一种大尺寸薄壁齿轮工艺孔直径的设计方法与流程

本发明涉及齿轮热处理技术领域，特别涉及一种大尺寸薄壁齿轮工艺孔直径的设计方法。

背景技术：

目前，薄壁渗碳淬火齿轮的结构设计，不考虑渗碳淬火工艺过程的变形问题，或者说是在没有进行抗畸变试验研究的条件下的设计方法，只按正常的齿轮设计方法设计，而对于薄壁渗碳淬火齿轮，渗碳淬火的畸变量特别大，结构尺寸是畸变的主要影响因素，经常因为渗碳淬火后变形量大不够加工尺寸进行返修，返修挽救不过来最后报废的情况也时常发生，是生产制造的一大难点，不仅影响生产制造周期，制造成本也大幅提高。

渗碳淬火变形是世界难题，发达国家公布的数据，在渗碳淬火变形问题上浪费的资金也相当惊人。以前对渗碳淬火畸变问题的研究，多集中在渗碳淬火的工艺过程，齿轮结构上的研究较少，特别是国内透平压缩机大尺寸薄壁渗碳淬火齿轮，结构因素对渗碳淬火畸变的影响研究的更少，几乎是空白。结构因素是渗碳淬火变形的最主要的因素，而且影响也最大，研究起来效果也最明显。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够提高抗畸变性的大尺寸薄壁齿轮工艺孔直径的设计方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种大尺寸薄壁齿轮工艺孔直径的设计方法，将所述齿轮工艺孔直径与所述齿轮减重凹环的直径差之比设置为0.080-0.098；

所述齿轮采用正火+调质处理的预备热处理工艺，工艺参数为950℃正火，保温时间为“有效厚度/45mm”小时，空冷；860℃淬火，保温时间为“有效厚度/40mm”小时，油冷；650℃回火，保温时间为“1.5倍淬火保温时间”，空冷；

所述齿轮的渗碳淬火工艺为：930℃渗碳，总保温时间为“渗层深度/0.1mm”小时；渗碳后采用二次淬火，一次淬火采用850℃球化空淬，保温时间为“有效厚度/40mm”小时；650℃高温回火，保温时间为淬火的1.5倍；二次淬火采用780℃淬火，保温时间为“有效厚度/40mm”小时，油冷；180℃回火，保温时间是淬火时间的2倍；

所述齿轮的材料采用12Cr2Ni4渗碳钢，化学成分符合GB/T3077-1999标准。

优选地，所述齿轮工艺孔直径与所述齿轮减重凹环的直径差之比设置为0.0968。

进一步地，所述设计方法适用于透平压缩机大尺寸薄壁渗碳淬火齿轮。

本发明提供的大尺寸薄壁齿轮工艺孔直径的设计方法，将所述齿轮工艺孔直径与所述齿轮减重凹环的直径差之比设置为0.080-0.098，能使整个渗碳淬火工序的变形量都大幅缩小，畸变量减小24％以上。减小了透平压缩机用大尺寸薄壁齿轮在渗碳淬火过程中的畸变问题；减小了因渗碳淬火工艺变形量大，造成磨齿时不够磨削尺寸超差造成的返修，甚至报废的问题；减小了由于磨齿时磨削量大，造成了渗层的严重不均匀，硬度不均匀切下降，承载能力下降的问题。齿轮的质量大幅提高，接触疲劳强度和弯曲疲劳大幅提高，磨削量减小，成本大幅下降。

附图说明

图1为本发明实施例提供的部分大尺寸薄壁齿轮结构的俯视图；

图2为本发明实施例提供的部分大尺寸薄壁齿轮结构的横截面图；

图3为本发明对比例1提供的部分大尺寸薄壁齿轮结构的俯视图；

图4为本发明对比例1提供的部分大尺寸薄壁齿轮结构的横截面图；

图5为本发明对比例2提供的部分大尺寸薄壁齿轮结构的俯视图；

图6为本发明对比例2提供的部分大尺寸薄壁齿轮结构的横截面图。

具体实施方式

目前透平压缩机用大尺寸薄壁齿轮的工艺孔直径同减重凹环的直径差没有特定的比例关系，这种工艺孔直径同减重凹环的直径差之间的无特定比例关系，在渗碳淬火的工艺过程中产生的畸变量差异变化大，对渗碳淬火工艺过程的畸变控制造成了很大的难度。

