精密零部件齒輪部件可根據(jù)其功能分為運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)齒輪和動(dòng)力傳動(dòng)齒輪。動(dòng)力傳動(dòng)齒輪通常粘接以獲得高硬度和高耐磨性表面，而芯仍然保持可塑性和良好的韌性，使得部件能夠承受一定的沖擊載荷。與氮化相比，滲碳硬化的優(yōu)點(diǎn)是層的深度更大，允許保留更大的公差以完成齒形。它已廣泛應(yīng)用于齒輪，軸銷和傳動(dòng)系統(tǒng)的其他部件。
我廠生產(chǎn)的輸出精密零部件齒輪屬于典型的外齒+內(nèi)花鍵短軸型零件，材質(zhì)等級(jí)S82（低碳合金結(jié)構(gòu)鋼），漸開線外齒直徑18，齒數(shù)39，壓力角為25°，精度等級(jí)為相當(dāng)于規(guī)定中的7級(jí)。內(nèi)漸開線花鍵有16個(gè)齒，直徑為20/40，壓力角為30°，ANSI標(biāo)準(zhǔn)圓角根側(cè)配有7個(gè)精度等級(jí)。
該部分要求齒輪齒頂，齒面，齒根和齒面硬化至700 HV（HRC≥62）以上，其余表面不進(jìn)行滲碳處理。在初步設(shè)計(jì)工藝方案時(shí)，非滲碳表面和淬火回火后的芯部硬度達(dá)到HRC 42-47，并且我們工廠的粉末冶金工具可以處理零件的結(jié)果硬度不超過HRC42。因此，傳統(tǒng)的“銅 - 滲碳去銅”工藝用于整理工藝。齒坯完成后，插入內(nèi)花鍵。在鍍銅之后，去除頂部和齒側(cè)面上的銅層。磨齒余量是保留的，
在處理首先一批產(chǎn)品后，在取樣測(cè)試期間發(fā)現(xiàn)合格率低于30％。熱處理前牙科切割過程的測(cè)量報(bào)告結(jié)果均合格。分析導(dǎo)致超出容忍度的原因是：
a）在熱處理之后，進(jìn)行中心孔和外部研磨的兩個(gè)步驟，并測(cè)量參考變化。
b）在加工和熱處理過程中產(chǎn)生的各種內(nèi)應(yīng)力高于材料的屈服強(qiáng)度，應(yīng)力釋放導(dǎo)致零件不可逆的塑性變形。
有幾種方法可以解決上述兩種效應(yīng)：
1）合理分配冷加工尺寸公差，適當(dāng)提高內(nèi)花鍵加工精度，并補(bǔ)償熱處理變形，具有豐富的尺寸和形狀精度。
2）使用循環(huán)保溫和冰冷處理等再加壓裝置盡可能地消除加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。
3）嚴(yán)格控制熱處理過程中的加熱速率，采用較低的滲碳和淬火加熱溫度，以減少熱處理過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力; 在不影響滲碳質(zhì)量的情況下，齒輪的表面碳濃度和滲碳層深度控制在下限范圍內(nèi)。
4）使用特殊夾具增加齒輪的剛性，以減少熱處理變形的程度。
在此基礎(chǔ)上，我們?cè)O(shè)計(jì)了第二套方案，經(jīng)過熱處理，精加工工藝基準(zhǔn)和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，并將拼接關(guān)鍵工藝調(diào)整為熱處理：
齒的工藝改進(jìn)研究表面滲碳零件，當(dāng)?shù)诙a(chǎn)品加工到花鍵鍵合工藝時(shí)，操作員提出了花鍵插刀異常切削的問題 - 第一批插入刀具能夠在試生產(chǎn)過程中連續(xù)加工15個(gè)零件，前面當(dāng)批次中僅處理4件時(shí)出現(xiàn)刀具。面部磨損和切削。
我們驗(yàn)證了工具設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)材料和涂層材料是正確的。據(jù)推測(cè)，齒輪刀片的碎裂的主要原因是內(nèi)孔的表面泄漏碳，并且局部存在高硬組織。
分析原因有兩個(gè)原因：
a）零件尺寸小。在鍍銅過程中銅離子難以擴(kuò)散到內(nèi)孔的底部，并且在孔底部的表面上沒有銅層。
b）內(nèi)孔的銅層不均勻或銅層在加工過程中剝落。
從那時(shí)起，我們嘗試了保護(hù)措施，如內(nèi)孔上的保護(hù)涂層。然而，由于涂層的高流動(dòng)性和操作的困難，改善效果不令人滿意。
