薄壁硬齿面内齿圈加工保障齿部精度和稳定性探讨.docx

通过对薄壁硬齿面内齿圈的工艺研究和试制，从零件锻造、加工和热处理等全过程采取措施，提高了零件的齿部精度和稳定性，提高了产品合格率。图1所示矿山工程用内齿圈零件外径为570mm,最大内径为509mm,壁厚为30mm。其壁厚为外径的1/20,属于薄壁类零件。零件材料为35CrMo,热处理方式为调质+渗氮，要求齿部硬度2500HV,深度20.5mm,加工困难，热处理变形严重。图1内齿圈零件结构零件的试制包括锻造毛坯、机械加工、设计专用工装、热处理及生产运输等多道工序,经多次减小加工应力、热处理应力，使零件获得了较好的齿部精度和稳定性，同时大幅提高了产品合格率。加工工艺针对零件易变形的特点，确定内齿圈加工的主要工序为：锻坯一正火一粗车一探伤一调质f半精车一粗插齿一低温时效一精车一组合磨一精插齿一钳工一氮化f检测。毛坯锻造毛坯锻造工艺过程为：下料一加热一徽机一压平一冲孔一辗环一正火。毛坯的制造采用钢锭锁粗冲孔后碾环的方式，改进了金属的致密度，细化了粗大的晶粒，可获得均匀的壁厚。锻后及时正火处理，可获得较小的毛坯热应力，提高了切削性能。同时，碾环工艺使材料利用率提高12%左右，降低了生产成本。粗车、探伤粗车工序切除加工表面的大部分加工余量，保证外圆、内孔留余量8mm,端面单边留余量4mm,表面粗糙度值达Ra=6.3m,为后续探伤做准备。通过探伤工序，对零件内部质量进行检验。调质通过调质作为预备热处理工序，减少渗氮的畸变，使零件既获得较高的强度，又获得优良的韧性、塑性及切削性能。调质采用的工艺为：850加热X1.5hf油淬火f600°C回火X1.5h-*炉冷一空冷。调质时应注意全程起吊为平装，采用分段加热，淬火转移时间控制在30s内，炉冷至400°C等温一段时间再空冷。通过调质可达调质硬度217250HBW。半精车、粗插齿半精车工序底部端面向上找正、夹紧，对自由公差的外圆、内孔和齿顶圆车削至设计尺寸，其余外圆留余量2mm,并保证齿外圆表面粗糙度值达Ra=3.2m,作为插齿工序找正基准；零件翻面车其余尺寸至设计要求。粗插齿工序，顶部端面向上，按己车齿顶圆找正、夹紧，找正误差005mm,采用B级插齿刀进行插齿，公法线留余量Imm左右。热处理时效高温时效是由室温缓慢均匀加热到550进行去应力退火，保温6h,再严格控制降温速度至温度150以下时出炉（要求炉内温度差在±25内，升温速度50°Ch,降温速度W20oCh,避免产生二次应力）。通过该工序去除前期应力，消除工件的内应力，稳定组织和尺寸，改善力学性能。精车、插齿精车工序对称找正齿顶圆8个点，180°方向公差W0.04mm,90°方向公差0.08mm,夹紧，采用专用扇形车削夹具可增大夹具与工件的接触面积，车各部尺寸至图样要求。上止口车削一段表面粗糙度值达Ra=3.2m,作为插齿工序找正基准。零件调头按相同工艺车削至图样要求。插齿工序，顶部端面向上，按己车找正带找正，采用A级插齿刀插齿。其中，第一次插削后余量为公法线0.2mm,切削速度采用16次/min；磨刀后插削到位，切削速度采用12次min,加工至图样要求后，为避免齿部锥度，在径向进给量为Ommz的情况下走一圈。氮化氮化采用的工艺为：清洗一烘炉一升温一保温一升温一保温一降温一空冷。氮化前应清洗干净。氮化装炉采用平装，摆放要平稳，无倾斜悬空。采用二段气体氮化处理，先进行200°C烘炉和300C预氧化，再采用520°CX15h,氨气分解率25%左右；二段渗氮560°CX12h,氨气分解率50%左右；最后以40°Ch的降温速度炉冷至160出炉空冷。满足渗氮深度20.5mm的要求。经对试块检验分析，渗层和硬度均符合技术要求，工件变形0.02mm。结语内齿圈材料为常见的35CrMo渗氮钢。由于零件结构属薄壁类，故对生产技术要求较高。零件畸变是个系统工程，前期的毛坯制造、预备热处理、加工制造、生产转运及热处理过程衔接直接影响最后的结果。加工过程采用统一基准，以减小加工应力。齿圈氮化处理通过合理的装炉方式、气压和温升，来保证渗氮变形。通过对多工序的严格控制，试制零件最终达到工件直径变形0.02mm径向圆跳动0.02mm及齿部精度7级，完全满足图样和使用要求。