本发明从控制齿轮畸变的角度出发，对大尺寸薄壁齿轮的工艺孔直径同齿轮减重凹环的直径差之间的比例关系进行了研究。

本发明提供的一种大尺寸薄壁渗碳淬火齿轮工艺孔直径的设计方法，将齿轮工艺孔直径与齿轮减重凹环的直径差的比值控制在0.080-0.098，并且当齿轮工艺孔直径与齿轮减重凹环的直径差的比值设定为0.0968时，能够使透平压缩机用薄壁渗碳淬火齿轮取得最佳的抗畸变效果。同时，所述齿轮的预备热处理工艺采用正火+调质处理，工艺参数为950℃正火，保温时间为“有效厚度/45mm”小时，空冷；860℃淬火，保温时间为“有效厚度/40mm”小时，油冷；650℃回火，保温时间为“1.5倍淬火保温时间”，空冷。将所述齿轮的渗碳淬火工艺控制为：930℃渗碳，总保温时间为“渗层深度/0.1mm”小时；渗碳后采用二次淬火，一次淬火工艺参数为850℃球化空淬，保温时间为“有效厚度/40mm”小时；650℃高温回火，保温时间为淬火的1.5倍；二次淬火工艺参数为780℃淬火，保温时间为“有效厚度/40mm”小时，油冷；180℃回火，保温时间是淬火时间的2倍。

本发明提供的一种大尺寸薄壁渗碳淬火齿轮工艺孔直径的设计方法，在进行渗碳淬火的工艺过程中，可使大尺寸薄壁齿轮的变形量大幅缩小，缩小24％以上，畸变量的大幅减小，不仅可以控制因变形量大磨齿时不够磨削，尺寸超差造成的返修甚至报废的问题；也能控制由于磨齿时磨削量大，造成了渗层的严重不均匀，硬度下降，承载能力下降的问题；更重要的是齿轮的质量大幅提高，接触疲劳强度、弯曲疲劳大幅提高；另外磨削量减小，成本也会大幅下降。并且，本发明提供的一种大尺寸薄壁渗碳淬火齿轮工艺孔直径的设计方法，也适用于其它的薄壁渗碳淬火齿轮抗畸变的结构尺寸设计。

实施例1

模拟齿轮选用材料12Cr2Ni4，用其进行大尺寸薄壁齿轮工艺孔直径同齿轮减重凹环的直径差之间、在不同比例关系时对畸变量影响的工艺试验，在渗碳淬火工艺过程中的畸变量的测试试验包括以下步骤：

(1)预备热处理：950℃正火，保温5小时，空冷；860℃淬火，保温5小时，油冷，650℃回火，保温7.5小时，空冷。

(2)参见图1和图2，将模拟齿轮的工艺孔直径与齿轮减重凹环的直径差的比设置为12mm/123.7mm＝0.0968，其中，齿轮减重凹环的直径差123.7mm是由(￠215-￠91.3)＝123.7得到。

(3)测试畸变工艺参数：930℃渗碳10小时；球化空淬850℃保温5小时；650℃高温回火7.5小时；780℃淬火保温5小时，油冷；180℃回火保温10小时。

(4)测试畸变工艺操作要领：保证两个对比模拟齿轮的高度一致，位置临近，渗碳工艺过程的渗碳气氛条件一致，淬火工艺过程的冷却条件一致。

(5)模拟齿轮尺寸测量：测试试验前、淬火回火后测量模拟齿轮的尺寸，比较整个渗碳淬火工序的畸变量。同一个人测量，使用同一个千分尺，且千分尺要经过校核。

对比例1

与实施例1不同之处在于：步骤(2)工艺孔直径与齿轮减重凹环的直径差的比不同，参见图3和图4，其工艺孔直径与齿轮减重凹环的直径差的比设置为14mm/123.7mm＝0.113，其中，齿轮减重凹环的直径差123.7mm是由(￠215-￠91.3)＝123.7得到。

