齿轮的小公差QPQ处理

　　QPQ处理-对于大功率传动装置来说，齿轮材料的最佳综合性能可通过在较软和较有韧性的材料上形成表面硬化层来获得。钢是理想材料，因为它能用很多方法来进行表面硬化最广泛使用的方法是表面渗碳硬化，该方法将整个工件加热到奥氏体温度范围并处于高碳势的气氛中，以使其获得表面渗碳层，随后经淬火和回火处理，可得到很高的表面硬度。

　　作为DavidBrown公司的热处理人员，我们越来越关注变形的不可预测性，因为我们的设计者和工程师对公差的要求越来越严格，尤其是对批量很小的大型齿轮。

　　多年来，通过在各类齿轮上进行的大量检测，获得了规定变形和胀大的许可值和验收标准，所有这些现在己被结合到我们的CAD/CAM系统中，并利用CAD/CAM进行计算，作为设计过程的一部分。

　　现在，变形在美国、日本和英国等国家中是一些主要项目的研究对象本文概述了我们在这方面所取得的进展2变形和胀大因为齿轮是最精密的工程零件之一，其公差以微米计，如表1所示，所以变形和胀大在制造中是决定性因素表1典型螺旋齿轮公差举例齿数模数齿面宽最大误差和m相邻周节误差累积周节误差夕卜形误差齿向直接淬火渗碳周期的主要步骤大的截面变化和高的加热速度使工件内产生足够高的温度场梯度和应力，导致塑性形变加热通过奥氏体转变区(从Aci到Ao这个转变伴随着体积收缩，使尺寸和形状均发生变化变化的大小取决于工件的几何形状和尺寸。

　　炉内零件直接受高温辐射的部分会产生大的温度梯度在渗碳温度下保温这时工件的屈服强度很低，由于自重和堆放在其上面工件重量的影响，通过松驰、蠕变而延伸变形。

　　冷却到均匀化温度并保温炉内负荷边缘处的工件通过热辐射散热会引起较大的温度梯度淬火冷却或在空气中缓慢冷却至室温可能发生的变形复杂多样，这取决于所发生的奥氏体相变类型，而相变类型又由冷却速度决定。

　　如果必须这样做，那么变形的可能性会加，因为这使工件再次转变成奥氏体，而后又从奥氏体转变成马氏体或其它组会织与淬火介质有关的很高的热交换系数使工件中产生在整个工艺过程中最大的温度梯度和组织转变梯度。

　　在该阶段，工件内的应力会降低，马氏体组织发生一些变化，并会产生少量的变形这些变化在工件的小截面部分更容易发生。

　　3影响变形和胀大的因素

　　3.1设计所有的零件的设计都必须既考虑零件的用途又考虑零件的制造工艺渗碳齿轮的设计尤其需要仔细权衡这两个方面的需要。

　　3.2钢的等级和状态有少数渗碳钢会带来麻烦，引起反常的、不可预测和不可控制的变形835M15和S156(4%Ni，Cr，Mo)就是具体例子，原因是它们的合金含量很高。

　　材料在机加工前的状态是非常重要的，正火加低温退火状态通常被认为是最好的低温退火尤为重要，因为它不是为了软化或均匀化材料，而是消除正火造成的内应力。

　　3.3机加工大量切削材料，而且可能是快速地和选择性地切削，将会产生很大的残余应力。当它在加热至渗碳温度的过程中被释放掉时，将会导致变形

　　3.4支撑和装炉工件在渗碳炉内正确的放置。是一个关键，否则工件由于自重的作用会发生松驰和蠕变炉内工件合理的支撑和分布可减小工件间的温度梯度，从而降低各零件间的性能差异。

　　3.5渗碳工艺参数渗碳温度下保持的时间是一个重要因素，它取决于渗碳层深要求齿的尺寸加倍，则层深也要加倍，渗碳时间也要加3倍，渗碳时间的延长会加工件在高温下的松驰和蠕变。

　　3.6淬火淬火主要是为了获得表面硬化层然而，由于淬火时温度的变化速率比工艺过程中任何其它阶段都要大一至两个数量级，所以会在工件中产生大的温度梯度和组织转变梯度，使工件产生很大的变化。

　　4典型的变形和胀大典型的形状可以用几个尺寸来描述，它们包括：

　　4.1盘形齿轮常用的盘形齿轮的变形规律常常是可以预测常用盘形齿轮的变形轮齿也会改变其位置、排列和形状，如所示，而且这些变化可以不受齿轮整体变形的影响人们己充分认识到螺旋角的变化是轮齿变形中的一个潜在的严重问题，但是周节累积误差会成为更严重的问题，却因为其常常被其它变形所掩盖而没有引起充分的注意。