该文针对薄壁齿圈的加工难点，在工艺试制过程中，从锻造毛坯、机械加工、专用工装及热处理工艺等方面采取措施，以减小变形应力，提高了零件的齿部精度和稳定性，为薄壁齿圈的加工和质量控制积累了经验。文章的亮点是工艺过程的完整性。工序内容简明扼要，无一句冗词赘语。精车和插齿工艺基准一致，热处理过程衔接合理，通过对多工序的严格控制，试制零件的齿部精度完全满足图样要求。附几种齿圈的热处理畸变控制方法由于齿圈直径与齿圈宽度（或称高度）尺寸相差悬殊，在热处理过程中，经常出现内孔圆度、端面平面度及锥度畸变超差问题。齿圈热处理畸变是其热处理过程中最常见的缺陷之齿圈的加工工序更杂、畸变合格率低、加工余量大、废次品率高、成本高，而且产品精度低、噪音大，严重影响其使用寿命。为此，通过冷加工与热加工配合、优化工艺、改进装夹（炉）方式、采用先进热处理工艺与装备等方法，以提高齿圈热处理畸变合格率、加工精度，降低产品加工成本，减少废次品。改进与优化热处理工艺控制齿圈畸变1 .采取预处理工艺方法减小大型渗碳齿圈畸变大型齿圈2180mm（外径）×1750mm（内径）×550mm（宽度），材料17CrNiMo6钢，热处理畸变要求严格。但经过渗碳淬火后，通常齿顶涨大量45mm,有时达67mm.对此，采用以下控制措施：（1）预处理工艺的制定采用调质工艺，即860加热淬火（比最终淬火温度高2030°C）,并经650C高温回火。将其内孔直径涨大量控制在810mm以内，较为理想。以后按正常的工序，经过渗碳降温空冷，然后进行（820±10）°C均温后，淬入170的硝盐浴中冷却，再经210两次回火,其齿顶圆直径仅比渗碳淬火前涨大2mm左右，满足了预期的涨大量，并且齿圈的圆度、上下锥度等均满足要求。（2）工艺要点严格控制调质时的淬火温度，如果温度太低，则不能很好地起到减少涨大畸变的作用;反之，温度太高，则渗碳淬火后的齿顶圆尺寸可能产生收缩，因此需要进行试验。2 .改进热处理工艺减小三轮车从动齿圈热处理畸变三轮车变速箱从动齿圈（见图1）,材料20CrMnTi钢，热处理技术要求：碳氮共渗的深三0.6-l.0mm,齿面与心部硬度分别为5864HRC和3548HRC,螺纹孔与单链槽位置度公差为0.05mmo装炉前10个M8螺纹孔用防渗涂料堵塞，经850860°C碳氮共渗后，直接淬火、回火。检验后发现，螺纹孔和单链槽的位置度超差，防渗涂料不易脱落。其改进工艺及效果如下:（1）改进工艺制齿成形一碳氮共渗后缓冷一车（削）渗层、拉（削）键槽、钻孔、攻螺纹一850860°C加热淬火一低温回火一加盖（保护螺纹孔）抛丸处理磨（削）辐板一检查。（2）改进效果3 检验，从动齿圈热处理畸变合格率达95%以上。10-M8均布图I从动齿圈示意4 .采用热处理新工艺及新工装控制大型齿圈热处理畸变矿用轧机减速器齿圈，外形尺寸为1631mm（外径）×1364mm（内径）X30Omm（宽度），单件质量1434kg,法向模数20mm,齿数78,材料为20CrNi2MoA钢，要求渗碳淬火。（1）修改后齿圈技术要求为控制与减少齿圈热处理畸变，对其部分技术要求进行了修改。修改后齿圈的技术要求见表1;渗碳前调质处理，调质硬度217255HBW;有效硬化层3.90510mm0（2）新工艺将锻后正火改为正火+高温回火。渗碳后增加球化退火工序，保证渗层碳化物颗粒尺寸1m<>其球化退火工艺见图2。图2中工艺a与工艺b所得结果基本相同。（八）二段等温球化退火（b）一段等温球化退火图220CrNi2MoA钢齿轮球化退火工艺新工艺路线：锻造一正火+高温回火一粗车一探伤一调质一精车、铳齿一渗碳一球化退火一淬火、回火一抛丸清理f精车内孔及两平面一磨内孔及两平面一磨齿f插键槽f探伤一产品。工装设计：设计上、下压盖板，控制齿圈畸变，具体见图3。图3齿圈热处理夹具示意1.齿圈2.上盖板3.下盖板（3）检验结果齿圈表面硬度、心部硬度及有效硬化层深度均达到技术要求；齿圈表面碳浓度为0.76%（质量分数），采用分段球化退火后碳化物颗粒尺寸达0.5um；金相组织马氏体、残留奥氏体为2级，碳化物为1级，心部铁素体为2级；力学性能各项指标达到图样技术要求；齿圈公法线变动量在畸变检验，内孔圆度0.90mm,齿顶直径变化量为+3.1+4.0mm,+0.2+0.6mm,均达到技术要求。