1、技术创新 ，收稿日期：作者简介：孙晓军（），男，河南南阳人，研究员，研究方向为紧固件热处理与表面处理工艺。文章编号：（）锥齿轮渗碳淬火工艺及其变形分析孙晓军，康根发，许永春，卫伟，时杭，郭军校（河南航天精工制造有限公司 河南省紧固连接技术重点实验室，河南 信阳 ）摘要：鉴于锥齿轮渗碳淬火工艺复杂，易产生较大变形而影响齿轮的传动质量，用 有限元分析的方法对锥齿轮渗碳淬火工艺及其变形行为进行了分析。通过调整渗碳淬火工艺参数并进行压淬，减小了锥齿轮大小端的变形。关键词：锥齿轮；渗碳淬火；有限元分析；压淬中图分类号：文献标识码：锥齿轮具有重合度高、传动平稳、承载能力大等优点，被广泛应用于各类机械设备中
2、。锥齿轮的强度和硬度要求较高，制造时常采用渗碳淬火进行强化处理。但是，渗碳淬火工艺复杂，易产生热应力和组织应力而引起较大的变形，影响齿轮的传动质量。本文用 有限元分析方法对锥齿轮渗碳淬火工艺过程及其变形行为进行分析，以期了解锥齿轮渗碳淬火过程的渗碳和相变情况，通过调整渗碳淬火工艺并进行压淬，在满足锥齿轮强度和硬度要求的基础上，减小锥齿轮的变形。锥齿轮参数、单齿模型与渗碳淬火工艺锥齿轮材料选用 渗碳钢，其化学成分如表所示。分析所用锥齿轮参数如表所示。考虑到运算效率和经济性，分析时对工件进行了简化处理，取锥齿轮的一个齿进行模拟，并将该齿与其余轮齿的接触面作为对称面。对单齿模型划分四面体网格时，将网
3、格数量设定为 个。锥齿轮单齿模型的网格划分效果如图所示。表 钢的化学成分 余量表锥齿轮参数模数齿数压力角（）图锥齿轮单齿模型的网格划分效果锥齿轮的渗碳工艺为：预热 ，在渗碳炉中强渗，碳氛为；在渗碳炉中扩散，碳氛为 。显然，扩散期与强渗期的时间比为 。锥齿轮的淬火工艺为：初始设计淬火温度为 ；使用快速淬火油进行淬冷时油温为。锥齿轮的渗碳和马氏体相变情况锥齿轮在淬冷过程发生变形，主要是下列两种技术创新 成组技术与生产现代化 年第 卷第期应力作用的结果：一种是热应力，即锥齿轮淬冷时不同部位的冷却速度不一致，温度变化存在差异，导致不同部位的冷缩不一致而产生热应力；另一种是组织应力，即锥齿轮在淬冷时会发
4、生奥氏体向马氏体的转变，由于锥齿轮芯部和表面的冷却速度不同，发生奥氏体向马氏体转变的顺序和转变量也不一致，而马氏体相变会导致体积膨胀，故锥齿轮不同部位组织转变过程的不一致会产生组织应力。对于渗碳锥齿轮来说，由于存在一定的渗碳层，齿轮的含碳量由表到里不断下降，导致从表层到芯部的马氏体相变温度逐渐升高，故其组织应力的作用更加复杂。渗碳锥齿轮在淬火时同时受热应力和组织应力的作用，导致了锥齿轮的变形。因此，对于渗碳锥齿轮变形的有限元分析来说，了解渗碳和马氏体相变情况至关重要。通过 有限元分析，可得锥齿轮渗碳处理过程的碳含量分析结果（图）（）强渗期（）扩散期图锥齿轮渗碳处理过程的碳含量分析结果对图分析可
5、知，锥齿轮在渗碳处理过程中，强渗后碳含量最大值达到了 ，碳含量较高，但渗碳层太薄，故需扩散期继续渗碳；扩散后碳含量最大值达到了 ，且渗碳层变厚了。有限元分析所得锥齿轮淬火处理过程的温度场变化情况如图所示。图锥齿轮淬火处理过程的温度场分析结果由图可见，在淬火处理过程中，锥齿轮表面节点的冷却速度快于芯部节点。分析可知，锥齿轮淬火过程的表面节点区域和芯部节点区域的温度场变化不 同，冷 却 收 缩过 程 不一致，导致了热应力的产生。锥齿轮淬火处理过程的马氏体相变分析结果如图所示。图锥齿轮淬火处理过程的马氏体相变分析结果由图可见，在淬火温度为 时，锥齿轮表面马氏体含量为 ，芯部的马氏体含量最高，为 。这