　　4.2内齿圈假如内齿圈在渗碳炉内正确地放置，这类齿轮的变形也是可以预测的否则，不平度及相关的椭圆度将会带来严重的后果这可能包括加磨削时间、外抒/m齿圈形状的定义/mm加切削量减小硬化层厚度或过高的废品率5齿轮变形和胀大的变化通常，关键因素不在于所发生变形的类型或平均值，而在于变形的变化程度盘形齿轮外径锥度与外径的关系，以有类似的外径胀大、椭圆度等与外径的关系使我们可以建立验收标准例如，外径锥度的最大容许值为外径的0.米夕卜径)，因为我们己经计算出，对于齿数少于100的齿轮，在上述容许范围内可以正常地完成轮齿的磨削，不存在什么严重的问题己经并继续在开发进一步的技术，以使各种变形保持在制定的标准范围内外径锥度是外径的函数6控制齿轮的变形和胀大6.1加工余量的确定通过对所用齿轮几何形状和尺寸的现有数据合理分析并不断补充新数据，我们己经能确定直径最大达2m的6种形状齿轮的加工裕量，这些基本形状的定义如所示。

　　通过这种方式，我们己经把确定的加工余量数据输入到CAD/CAM软件中。这些软件就可自动计算出滚齿尺寸，以保证热处理后磨削出最终需要的尺寸。

　　6.2校直轴齿轮的轴线弯曲量沿它们的长度变化(如所示)，用户一般要求它们的直线度在0.125mm以内。我们在实践中己经能够保证淬火以后整个长度的非直线度小于Q75mm/m因此如有必要，所有的轴齿轮要在专用的校直机上采用两端中心孔定位旋转，以进行校正。这种校直机可进行大批量全自动处理。

　　6.3控制变形6.3.1螺旋伞齿轮绝大部分螺旋伞齿轮的轮齿在渗碳硬化以前己经磨好，热处理以后仅进行研磨抛光以提高表面光洁度。

　　因此，热处理变形控制很重要。伞齿轮对在热处理时需要严格的形状控制。伞齿轮的不平度和椭圆度公差必须很小。我们最近重新确定和放宽了这些公差，其例子如所示。

　　蜗杆的固有形状也许使它成为最难进行渗碳淬火的传动件由于螺线的根径相对较小，故需要采取特殊的措施对于大多数蜗杆来说，在热处理时让它完全自由悬挂是最重要的尽管目前采取了这些措施，即使是按大多数严格的设计，其整个长度的不直度仍然超过1.25 mm/m为了避免校直时根部的径向裂纹或开裂的危险，校直的目标为在整个长度上不直度不大于1.0mm/m 6.4控制变形的特殊技巧这些特殊技巧包括：6.4.1修改形状减小齿轮的尺寸和截面变化，在热处理之后而不是热处理之前加工到磨削尺寸会更好。

　　在此之前KEVIN系统顺利完成了两个试验性项目，第一个试验项目进行的时间为1989~1990年，该项目的内容为SBB(瑞士)客车空调系统(KUR)辅助设备逆变器印刷电路板的维修此后进行具有综合型目标的第二个试验性项目，内容为SBB(瑞士)的欧洲城轨客车的维修，时间为199卜1993年该试验项目的结果如下：障，服务时间);40的故障可在较小的修理厂中排除(缩短维修时间，降低维修费用);一一客户购买了该研究成果，除在奥尔滕修理总厂使用外，还在巴塞尔使用;在新的项目中，例如IC2000(SBB的双层车)，KEVIN是供货的组成部分在ABB亨舍尔(Hen-schel)股份公司的范围内，己制订了进行其它项目的规划7前景KEVIN系统目前己按照客户要求及考虑到经营者的EDV地区，己移植到IBM-PC及兼容机上目前，正在通过综合型规划系统(CAPE/C)，在机车车辆规划的早期阶段形成应用数据及其说明，它与机车车辆技术诊断的结合具有越来越重要的意义，因为不会发生不必要的额外支出，并且保证了数据的密度。

　　将来全部修理厂及控制中心在需要时可以与每辆车联机(例如，使用无线电)，调用全部LCC的有关数据吴月华译张孝仁校6.4.2工序间去应力先粗加工、去应力，然后磨削加工的工艺将可防止大部分由机加工应力引起的各类变形6.4.3特制支撑工装这些工装将是压淬的一个节省费用的替代办法，压淬通常使热处理费用加一倍。

　　6.4.4分级加热和控制加热速度可最大限度地减小温度梯度和奥氏体转变梯度所带来的变形。

　　6.4.5相变模拟加热和冷却过程中的相变可以用软件，如DavidBrown公司开发的AC3，来模拟并估测齿轮不同截面处的相变进程，把相变和所观察到的变形联系起来，就可以模拟不同几何形状材料和热处理的工件，以帮助选择具体的方法来减少变形7总结本文针对各种形状和尺寸的渗碳淬火工件，概述了一个减小热处理变形的方法将来，除非渗碳钢在相变中的瞬时机械性能及应力和应变对每一个相变产生影响，作为温度的函数能由实验确定下来，否则数学模型是不可能精确地预测变形和胀大的。