近年來，我廠通過改進(jìn)加工，加深了對(duì)接和分包模式。我們對(duì)硬質(zhì)合金刀具有了更系統(tǒng)和全面的了解。在刀具供應(yīng)商技術(shù)不斷升級(jí)的過程中，我廠可插件的硬度極限逐漸提高到HRC52~55。范圍。通過結(jié)合輸出齒輪試驗(yàn)階段的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際記錄，我們?cè)谛碌母倪M(jìn)中創(chuàng)新了保證金保護(hù)的使用，而不是傳統(tǒng)的鍍銅保護(hù)。程序流程如下圖所示：
新方案的改進(jìn)思路是在熱處理前在非滲碳表面上保留加工余量。在整個(gè)部件被滲碳后，硬車移除了邊緣。在HRC42~47（熱處理后的芯部硬度）狀態(tài)下，保證了樣條精度。雖然該方案增加了制造難度，但使用可靠的工具可以確保內(nèi)部花鍵的質(zhì)量，消除銅電鍍和銅去除過程，并且生產(chǎn)過程更加簡化，這極大地優(yōu)化了工藝基準(zhǔn)的均勻性。經(jīng)過熱處理。
為了防止在完成汽車之后由切削應(yīng)力的釋放引起的部件的二次變形，保護(hù)余量的厚度應(yīng)該盡可能小。因此，有必要掌握部件表面硬度的變化規(guī)律。我們?cè)谠囼?yàn)階段收集了一些超出公差的部件，并沿著精密零部件齒輪的徑向部分制作了一個(gè)測(cè)試件進(jìn)行測(cè)試。
從測(cè)試中可以看出，滲碳處理僅改變表面層金屬的碳含量。在淬火和低溫回火處理之后，在滲碳層和部分基質(zhì)結(jié)構(gòu)（緊密排列的回火馬）氏族組織之間存在硬度過渡層?？紤]到當(dāng)前花鍵樣條的極高硬度和工具的經(jīng)濟(jì)成本。我們使用顯微硬度方法測(cè)量從表面到HV = 463（HRC47）的垂直距離，以分析硬化層的更大深度。
本廠采用甲苯作為滲碳介質(zhì)進(jìn)行氣體滲碳，以甲醇為稀釋劑，滲碳介質(zhì)在滲碳溫度下分解，發(fā)生以下反應(yīng)：
在檢測(cè)過程中，我們發(fā)現(xiàn)硬化層的深度在牙齒形狀方向上呈現(xiàn)規(guī)則變化 - 牙根部分的硬化深度最小，牙齒頂部附近的硬化層最厚，并且在分度圓附近的齒的硬化層位于兩者之間。。通過分析可以得出結(jié)論，在齒輪滲碳表面的奧氏體結(jié)構(gòu)吸收活性碳原子后，碳濃度增加，部件表面與芯材之間碳濃度的差異迫使碳原子在內(nèi)部擴(kuò)散，但由于精密零部件齒輪表面的輪廓特殊性，活性碳原子在不同部位的擴(kuò)散速度不同，原因是與齒輪每個(gè)表面接觸的活性碳原子數(shù)不同 - 表面接觸量在齒尖附近最大，精密零部件齒面接觸次之，齒根表面類似于凹面。腔的底部，因此活性碳原子的接觸量最少。
在滲碳過程中，保護(hù)余量應(yīng)均勻連續(xù)地覆蓋所有非滲碳表面，因此在確定邊緣厚度時(shí)，選擇從中收集的數(shù)據(jù)指數(shù)圓附近的牙齒表面。公式為：
剩余厚度≥齒面碳化層深度+硬度過渡層最大深度。
從加工過程中可以看出，從齒面到HV = 463的垂直距離集中在1.3±0.1 mm的范圍內(nèi)，在實(shí)際使用中，軸向和徑向邊緣處理為1.5mm。
鋼滲碳淬火后，抗拉強(qiáng)度增加到2270Mpa以上。與軟態(tài)車削相比，硬車系統(tǒng)的切削力增加了約2倍。提高系統(tǒng)剛性是我們面臨的第一個(gè)問題。
輸出精密零部件齒輪結(jié)構(gòu)屬于常規(guī)旋轉(zhuǎn)體。轉(zhuǎn)出外圈和端面保護(hù)余量的效率最高。然而，由于內(nèi)孔尺寸的限制，Φ12或更大尺寸的鏜孔工具不適合于該部件，因此優(yōu)選地去除部件的內(nèi)孔容差。鉆孔以避免由于鏜桿剛度不足引起的震動(dòng)。
刀片接觸零件時(shí)的瞬時(shí)沖擊是影響刀具壽命的主要因素?？紤]到精密零部件的表面硬度達(dá)到HRC62或更高，可以使用重型低速切削來減少?zèng)_擊對(duì)刀具和機(jī)床的影響。應(yīng)在刀具中控制刀具伸長率。在桿的長度的0.5倍以內(nèi)，并最小化懸伸以增加剛度。該部件的短而厚的結(jié)構(gòu)和小的縱橫比非常適合于外定心和端面定位的夾緊方法。為了最大限度地減少零件夾緊時(shí)的懸伸，我們?cè)O(shè)計(jì)了圖中所示的車削順序：
從表面層到芯層的材料是高碳，中碳，低碳回火馬氏體結(jié)構(gòu)。車削刀片需要高邊緣耐磨性和大切削深度，以應(yīng)對(duì)可變載荷連續(xù)切削。此外，為了在不同組織材料之間切換時(shí)減小刀片的振動(dòng)并減小對(duì)部件表面質(zhì)量的影響，應(yīng)該使用具有抗振設(shè)計(jì)的外圓棒。