表1修改后齿圈的技术要求有效硬化层深mm3.905.10齿面硬度HRC58-62心部硬度HRC30-45渗碳层表面碳浓度（%）0.750.95热处理后心部力学性能bMPasMPa5(%)(%)>1100280028235kJcm-22605 .改进热处理工艺并采取模具矫正方法控制大型超薄齿圈渗碳淬火畸变大型传动齿轮箱超薄内齿圈，外形尺寸1120mm（外径）X944mm（内径）X26Omm（宽度），材料17CrNiMo6钢，重量550kg,热处理技术要求：渗碳淬火有效硬化层深2.402.90mm,齿面与心部硬度分别为5862HRC和3038HRC,金相组织符合企业标准，晶粒度不粗于6级。热后畸变要求：锥度1.35mm,圆度1.35mm,公法线变动量W0.7%。,齿顶圆缩小量l5%o°(1)原加工路线、工艺及齿圈畸变问题原加工路线：锻坯粗车一钻削一插齿一渗碳淬火一喷丸处理一精车一磨齿一成品。原渗碳工艺路线为：预热65(CXlhf渗碳(93O±1O)°CX5Oh-降温，出炉前保温83O°CX2h一出炉空冷一高温回火680°CX4hf淬火加热(820±10)X2.5h一硝盐等温淬火(160÷10)°C低温回火(210÷20)°CXIOh一出炉空冷。齿圈清洗后涂刷防渗涂料，每炉5件，渗碳气氛采用甲醇+异丙醇富化气。经检验，其他项均符合技术要求，但齿圈畸变较大。(2)改进工艺在齿圈插齿前粗加工后进行高温正火。为减少残留应力及热应力，降低渗碳温度，前期增加阶梯升温的阶段数。改进后增加了400°C和850段等温，适当降低淬火温度。经检验齿圈畸变降低了一个等级，但仍偶有畸变超差的情况。其渗碳工艺见图4。渗碳矫正淬火工艺及齿圈淬火冷却采用模具矫正法。齿圈渗碳矫正淬火工艺曲线见图4。实行模具矫正淬火，将模具和齿圈一起冷却，使齿圈在冷却过程中通过模具得到强制矫正，在随后的长时间回火处理过程，消除了淬火冷却时产生的应力，稳定了齿圈尺寸，防止了畸变的反弹。畸变检验结果比较理想。图4大型齿圈渗碳矫正淬火工艺曲线6 .通过调整热处理工艺减小齿圈畸变TY320、TY220及D65等变速箱中JTOOl齿圈，外齿直径318.1mm,内齿直径251.7mm,宽度为51.5mm。材料为42CrMo钢，调质硬度262302HBW；氮化处理后M要求0.1OmmO(1)原热处理工艺及畸变情况毛坯正火(880C×3h)+粗车后调质(盐浴820C×0.5h,油淬+回火)+校正+精车后时效处理(3OO0C×5h)+插齿+离子氮化(520)后随炉冷却。经检验，M值及变动量超差，齿圈畸变合格率仅为70%左右。(2)改进工艺及效果将原来先调质后校正再氮化改为先校正后调质再氮化，齿圈畸变合格率达到98%以上,齿圈M值变动量由调整前的最大0.46mm减小到调质后的0.1Omm；时效温度由原来300提高至560,此温度既保证了加工应力的充分释放，又高于氮化温度3050°C,因而使氮化齿圈的畸变最小，AM值最大值由调整前的0.22mm减小到调整后的0.08mm。7 .通过工艺流程调整解决高频淬火40Cr钢齿圈畸变跳动超差问题齿圈(见图5),材料为40Cr钢，技术要求：调质硬度2832HRC,齿部高频淬火硬度为4852HRC,齿圈跳动V0.048mm。(I)高频淬火工艺及齿圈畸变问题高频淬火工艺电参数，电流频率250kHz,阳极及栅极电流分别为77.5A和1.41.7A,加热时间3040s,冷却水压力202MPa.高频淬火时靠近30mm孔的部位冷却速度快，远离力30mm孔的部位冷却速度慢，正是这种冷却速度的不均匀性造成齿圈跳动超差。图540Cr钢齿圈示意（2）改进工艺流程及效果改进后工艺流程：锻造一粗车一调质一精车外圆、内孔一滚齿、去毛刺f剃齿、去毛刺一清洗f齿部高频淬火f精车两端面空刀一钻孔、钩孔角一钻孔、攻螺纹一拉单键槽一去毛刺喷砂处理一清洗入库。改进效果：经过工艺流程的调整，高频淬火后齿圈的跳动均在公差要求的范围内。8 .采用碳氮共渗工艺减小内齿圈淬火畸变重载自卸车转向机构中内齿圈，外形444mm（外径）X372.88mm（内径）×140mm（齿宽），材料20CrMnTi钢，热处理技术要求：表面碳浓度0.8%1.0%（质量分数），共渗层深度l.l1.5mm,表面与心部硬度分别为5865HRC和3045HRC,圆度W0.5mm°金相组织为马氏体、残留奥氏体4级，碳氮化物W5级。