錐齒輪滲碳淬火工藝及其變形分析

孫曉軍，康根發，許永春，衛 偉，時 杭，郭軍校

(河南航天精工制造有限公司 河南省緊固連接技術重點實驗室，河南 信陽 464000)

錐齒輪具有重合度高、傳動平穩、承載能力大等優點，被廣泛應用于各類機械設備中。錐齒輪的強度和硬度要求較高，制造時常采用滲碳淬火進行強化處理。但是，滲碳淬火工藝復雜，易產生熱應力和組織應力而引起較大的變形，影響齒輪的傳動質量[1-4]。本文用DEFORM有限元分析方法對錐齒輪滲碳淬火工藝過程及其變形行為進行分析，以期了解錐齒輪滲碳淬火過程的滲碳和相變情況，通過調整滲碳淬火工藝并進行壓淬，在滿足錐齒輪強度和硬度要求的基礎上，減小錐齒輪的變形。

1 錐齒輪參數、單齒模型與滲碳淬火工藝

錐齒輪材料選用SNC815滲碳鋼，其化學成分如表1所示。分析所用錐齒輪參數如表2所示?？紤]到運算效率和經濟性，分析時對工件進行了簡化處理，取錐齒輪的一個齒進行模擬，并將該齒與其余輪齒的接觸面作為對稱面。對單齒模型劃分四面體網格時，將網格數量設定為60 000個。錐齒輪單齒模型的網格劃分效果如圖1所示。

表1 SNC815鋼的化學成分 wt %

表2 錐齒輪參數

圖1 錐齒輪單齒模型的網格劃分效果

錐齒輪的滲碳工藝為：預熱550 ℃，在滲碳爐中強滲2 h，碳氛為1.1%；在滲碳爐中擴散2 h，碳氛為0.78%。顯然，擴散期與強滲期的時間比為1∶1。

錐齒輪的淬火工藝為：初始設計淬火溫度為840 ℃；使用快速淬火油進行淬冷時油溫為60 ℃。

2 錐齒輪的滲碳和馬氏體相變情況

錐齒輪在淬冷過程發生變形，主要是下列兩種應力作用的結果：一種是熱應力，即錐齒輪淬冷時不同部位的冷卻速度不一致，溫度變化存在差異，導致不同部位的冷縮不一致而產生熱應力；另一種是組織應力，即錐齒輪在淬冷時會發生奧氏體向馬氏體的轉變，由于錐齒輪芯部和表面的冷卻速度不同，發生奧氏體向馬氏體轉變的順序和轉變量也不一致，而馬氏體相變會導致體積膨脹，故錐齒輪不同部位組織轉變過程的不一致會產生組織應力[5]。對于滲碳錐齒輪來說，由于存在一定的滲碳層，齒輪的含碳量由表到里不斷下降，導致從表層到芯部的馬氏體相變溫度逐漸升高，故其組織應力的作用更加復雜。滲碳錐齒輪在淬火時同時受熱應力和組織應力的作用，導致了錐齒輪的變形。因此，對于滲碳錐齒輪變形的有限元分析來說，了解滲碳和馬氏體相變情況至關重要[6]。

通過DEFORM有限元分析，可得錐齒輪滲碳處理過程的碳含量分析結果(圖2)

(a) 強滲期

對圖2分析可知，錐齒輪在滲碳處理過程中，強滲后碳含量最大值達到了1.080%，碳含量較高，但滲碳層太薄，故需擴散期繼續滲碳；擴散后碳含量最大值達到了0.793%，且滲碳層變厚了。

DEFORM有限元分析所得錐齒輪淬火處理過程的溫度場變化情況如圖3所示。

圖3 錐齒輪淬火處理過程的溫度場分析結果

由圖3可見，在淬火處理過程中，錐齒輪表面節點的冷卻速度快于芯部節點。分析可知，錐齒輪淬火過程的表面節點區域和芯部節點區域的溫度場變化不同，冷卻收縮過程不一致，導致了熱應力的產生。

錐齒輪淬火處理過程的馬氏體相變分析結果如圖4所示。

圖4 錐齒輪淬火處理過程的馬氏體相變分析結果

由圖4可見，在淬火溫度為840 ℃時，錐齒輪表面馬氏體含量為92.9%～94.8%，芯部的馬氏體含量最高，為96.8%。這說明錐齒輪在淬火處理過程中,芯部先于表面發生了馬氏體相變。分析可知，由于錐齒輪芯部碳含量較低，馬氏體相變的溫度較高，淬火處理過程先于表面達到馬氏體相變溫度，因此，即使芯部冷卻速度較慢，其馬氏體相變也比表面先發生。

3 錐齒輪的變形

錐齒輪不同部位的溫度和馬氏體相變歷程不同，導致了其在淬火過程中熱應力和組織應力的產生，最終導致齒輪發生變形。圖5所示為錐齒輪在滲碳淬火過程的大小端變形分析結果。

(a) 大 端

由圖5可見：錐齒輪在滲碳淬火后大端牙冠向上翹起，最大翹曲量為0.208 mm；錐齒輪小端沿軸徑方向向內膨脹，最大膨脹量為0.192 mm。

4 工藝優化結果

為了解決錐齒輪的變形問題，需要調整滲碳淬火的工藝參數。淬火溫度越高，油淬時油和工件的溫差越大，產生的收縮變形就越大，冷卻時間就會變長，馬氏體相變時的組織應力也就越大，會增加錐齒輪的變形[7]。淬火介質溫度(指油溫)越高，錐齒輪與冷卻介質的溫差越小，冷卻收縮的變形就越小，淬火時產生的熱應力也就越小，且淬火時馬氏體含量越小，相應的體積膨脹減弱，錐齒輪的變形也會變小。本文將錐齒輪的淬火溫度設置為820 ℃，淬火油溫設置為40 ℃、60 ℃、80 ℃、100 ℃ 4種情況，分別進行了變形分析。表3所示為各工藝參數下的錐齒輪變形。分析發現，在淬火溫度820 ℃和油溫100 ℃的條件下，錐齒輪的大端變形和小端變形都最小。為了優化錐齒輪的滲碳淬火工藝，可將淬火溫度調整為820 ℃，油溫設定為100 ℃。

表3 各工藝參數下的錐齒輪變形 mm

工藝優化后錐齒輪的變形仍未滿足技術要求，可采用壓淬工藝來進一步減小錐齒輪的變形[8]。本文根據錐齒輪的變形特點，分別對其大端牙冠和小端內側的變形區域施加1 800 N、3 000 N和5 000 N的力來約束錐齒輪的變形。表4所示為壓淬工藝下的錐齒輪變形。

表4 壓淬工藝下的錐齒輪變形 mm

由表4可知，施加5 000 N的約束力后，錐齒輪的變形較小，能夠滿足錐齒輪的加工技術要求。

5 結 論

本文通過DEFORM有限元分析，得出了錐齒輪在滲碳淬火處理過程的馬氏體相變和大小端變形結果。通過優化滲碳淬火工藝并進行壓淬，使錐齒輪大小端的變形得到了改善。在用5 000 N的力對錐齒輪進行壓淬時，其大端和小端的變形可分別減小至0.173 mm和0.148 mm。