通過查看產(chǎn)品目錄，我們最初開發(fā)了兩套車削解決方案。表面余量分為3個(gè)車削 - 粗加工機(jī)去除了表面上的大部分硬化層，切削深度為1到1.2毫米，半成品車將表面余量均勻分布到0.1。嗯，精車嚴(yán)格控制表面粗糙度并保證零件的尺寸精度，最大化系統(tǒng)剛性意味著最大限度地減少零件和工具的懸垂，并安排零件熱處理后的硬車具有小的縱橫比（L / D）。
在轉(zhuǎn)彎過程中仍然使用水基切削液。為了使切削液能夠快速到達(dá)切削刃切削區(qū)域，我們?cè)黾恿死鋮s液循環(huán)系統(tǒng)的壓力值。高壓切削液還可以有效地減少切削積累，提高零件的表面質(zhì)量。。
這部分硬車更傾向于穩(wěn)定夾緊，刀片夾緊方法。我們的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)常用三種刀片夾緊方法。C型夾緊系統(tǒng)的特性更符合該部件的切削條件。
經(jīng)過兩批過程對(duì)比驗(yàn)證，A型單刀片可加工5-6件，單件刀片加工上限13件; B計(jì)劃單刀片可加工7件，單件刀片加工上限15件，然后選擇B計(jì)劃。
去除保護(hù)邊后，露出的基材已轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚧鼗瘃R氏體組織，達(dá)到精密零部件的核心硬度HRC42-47，不難加工，通用刀片完全滿足切削條件。
實(shí)踐證明，去除硬車保護(hù)邊緣的方案是可行的，刀具壽命是理想的，成品零件的表面粗糙度，尺寸精度和位置公差符合要求。
過去，我廠采用粉末冶金作為小齒輪刀具的基礎(chǔ)材料。可通過此類工具加工的零件的硬度不超過HRC42。為了滿足該部件后續(xù)批量生產(chǎn)的需要，該工藝改進(jìn)定制了DATHAN公司生產(chǎn)的硬質(zhì)合金插刀，涂層材料為TiAlN。
與粉末冶金工具相比，硬質(zhì)合金刀具具有更好的耐磨性，但抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性較差。因此，切削部分采用較大的徑向負(fù)前角，以提高齒輪成形刀具的抗沖擊性?？沽涯芰?qiáng)。
精密零部件硬齒面切削參數(shù)刀具已加工52件，刀具狀況良好。根據(jù)目前的刀具磨損率，預(yù)計(jì)磨削周期可達(dá)80多個(gè)。
經(jīng)過滲碳淬火和回火后，冰冷處理相當(dāng)于零件的二次正火，可以進(jìn)一步減少淬火過程中的過飽和馬氏體，減少晶格畸變，減少結(jié)構(gòu)應(yīng)力，減少熱處理變形。
在部件表面滲碳后，5μm深度表面的過共析層含有致密碳化物，淬火回火后形成非常薄的硬殼層。車刀的尖部在接觸表面層時(shí)最容易受到損壞。因此，在去除保護(hù)邊緣時(shí)，硬車應(yīng)盡可能保持連續(xù)，并且要加工的表面應(yīng)避免諸如減壓孔和角度定位孔之類的結(jié)構(gòu)。
硬孔需要大的切削力，并且鏜桿的扭轉(zhuǎn)力和切向力成倍增加。刀具應(yīng)與零件同心或略高于零件中心，避免切削力造成的變形影響零件的尺寸精度。
在實(shí)際應(yīng)用中，為了進(jìn)一步延長鉆頭的使用壽命，我們將保護(hù)涂層注入零件的盲孔中。在短時(shí)間干燥后，涂層將滲入內(nèi)孔表面并產(chǎn)生一定的粘附力。熱處理后，可以完全除去砂子。在相同的轉(zhuǎn)動(dòng)條件下，鉆頭磨刀周期可以增加1.5到1.8倍。
在這一改進(jìn)之后，我們將精密零部件齒輪部件與這種滲碳要求進(jìn)行了比較，并總結(jié)了適用的保證金保護(hù)方法的必要條件 - 部件滲碳區(qū)和非滲碳區(qū)應(yīng)具有合理的邊界結(jié)構(gòu)。例如，齒輪的兩端設(shè)計(jì)有端面凹槽，用于減輕重量。
結(jié)論，改進(jìn)方案已經(jīng)過4批52個(gè)部分的驗(yàn)證。消除重型低速硬車的保護(hù)余量是可行的。切削刀具具有良好的切削條件，零件中的花鍵100％合格。工藝流程縮短到先前改進(jìn)計(jì)劃的2/3，并且消除鍍銅和銅去除工藝進(jìn)一步降低了制造成本。該程序?qū)τ诰哂蓄愃朴邶X面的滲碳要求的零件具有參考值。
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