（1）内齿圈加工流程下料锻造一粗加工一预先热处理（正火）一机加工一碳氮共渗一质量检验一喷砂处理-*产品检验*入库。（2）热处理碳氮共渗工艺采用爱协林密封箱式多用炉进行气体碳氮共渗，降温直接淬火。其工艺见图6。碳氮共渗870°CX6h,强渗碳势0.95%,扩散870°CX2h,碳势0.65%,降温至840°CX0.5h出炉快（3）热处理二次加热淬火工艺碳氮共渗后缓冷，再二次加热，内撑式压紧淬火，其工艺如图7所示，淬火加热830×40min.淬火采用质量分数为10%15%PM淬火冷却介质，转移时间20s,冷却时间10s,出液温度控制在150180°C,近似压淬。使用专用工装内撑内孔后回火。时间min图7内齿圈二次加热淬火及回火工艺(4)工装及装炉方式内齿圈的内外径比远大于1/2,壁薄，淬火容易产生圆度畸变，应避免重叠堆放以减少重力影响。齿圈间应有合理间距，确保圆周冷却均匀。(5)淬火畸变与控制根据热处理涨大量预留余量，保证尺寸精度；选用二次加热淬火工艺；采用淬火压床淬火；淬火后圆度超差件采用专用工装定型回火。(6)检验结果表面硬度6065HRC,心部硬度3840HRC,马氏体、残留奥氏体1级，碳氮化合物1级,外径圆度0.130.30mm,均合格。9 .50Mn2钢齿圈的中频淬火热处理齿圈尺寸为巾322mm(外径)×281mm(内径)X齿圈77mm(宽度)，材料50Mn2钢，中频淬火技术要求为：表面硬度为5055HRC,齿根处淬硬层在l4mm,相当于40HRC。齿圈的周节累计误差VSlOmm,齿向误差V0.055mm,齿形误差V0.035mm.(1)中频淬火机床及感应器中频淬火机床额定功率不能小于400kW.感应器采用14mm×14mm的紫铜方管制作而成，匝数为5,感应器高度为a,齿圈与感应器之间的预留间隙为b。图8为感应器示意。b一0A图8齿圈用感应器示意1.导磁体2.齿圈3.感应器(2)中频加热淬火规范齿圈与感应器之间的预留间隙：考虑到导磁体对磁场分布的影响因素，将感应器的直径增大为b+2mm°同时，增加感应器的高度为a+3mm°电加热规范：最高输出电压540V,最高输出电流430A,频率8000Hz,齿圈加热到22s时被加热区域已经亮红，完全达到了淬火所需温度。加热方式采用同时加热淬火方式。常用比功率为0.81.5kW/Cm2。淬火冷却介质：采用好富顿公司的AQ251型淬火冷却介质，配比浓度控制在9%13%（质量分数）。（3）检验结果金相组织检验、尺寸检验完全达到技术要求。齿根硬化层深度2.54.0mm°齿向跳动V0.05mm,齿形跳动Vo.04mm,圆周累计误差VO.1mm。采用先进的工艺及装备控制齿圈畸变1 .采用齿圈模压式感应淬火和回火新技术控制高精度齿圈畸变（I）最新感应加热模压淬火技术德国EMA的最新模压淬火工艺融合了感应淬火和压力淬火工艺的优点，其主要优点：热量在齿轮内部直接产生，没有热传导损失，加热时间短，节能；加热与淬火迅速，过程易于控制，重复性好；易于形成生产线，效率高；没有污染；热处理畸变小，齿轮最终尺寸精度高；硬化层分布均匀。该技术在汽车零部件行业得到成功应用。适合于中碳钢齿轮的直接压淬，也适合于渗碳后的齿轮压淬，包括齿轮（圈）、伞齿轮及同步圈等高精度的环形零件。（2）工艺过程图9为热处理畸变齿圈模压式感应淬火流程图。即将畸变齿圈固定到非导磁性的定心和夹持装置上（步骤1,夹持装置具有坚固的底部压模和上部压模）；通过电磁感应加热到大约900（步骤2,其加热温度根据材料定，可通过红外测温仪监测与控制）；保温一定时间后，齿圈达到相同或均匀的温度，上下压模加压（步骤3）；立即用淬火冷却介质喷淋齿轮（步骤4）；步骤4淬火后，压模装置就不需要了。将感应器移动到齿圈和校正芯模的组合位置（步骤5）；然后对齿圈进行回火加热（步骤6）；随着温度升高，齿圈发生微量膨胀，生产很小的缝隙（步骤7）；把齿圈从芯模的另一端拔出（步骤8）。校正芯模（采用不锈钢）可以有效防止齿圈收缩。图9畸变齿圈模压式感应淬火流程图（3）工艺参数和结果工艺参数和结果见表2。