数据处理与分析：参见表1a，实施例1的畸变量数据，参见表1b，对比例1的畸变量数据，其中直径A和直径B表示相互垂直的齿轮直径。经畸变量数据对比可以看出，实施例1渗碳淬火后的畸变量明显低于对比例1的渗碳淬火后的畸变量，实施例1的平均畸变量-12.5，而对比例1的平均畸变量-17.0，实施例1的平均畸变量较对比例1的减小4.5，即减小了26.5％，也就是说当齿轮的工艺孔直径与齿轮减重凹环的直径差比为0.0968时，齿轮的抗畸变能力明显优于工艺孔直径与齿轮减重凹环的直径差比为0.113的齿轮的抗畸变能力，充分说明了工艺孔直径同齿轮减重凹环的直径差的比对齿轮的畸变量有很大影响，对控制变形有重要作用。

表1a、实施例1的变形量数据

表1b、对比例1的变形量数据

实施例2

模拟齿轮材料12Cr2Ni4，用其进行大尺寸薄壁齿轮工艺孔直径同齿轮减重凹环的直径差之间，不同比例关系对畸变量影响的工艺试验，在渗碳淬火工艺过程中的畸变量的测试试验包括以下步骤：

(1)预备热处理：950℃正火，保温5小时，空冷；860℃淬火，保温5小时，油冷，650℃回火，保温7.5小时，空冷。

(2)参见图1和图2，将模拟齿轮的工艺孔直径与齿轮减重凹环的直径差的比设置为：12mm/123.7mm＝0.0968，其中，齿轮减重凹环的直径差123.7mm是由(￠215-￠91.3)＝123.7得到。

(3)测试畸变工艺参数：930℃渗碳10小时；球化空淬850℃保温5小时；650℃高温回火7.5小时；780℃淬火保温5小时，油冷；180℃回火保温10小时。

(4)测试畸变工艺操作要领：保证两个对比模拟齿轮的高度一致，位置临近，渗碳工艺过程的渗碳气氛条件一致，淬火工艺过程的冷却条件一致。

(5)模拟齿轮尺寸测量：测试试验前、渗碳淬火回火后测量模拟齿轮的尺寸，比较整个渗碳淬火工序的畸变量。同一个人测量，使用同一个千分尺，且千分尺要经过校核。

对比例2

与实施例2不同之处在于：步骤(2)工艺孔直径与齿轮减重凹环的直径差的比不同，参见图5和图6，其工艺孔直径与齿轮减重凹环的直径差的比:8mm/123.9mm＝0.065，其中，齿轮减重凹环的直径差123.7mm是由(￠215-￠91.3)＝123.7得到。

数据处理与分析：参见表2a，实施例2的畸变量数据，参见表2b，对比例2的畸变量数据，其中直径A和直径B表示相互垂直的齿轮直径。经畸变量数据对比可以看出，实施例2渗碳淬火后的畸变量明显低于对比例2的渗碳淬火后的畸变量，实施例2的平均畸变量-12.5，对比例2的平均畸变量-16.5，实施例2的平均畸变量较对比例2的减小4.0，即减小了24.2％，也就是说当齿轮的工艺孔直径与齿轮减重凹环的直径差比为0.0968时，齿轮的抗畸变能力明显优于工艺孔直径与齿轮减重凹环的直径差比为0.065的齿轮的抗畸变能力，充分说明了工艺孔直径同齿轮减重凹环的直径差的比对齿轮的畸变量有很大影响，对控制变形有重要作用。

表2a、实施例2的变形量数据

表2b、对比例2的变形量数据

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。