6、说明锥齿轮在淬火处理过程中，芯部先于表面发生了马氏体相变。分析可知，由于锥齿轮芯部碳含量较低，马氏体相变的温度较高，淬火处理过程先于表面达到马氏体相变温度，因此，即使芯部冷却速度较慢，其马氏体相变也比表面先发生。锥齿轮的变形锥齿轮不同部位的温度和马氏体相变历程不同，导致了其在淬火过程中热应力和组织应力的产生，最终导致齿轮发生变形。图所示为锥齿轮在渗碳淬火过程的大小端变形分析结果。技术创新 ，（）大端（）小端图锥齿轮在渗碳淬火处过程的大小端变形分析结果由图可见：锥齿轮在渗碳淬火后大端牙冠向上翘起，最大翘曲量为 ；锥齿轮小端沿轴径方向向内膨胀，最大膨胀量为 。工艺优化结果为了解决锥齿轮的变形问题，
7、需要调整渗碳淬火的工艺参数。淬火温度越高，油淬时油和工件的温差越大，产生的收缩变形就越大，冷却时间就会变长，马氏体相变时的组织应力也就越大，会增加锥齿轮的变形。淬火介质温度（指油温）越高，锥齿轮与冷却介质的温差越小，冷却收缩的变形就越小，淬火时产生的热应力也就越小，且淬火时马氏体含量越小，相应的体积膨胀减弱，锥齿轮的变形也会变小。本文将锥齿轮的淬火温度设置为 ，淬火油温设置为、种情况，分别进行了变形分析。表所示为各工艺参数下的锥齿轮变形。分析发现，在淬火温度 和油温 的条件下，锥齿轮的大端变形和小端变形都最小。为了优化锥齿轮的渗碳淬火工艺，可将淬火温度调整为 ，油温设定为 。表各工艺参数下的锥
8、齿轮变形变形部位淬火介质温度 大端小端 注：淬火温度为 。工艺优化后锥齿轮的变形仍未满足技术要求，可采用压淬工艺来进一步减小锥齿轮的变形。本文根据锥齿轮的变形特点，分别对其大端牙冠和小端内侧的变形区域施加 、和 的力来约束锥齿轮的变形。表所示为压淬工艺下的锥齿轮变形。表压淬工艺下的锥齿轮变形变形部位约束力 大端小端 由表可知，施加 的约束力后，锥齿轮的变形较小，能够满足锥齿轮的加工技术要求。结论本文通过 有限元分析，得出了锥齿轮在渗碳淬火处理过程的马氏体相变和大小端变形结果。通过优化渗碳淬火工艺并进行压淬，使锥齿轮大小端的变形得到了改善。在用 的力对锥齿轮进行压淬时，其大端和小端的变形可分别减
9、小至 和 。参考文献张棒 齿轮钢渗碳工艺和疲劳性能的研究郑州：郑州大学，韩树，宋新风，王树韬，等大直径盘式锥齿轮渗碳淬火畸变的控制金属热处理，（）：刘赣华，钱锦年，邹洋，等淬火冷却介质流速对弧齿锥齿轮渗碳淬火热处理的影响材料热处理学报，（）：（下转第 页）技术创新 成组技术与生产现代化 年第 卷第期高海波，孟庆鑫，邓宗全，等 月球车用行星车轮的优化设计 哈尔滨工业大学学报，（）：盘嘉怡 具有着陆功能的高速载人月球车悬架研究 哈尔滨：哈尔滨工业大学，：，：崔金生 采样钻具与月壤作用热力特性及温度场预测研究哈尔滨：哈尔滨工业大学，陈依婷 仿蛛网藻结构的深空探测车车轮设计及力学性能研究南京：南京航空航天大学，申学慧 载人月球车柔性金属车轮设计与分析重庆：重庆大学，（）：？（，）：，：；（上接第 页）胡明霞，谭崇凯，毛孝彬，等从动锥齿轮渗碳淬火后异常畸变分析金属热处理，（）：谢玲珍，李倩，王忠四种渗碳齿轮钢热处理畸变特点研究热处理技术与装备，（）：张国强重载渗碳齿轮钢的疲劳性能研究昆明：昆明理工大学，邹鹏，张忠和，张博，等高级渗碳淬火钢网状碳化物敏感性的研究热处理技术与装备，（）：方秀荣，刘留，徐慧慧，等渗碳前预热处理对 钢制 齿 轮 轴 畸 变 的 影 响 金 属 热 处 理，（）：，（，）：，：；