通过表2可以看出，齿轮畸变较小：同心度V0.03mm,圆度<0.03mm,平面度VO.05mm。表216MnCrS5钢齿轮压淬工艺参数和检验结果功率ZkW250工艺参数频率/kHzIO工艺时间min4硬度与表面硬度HV30680-780硬化层硬化层深度mm0.8-1.2心部硬度HV30350480同心度mm<0.03精度圆度（内径）Zmm<0.03平面度（底面）mm<0.052 .不对称薄壁内齿圈化学热处理畸变的控制方法薄壁齿圈尺寸162mm（外径）X111.4mm（内径）×48mm（厚度），材料20CrMnTi钢。技术要求：碳氮共渗层深061.0mm,表面与心部硬度分别为5864HRC和3548HRC,内孔圆度VO.10mm。（1）原设备、工艺及齿圈畸变问题原热处理采用连续式渗碳炉,碳氮共渗工艺：强渗88（Cf扩散860°C->840降温淬火。由于齿圈结构较兔杂、壁薄且不对称，碳氮共渗淬火后内孔圆度20.12mm,畸变超差。（2）改进后的热处理设备及工艺设备改用2-1-1多用炉生产线，该设备温度和碳势控制均匀而精确。由于渗层越浅，碳势越低，畸变越小，使渗层精确控制在0.60.7mm,金相组织控制在12级。共渗工艺：强渗860扩散860f830C降温淬火（淬火采用今禹Y35-I型等温分级淬火油）。经检验，内孔圆度控制在VO.IOmm,合格。3 .采用40Cr钢高频淬火方法取代20CrMnTi渗碳淬火减小内齿轮畸变联合收割机内齿轮尺寸为巾315mm（外径）X268.2mm（内径）×36mm（宽度），材料为20CrMnTi钢，模数为4mm,技术要求为：热处理后大端面平面度<0.2mm；内孔圆度0.3mm;渗碳层深度0.91.3mm;齿轮部硬度为5963HRC°（1）原工艺过程及齿圈畸变问题原工艺过程：粗加工f渗碳一精加工一二次加热淬火。热处理后内孔畸变大，内孔圆度在0.350.80mm之间，畸变超差。（2）改进工艺及检验结果改进齿轮材料：经主机厂同意，决定采用40Cr钢，先进行整体调质处理，保证齿轮心部硬度（强度），然后进行齿部的高频淬火，以保证畸变不超差。新的技术要求：齿坯调质硬度269289HBW;齿轮高频加热淬火后淬硬层11.5mm；齿面硬度5054HRC,新工艺过程：齿坯粗加工一调质一精加工一高频淬火。检验结果：通过冷、热加工多次配合试验，调整内齿轮热处理前参数M值，经高频淬火后达到技术要求.采用40Cr钢进行高频淬火代替20CrMnTi渗碳淬火也降低了成本，经装车使用效果良好。畸变齿圈的校正方法齿圈淬火后形成椭圆形的校正方法如下：（1）椭圆的热点校正法热点校正法是采用在齿圈外圆凸起部位（椭圆形长轴点）加热，并立即快冷，通过冷缩作用使凸起部位变小的原理进行校正。热点校可采用乙焕氧气或丙烷氧气火焰加热校直。（2）具体操作具体是在椭圆长轴外径对称部位热点两点，而在椭圆短轴方向的内径对称两端各热点一点，热点后应立即快冷（如水冷等）。若椭圆度太大，可先采用加热反击法进行粗略校正，再采用热点校正法来校正，这样可收到较满意的效果。最后进行低温回火l70200°CXlh,并进行复检。硬齿面重裁齿轮齿根在加工制造中的注意事项在大多数应用场合，齿根是齿轮最重要的部位，这是因为齿轮最大的残余应力和外部应力都集中在这个部位，于是齿轮的疲劳破坏和变形主要也发生在齿根部位。本文对硬齿面重载齿轮的齿根部位的重要性进行了全面的研究和分析,进一步说明了提高齿轮弯曲疲劳强度的根本途径是：如何提高齿根的强度(硬度)改善齿根的应力状态。围绕根本途径这一主题，全面的介绍了有关方面在实施中的注意事项。由于硬齿面重载齿轮工艺复杂，涉及的技术问题多，制造难度大，齿轮的加工水平在某种程度上反映了一个国家的机械制造工业的整体水平。因此，对齿轮加工方面的研究是国内外机械制造行业共同关注和研究的热点。笔者长期从事国内、外硬齿面重载齿轮的研究和制造，针对齿轮齿根部位的强度(硬度)对齿轮的承载能力和抗疲劳长寿命方面有很大的影响，并结合国内、外齿轮行业的最新观点和理念，对齿轮齿根部位经进行了系统的研究，现将研究的全过程和提高齿根表面强度的工艺措施及加工制造中的注意事项撰写成文，以供同行在工作中参考，不走我们曾经走过的弯路，以求共进。