槽内侧壁和圆柱齿轮零件辐板结构外圆周壁过盈配合，本实施例中，上支撑模12凹槽的数量为20个，下支撑模22凹槽的数量为24个。
零件淬火时，上支撑模12、下支撑模22可控制齿部(齿圈椭圆)变形、定位心模4可控制花键变形。
定位心模4、轴肩支撑垫23、下支撑模22分别与底模21间隙配合。
如图10所示，底模21的底部和侧部分别设有供淬火油通过的通孔。
本发明中，底模21包括底座211(底部)和设置于底座211外圆周上方的定位部212(侧部)，底座211上设有第一定位圆台2111和第二定位圆台2112，第一定位圆台2111的中心轴和第二定位圆台2112的中心轴重合，且第二定位圆台2112的半径大于第一定位圆台2111，轴肩支撑垫23位于第一定位圆台2111和第二定位圆台2112之间且被第一定位圆台2111和第二定位圆台2112限定位置，第一定位圆台2111还限定了定位心模4轴肩水平位置。定位部212上部设有第三定位圆台2121，第三定位圆台2121用于限定下支撑模22的位置。底座211开设有用于放置定位心模4的底模中心孔2113，底模中心孔2113的中心轴与第一定位圆台2111的中心轴重合。
如图11所示，轴肩支撑垫23为中空的环状垫，在轴肩支撑垫23侧部开设有供淬火油通过的通孔。轴肩支撑垫23的高度大于圆柱齿轮零件下部轴肩与底模21之间的距离，防止对零件施压时造成零件损坏。
如图12所示，定位心模4外壁设有与圆柱齿轮零件内花键相配合的凸起，定位心模4外壁开设有供淬火油通过的通孔。定位心模4外部设有轴肩，轴肩抵触于底座211底模中心孔2113的外周向位置且定位心模4的中心轴和底模中心孔2113的中心轴重合。
本实施例中，上支撑模12、压力传递垫11分别与压力环5、压力轴3的接触面为滚花面，防止卸压时磨具被压力环5、压力轴3吸住带起落入油槽。
本实施例中，将圆柱齿轮零件取出置于组合淬火模具中的具体步骤包括：卸除机床堵头→将底模21装在淬火机床上→轴肩支撑垫23、定位心模4、下支撑模22依次放置到位→压力环5与机床连接→压力轴3与机床连接→淬火参数设定(压力轴60Psi/压力环70Psi，全流量，不开脉冲)→把加热完成的零件放入底模21中→再放置压力传递垫11及上支撑模12→压床启动，零件压力淬火淋油冷却。
本实施例中，控制零件齿部端面跳动及高度的压力环5、压力轴3与淬火机床通过螺纹连接，底模21放置在封油圈上，采用组合淬火模具可解决装模、卸模因模具重操作不便问题。淬火时，取消机床堵头，淬火油可从底模21通孔进入，改善淬火时零件冷速不均问题，减小热应力以减小零件变形量。
本实施例中，航空用斜幅板圆柱齿轮的斜辐板向下倾斜，在其他实施例中，航空用斜幅板圆柱齿轮的斜辐板倾斜向下倾斜(如图13所示)，也可采用本发明的组合淬火模具进行淬火(零件和模具的配合示意图如图14所示)。
S5、将圆柱齿轮零件进行冷处理、回火处理和后处理。
本发明中，在零件淬火后2小时内进行冷处理，冷处理的温度为-60～-80℃，时间为1.5-2h。本实施例中，冷处理温度为-75℃，时间为1h50min。
本发明中，零件冷处理回复至室温后进行回火处理，回火处理的温度为160±10℃，时间为2.5-3h，然后空冷到室温。本实施例中，回火处理的温度为160℃，时间为2h45min。
本实施例中，后处理为吹砂后除铜。
对本实施例制得的零件进行检测，渗碳/氰化组织深度、硬度均符合工艺要求，齿顶圆尺寸锥度小，淬火后齿端面对中心孔跳动0.05～0.12，渗碳外圆对中心孔跳动0.04～0.08，齿端面淬火后需磨削加工，单边余量0.20，后续能按工艺正常磨削至成品尺寸。结论：合格。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种航空用斜幅板圆柱齿轮的热处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将圆柱齿轮零件的齿部、需渗碳外圆加工至预设尺寸，斜辐板不加工；
S2、将圆柱齿轮零件进行整体渗碳处理后，按预设尺寸加工出斜辐板；
S3、将圆柱齿轮零件放置于装有保护气体的箱体内在650±10℃温度下预热，然后转移箱体至810±10℃温度下保温；
S4、将圆柱齿轮零件取出置于组合淬火模具中，进行油冷压力淬火；
所述组合淬火模具包括上模（1）、下模（2）和定位心模（4），圆柱齿轮零件位于上模（1）和下模（2）之间，上模（1）包括上支撑模（12）和压力传递垫（11），下模（2）包括底模（21）、下支撑模（22）、轴肩支撑垫（23）；
所述上支撑模（12）和下支撑模（22）分别用于支撑圆柱齿轮零件齿部上下两端；所述上支撑模（12）在压力环（5）的作用下控制圆柱齿轮零件齿部跳动；所述压力传递垫（11）在压力轴（3）的作用下控制圆柱齿轮零件上部轴肩跳动；
所述下支撑模（22）、轴肩支撑垫（23）、定位心模（4）支撑于底模（21）上，所述轴肩支撑垫（23）用于支撑圆柱齿轮零件下部轴肩；所述定位心模（4）位于圆柱齿轮零件中心孔内；
上支撑模（12）和下支撑模（22）的外圆周分别开设有多个凹槽，凹槽用于放置圆柱齿轮零件齿部，各凹槽关于中心点对称设置，凹槽内侧壁和圆柱齿轮零件辐板结构外圆周壁过盈配合；
S5、将圆柱齿轮零件进行冷处理、回火处理和后处理。
2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述预热的时间为20-30min，所述保温时间为45-55min。
3.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于：所述步骤S4中，所述上支撑模（12）和下支撑模（22）外圆周分别开设有多个凹槽，凹槽用于放置圆柱齿轮零件齿部。
4.根据权利要求3所述的热处理方法，其特征在于：所述定位心模（4）、轴肩支撑垫（23）、下支撑模（22）分别与底模（21）间隙配合。
5.根据权利要求3所述的热处理方法，其特征在于：所述底模（21）的底部和侧部分别设有供淬火油通过的通孔。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的热处理方法，其特征在于：所述步骤S5中，所述冷处理的温度为-60～-80℃，时间为1.5-2h。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的热处理方法，其特征在于：所述步骤S5中，所述回火处理的温度为160±10℃，时间为2.5-3h。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的热处理方法， 其特征在于：所述底模（21）包括底座（211），底座（211）上设有第一定位圆台（2111）和第二定位圆台（2112），第一定位圆台（2111）的中心轴和第二定位圆台（2112）的中心轴重合，且第二定位圆台（2112）的半径大于第一定位圆台（2111），轴肩支撑垫（23）位于第一定位圆台（2111）和第二定位圆台（2112）之间且被第一定位圆台（2111）和第二定位圆台（2112）限定位置。
9.根据权利要求8所述的热处理方法，其特征在于：所述底模（21）还包括设置于底座（211）外圆周上方的定位部（212），定位部（212）上部设有第三定位圆台（2121），第三定位圆台（2121）用于限定下支撑模（22）的位置。
10.根据权利要求8所述的热处理方法，其特征在于：所述轴肩支撑垫（23）的高度大于圆柱齿轮零件下部轴肩与底模（21）之间的距离。
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