齿轮的受力状态和齿根的应力状态浅析齿轮的受力状态重载硬齿面齿轮在工作时，一方面齿根部位承受弯曲应力，同时在齿面部位还要承受滚动和滑动的接触应力。节圆处属于纯滚动，节圆以上和以下都存在着滑动，在靠近齿根的最低点，齿面受到最大的滑动摩擦。所以对齿轮来说，除了接触疲劳强度以外，还要求足够的抗磨损性能。在轮齿根部还受到脉动或交变弯曲应力的作用。齿面和齿根所受的应力主要有以下三种：摩擦力接触应力弯曲应力。齿根的应力状态A、齿根表面的残余压应力状态(1)齿根表面残余压应力的形成渗碳淬火后的齿轮通过适当的渗碳层深度，可在齿根表面产生一定的残余压应力。但仅靠适当的渗碳层深度产生的一定残余压应力是远远不能满足工况的使用要求,还必须对齿根表面进行强化喷丸，借助高速运动的弹丸冲击齿根表面，使其发生弹性、塑性变形，从而产生更高残余压应力。强化喷丸在齿根形成残余压应力相当材料抗拉强度极限的55%65%而齿根表面恰恰是容易萌生裂纹的部位。对于渗碳淬火后经强化喷丸的齿根表面形成的残余压应力可达-800-l200Mpa,可显著提高齿轮的弯曲疲劳强度和使用寿命。(2)齿根表面残余压应力的作用当齿根存在微细裂纹时，残余压应力可抑制裂纹的扩展。当残余压应力层深约为裂纹深度5倍时，即可消除裂纹的影响。残余压应力对齿轮弯曲疲劳强度影响很大,齿面的残余压应力可降低弯曲拉应力的峰值，由于残余压应力的迭加而降低了表面作用的拉应力。因此，残余压应力对弯曲疲劳影响很大，对提高弯曲疲劳强度及使用寿命是十分有利的。B、齿根表面的拉应力状态(1)弯曲疲劳的受力轮齿承受载荷如同悬臂梁，轮齿在载荷的作用下，齿根受弯曲应力，最大的拉应力在齿根表面。齿轮的弯曲疲劳断裂是齿根表面受到最大反复:周期变化的拉应力引起，所以齿根部位对拉应力特别敏感。(2)齿根表面拉应力的形成渗碳淬火后齿轮齿根表面的脱碳将严重影响弯曲疲劳强度，碳成分的变化将改变表面马氏体的转变，并在表面形成更大的拉应力，而这对弯曲疲劳是很有害的。磨齿中，由于对齿根圆齿槽部位进行磨削，导致丧失有利的残余压应力，而使其变成有害的拉应力。磨齿中，由于种种原因引发的齿面烧伤，也是造成产生拉应力的原因之一。(3)齿根表面拉应力的危害加剧齿根部位的应力集中。大大提升齿根部位诱发微细裂纹的机遇。迅速加剧齿根部位已有微细裂纹的延伸与扩展，为掉齿、断齿埋下祸根。因此，拉应力对弯曲疲劳影响很大，是十分有害的。提高齿轮弯曲疲劳强度的根本途径齿轮的弯曲折断，是由于齿根表面处施加的弯曲应力超过所允许的弯曲疲劳强度时，产生疲劳裂纹而引起的断裂，齿根渗碳层一方面提高弯曲疲劳强度，另一方面通过适当的渗碳层深度产生一定的残余压应力，提高轮齿抗弯曲疲劳失效的能力，随渗碳层、硬化层增加，弯曲疲劳强度也随之提高。提高齿轮弯曲疲劳强度的根本途径是:如何提高齿根的强度改善齿根的应力状态。提高硬齿面齿根表面强度的工艺措施硬齿面齿轮齿根表面硬化的三大热处理工艺简介齿轮的强度和承载能力随着齿面硬度的提高而提高，所以硬齿面热处理技术在国内、外齿轮的生产中获得了广泛的应用。用于齿轮和齿根表面硬化的热处理手段，主要有以下三大工艺：渗碳淬火经渗碳淬火后，齿轮表面具有很高的硬度、耐磨性及接触疲劳抗力，同时心部具有较高的强度和足够的冲击韧度，具有良好的综合力学性能，因此渗碳淬火工艺己成为加工硬齿面齿轮的主导工艺，在国内、外得到了越来越多的应用。经渗碳淬火后的齿轮综合力学性能都比表面感应淬火的齿轮高，但渗碳淬火工艺复杂，热处理变形大，一般经渗碳淬火后的齿轮都必须通过磨齿消除热处理变形，以保证齿轮应有的精度。由于渗碳淬火后的硬齿面齿轮在磨齿中，不允许磨齿根圆齿槽部位，因此，齿根表面在渗碳淬火后表面因渗碳而提高的硬度以及强化喷丸后在齿根表面形成的残余压应力得以保存，从而有效的提高了齿轮弯曲疲劳强度,辉光离子氮化由于辉光离子氮化在低温下进行，不发生相变，特别是热处理变形小.具有氮化速度快,氮化时间短，节省能量，渗氮质量高、对材料适应性强等优点，而且该工艺操作环境好，基本上无污染，因此在国内、外得到迅速发展，越来越多地应用于硬齿面齿轮的表面处理。辉光离子氮化后的齿轮一般不需要磨齿。由于受到渗氮层深的限制，在大模数硬齿面重载齿轮的应用方面还受到局限。经辉光离子氮化后由于不磨齿,所以齿根圆齿槽部位经辉光离子氮化后表面而提高的硬度以及强化喷丸后在齿根表面的残余压应力得以保存，从而有效的提高了齿轮弯曲疲劳强度。感应加热表面淬火由于感应淬火加热速度快，可以避免齿轮的表面氧化和脱碳。又因齿轮心部还处于低温状态，强度较高，故热处理变形大为减少。淬火质量高，由于加热速度快，奥氏体晶粒不易长大，淬火后表层可以获得针状马氏体，表面硬度比普通淬火高23HRC°淬火加热温度和淬硬深度容易控制等一系列优点。因此感应加热表面淬火这一技术在国内、外发展的很快。感应加热表面淬火有高频淬火和中频淬火之分。对于中、大模数的硬齿面重载齿轮来说,由于高频淬火淬硬层过浅，因此在应用上受到了很大的限制。由于中频淬火具有以下优势：a足够的淬硬层深。b能够实现硬化层沿齿廓均匀分布。c单齿分度沿齿廓连续加热淬火（齿根和齿面同时淬硬）。因此，国内、外在硬齿面重载齿轮的加工中，中频淬火得到了日益广泛的应用。沿齿廓分布的硬化层，按照美国ANSI/AGMA2101-1995标准，对沿齿廓感应淬火齿轮,其许用弯曲应力OFP为380MPa,而对齿根处未淬火的齿轮OFP仅为150MPa,两者相差1倍以上。在德国的齿轮强度设计中规定，对于齿根未予硬化的感应淬火齿轮，其弯曲疲劳极限只能取齿根经硬化齿轮的70%；我国的齿轮实验表明，齿根未经硬化比硬化齿轮其承载能力下降40%。因而，齿轮感应淬火工艺首要的任务是要使齿轮获得沿齿廓均匀分布的硬化层（要求齿根淬硬）。由于中频淬火后的硬齿面齿轮在磨齿中，不允许磨齿根圆齿槽部位，因此，齿根表面在中频淬火后表面因淬火而提高的硬度以及强化喷丸后在齿根表面形成的残余压应力得以保存，从而有效的提高了齿轮弯曲疲劳强度。通过强化喷丸改善齿根的应力状态为了提高轮齿的弯曲疲劳强度，除了选用高强度材料和对齿根表面硬化处理外，还应充分注意在齿根处的残余压应力。仅靠三种硬化工艺的实施，在齿根处无法实现有足够的残余压应力，因此，还必须借助对齿根部位进行真正的强化喷丸来实现，通过强化喷丸达到改善齿根处应力状态的目的。齿轮设计中的注意事项齿轮设计中确保齿根有足够的强度（硬度）齿轮材料强度与硬度存在着一定关系，因此，在美国AGMA齿轮承载能力计算中采用硬度作为强度依据，表面硬度是齿轮耐磨性的重要影响因素。心部硬度和齿根硬度是弯曲疲劳强度和冲击强度的重要影响因素，在设计中充分考虑并保证高的弯曲疲劳强度，特别是齿根要有足够的强度（硬度），使运行所产生的弯曲应力不致造成疲劳断裂。除了在设计中选用高强度材料和对齿根表面硬化处理外，还应充分注意在齿根处的残余压应力。仅靠渗碳淬火、感应加热表面淬火和辉光离子氮化三种硬化工艺的实施，在齿根处难以实现有足够的残余压应力，因此，还必须借助对齿根部位进行真正的强化喷丸来实现，通过强化喷丸达到改善齿根处应力状态的目的。改善齿根几何形状有研究专门进行了齿根圆角优化详见图1所示,经优化后,齿根应力集中得到大大改善,最大弯曲应力可减小10%30%。图I齿轮圆角优化示意图图1齿轮圆角优化示意图的说明：图中虚线代表基圆,a和b分别是Z=12的小齿轮优化前后的状况，c和d分别是Z=41的大齿轮优化前后的状况。加大齿根圆角半径从齿轮的强度和承载能力、热处理变形等方面综合考虑，加大齿根圆角半径，可以显著提高齿轮的弯曲疲劳强度和使用寿命。VVAA图2齿轮齿根形状示意图齿轮齿根的形状见图2所示r2>rl>没有r的，也即单圆弧C形式齿根的强度最好，其次为双圆弧b,最差为a。德国和美国齿轮专家研究了齿根圆角半径对齿根强度的影响，当圆角半径从0.076Xm增加到0.448*01（111=模数），齿根圆角处最大拉应力从720MPa下降到550MPa,降幅为24%。我国第一拖拉机厂对重载汽车主动轴轴径加大圆角半径感应淬火后，使弯曲疲劳强度寿命提高了十倍，同时加大圆角半径对克服淬火裂纹也有明显的作用。选用齿轮钢材方面的注意事项硬齿面重载齿轮选用钢材的原则对齿轮用钢应满足以下要求：高的弯曲疲劳强度，特别是齿根处要有足够的强度，使运行时产生的弯曲应力不致造成疲劳断裂。高的接触疲劳强度，高的表面硬度和耐磨性、防止齿面损伤。足够高的心部硬度和冲击韧度，防止过载与冲击断裂。提高钢材的冶金质量从改善和提高纯净度着手，通过电炉粗炼+炉外精炼，炉外精炼通常采用真空脱气及电渣重熔等方法，减少有害气体氢、氮、氧的含量，提高了钢材的纯净度。钢材的纯净度，是保证锻件质量的关键环节。随着纯净度的提高，减少了非金属夹杂，可使横向韧性和冲击强度及疲劳强度得到提高，因此提高了钢材的机械性能。弯曲疲劳强度的克星一非金属夹杂钢材的高倍缺陷一非金属夹杂物非金属夹杂物的产生来自两方面：一种是冶炼中炉体、钢包等的耐火材料及其反应物，属于宏观夹杂物；另一种是气体，如氧、氮及硫形成的化合物，属于微观夹杂物，这是钢中夹杂物的主要来源。由于非金属夹杂物与基体的物理和力学特性差异很大,所以实际上是一种危害很大的缺陷。a、对热处理的影响由于夹杂物与金属基体的热膨胀系数不同，在热处理过程中会产生很大的内应力，经测试可达124MPa,尤其是脆性夹杂物，如A12O3产生的应力更大。另外，在气体渗碳中，夹杂物会促使内氧化深入，即增加黑色组织形成的倾向。b、对机械性能的影响夹杂物在金属中实质起到裂纹的作用，非金属夹杂物作为独立相存在破坏了钢材基体的连续性，在钢件中如同裂纹和孔洞。大量的非金属夹杂严重降低钢的力学性能和使用性能。在抗拉强度试验中，特别是降低钢的塑性和韧性，尤其对横向性能的降低更为严重。非金属夹杂物尤以硬而脆的夹杂物危害性最大，如A12O3,作为微型缺口容易引起严重的应力集中，而诱发疲劳裂纹的形成，从而使弯曲疲劳强度降低。磨齿中的注意事项对渗碳淬火前齿轮齿形的预加工要求大多数经渗碳淬火的齿轮最终通过磨齿加工消除渗碳淬火的热处理变形,而成为高精度硬齿面齿轮,在渗碳淬火前采用磨前滚刀对齿形进行预加工，并保证磨齿中应有的磨齿余量、齿根根切量等参数，以满足磨齿工艺和齿轮制造的要求。因此，磨前齿轮的齿形必须湎足以下要求：齿轮的留磨余量要均匀由于齿轮渗碳淬火后会产生变形而使精度下降,这些变形在以后的磨齿中要全部修正过来，故齿轮留磨量的大小应由渗碳淬火的最大变形来确定。一般来说，最大变形主要与材料的热处理性能、热处理的工艺技术水平、齿轮的结构形式与几何尺寸等因素有关，所以留磨余量要综合考虑以上诸因素。齿轮在齿根处要有一定量的根切，原因有三：a磨齿中齿根需要空刀b从增加轮齿的抗弯强度来说，齿轮齿根处要有一定量的根切从增加轮齿的抗弯强度来说，齿轮齿根处要有一定量的根切。因为渗碳淬火后轮齿齿根部位的残余应力是压应力,这对提高轮齿的抗弯强度十分有利。如果齿根没有一定的根切量,齿根表面再经过加工则会使压应力变成拉应力，根据有关资料的数据表明，这样会使轮齿的抗弯疲劳强度降低约17%20%°C从抗断齿能力来说，齿根处要有一定量的根切从抗断齿能力来说，齿根处要有一定量的根切，齿根没有一定的根切量，精加工时不可避免的在齿根要产生台阶，这将造成较大的应力集中，严重影响抗断齿能力。磨后齿轮的渐开线长度应足够长由于齿根发生根切，有可能使齿轮的磨后渐开线长度不够，导致齿轮的重合度降低，从而使啮合过程中产生严重的振动和噪音，同时也降低了齿轮承载、均载的能力。因此，磨后齿轮应有足够长度的渐开线，以保证齿轮的平稳传动和在承载中实现均载。综上所述，磨前对齿轮齿形的预加工的要求，详见图3所示。磨齿中对磨削部位的要求磨齿中只允许磨削渐开线的齿形部分现代硬齿面重载齿轮在磨齿中，只允许磨削渐开线起始圆以上和渐开线终止圆以下的渐开线齿形部分。磨齿中不允许磨削齿根圆齿槽部位对于内齿圈的齿部不论是中频淬火还是渗碳淬火，不论是内齿还是外齿，在磨齿中不允许磨削齿根圆齿槽部位这一显著的特点，己成为当代硬齿面重载齿轮在磨齿中最为重要的标志和亮点。磨齿中为什么不允许磨齿根圆齿槽部位不允许磨削齿根圆齿槽部位具有以下好处：根据国内、外有关资料表明：对硬齿面重载齿轮来说，磨齿中不磨齿根圆齿槽部位的使用寿命为磨齿根圆齿槽部位的l.7170倍，因此不磨齿根圆齿槽部位的好。把来之不易的齿根圆齿槽部位经渗碳淬火后淬硬的硬化层磨掉是非常可惜的事，降低了齿根圆齿槽部位的硬度，大大降低了齿轮的弯曲疲劳强度。齿轮经强化喷丸后，最大的残余压应力值是位于齿面下约0.050.10mm处，其残余压力应力可高达-800-1200MPa.齿根圆齿槽部位一旦经过磨削，在齿根处形成的残余压应力则荡然无存,将导致残余压应力变成拉应力,对齿轮抗疲劳长寿命方面