浅析控制渐开线齿轮热处理变形的工艺措施

 在齿轮的加工过程中，热处理工艺的编制是非常重要的一个环节。尽管齿轮在经过热处理工序之后其综合性能可得到明显改善，然而，伴随着热处理过程中齿轮的变形却是难以避免的，致废的因素随时存在。因此，为了尽量减少因为齿轮热处理变形超差造成的不必要损失，降低企业的生产成本，采用合理措施对齿轮的热处理变形进行最小化控制尤为重要。
1 渐开线齿轮热处理变形的影响因素
常用渐开线齿轮的主要组成是钢，而钢的热处理过程就是在相变驱动力地作用下由母相转变为新相的过程，相变驱动力的来源最终归结于温度的变化。相变温度不同，组织转变不同，组织应力就不同，另外，温度的变化也会产生相应的热应力，这两种应力的矢量合成力就是热处理残余应力，其残存因工件结构位置不同而不同。当渐齿轮上的结构薄弱部位在热处理过程中不能抵抗残余应力的作用时，就会使齿轮发生局部变形，加之在热处理过程中，齿轮表面温度的升降速度大于内部，内外温度的梯度化导致了应力层次化，这无疑加大了齿轮变形的不规则性。总之，热处理过程中致使齿轮发生变形的因素复杂而多元化，只有认真研究和分析这些因素的影响，才能有效改善渐开线齿轮的热处理变形。
1.1 热处理工装和设备的选择 渐开线齿轮经过严格预处理之后往往具有良好的塑性，若渐开线齿轮的齿形设计结构均匀对称，就能有效分散热处理过程中齿轮所承受的不均匀应力，降低齿轮变形的不规则程度。齿轮在切削加工中出现的夹持过紧、切削力过大或刀具摩擦力超标等现象都会使齿轮表面的残余应力增加，从而导致齿轮在热处理中的变形量增大，总之，非合理的切削加工对于齿轮的热处理变形具有一定影响。基于此因，就要求在后序热处理中有目的地选择热处理设备，针对性地选择合适的热处理工装，最大程度地降低热处理变形的附加量，为有效控制齿轮的热处理变形奠定硬件基础。
1.2 齿轮材料的性质 渐开线齿轮的材料不同，热处理之后所发生的变形也会不同，即使材料相同，由于热处理的条件不同，其变形也会出现不同。渐开线齿轮的原材料性质不仅影响到渐开线齿轮的使用寿命，而且对齿轮的热处理工艺具有独特要求。由此可见，齿轮原材料的性能也是影响渐开线齿轮热处理变形的一个重要因素。
1.3 预热处理工艺的影响 预热处理的主要作用是细化材料中的晶粒，进一步消除原材料中的残余应力，对控制最终热处理变形具有一定的积极作用。但是，预热处理工序中工件的冷却速度往往不是很稳定，齿轮表面温度与内部温度的降低不同步，内部降低速度较缓，极易导致齿轮内部晶粒粗大、晶粒形状超标、组织分布不均等现象发生，其势必对最终热处理变形造成不利的影响。
1.4 热处理工艺规程 热处理工艺规程是热处理工序的作业指导书，是决定热处理质量和热处理变形的重要因素。所以，热处理规程的编制及实施是直接关系到齿轮热处理质量和控制热处理变形的关键环节，要求其具有科学性、针对性、目的性和可操作性，要在确保热处理内在质量的前提下，通过工艺的严格实施，最大程度地减小热处理变形对齿轮几何精度的影响。
2 改进渐开线齿轮热处理变形的措施
为了有效地控制和减少热处理变形，保证热处理的过程效果，可以运用统计工具对每个齿轮热处理过程的变形情况进行测量统计，对整体情况进行分析，将统计数据和齿轮热处理效果进行比较，寻找热处理过程中产生不合格品的原因，总结出需要改进的方面，从而提升产品的热处理质量。要结合影响渐开线齿轮发生热处理变形的因素，深入到齿轮热处理的整个环节与过程，采取相应的措施严格控制齿轮的热处理变形，进而确保齿轮的整体质量。基于渐开线齿轮的热处理变形控制涉及到齿轮设计、原材料选择、齿轮切削工艺以及热处理工艺等诸因素，据此，建议采取以下几点改进措施。
2.1 加强对齿轮加工过程的管控 在渐开线齿轮的热处理过程中，要强化产品质量的控制指标，严格以渐开线齿轮技术要求为主要依据，力保齿轮几何精度的稳定性为原则，着重热处理的过程控制。在齿轮进行切削加工时，要尽量避免设备加工状态的不稳定性对齿轮产生的影响，选择合适的刀具，严格控制工件的夹力度、刀具的切削用量和切削速度等切削参数，降低切削应力，以减小其对后序热处理变形造成的附加量。
2.2 改善齿轮锻件质量 渐开线齿轮锻造过程中工艺稳定性较差，易出现硬度偏差过大组织不均的现象，直接影响齿轮锻坯的质量。因为齿轮锻件的质量不仅影响切削加工性能和精度，增加加工成本，而且最重要的会使热处理变形处于难以控制的境地。尽管采用预先正火处理可以消除一部分影响，但其效果有限，还得有合格的锻件作基础保障。锻造时，要在有效加热区对料坯进行合理排放，谨防不规则堆积造成锻坯加热温度不均而出现过热过冷现象，以免产生锻件组织的晶粒度超标、晶粒形状不佳、分布不匀、应力过大等锻造缺陷，所以，要严格控制锻造工艺的实施过程，确保锻件的质量。
2.3 合理选择冷却介质 热处理工艺过程离不开冷却介质，冷却介质是热处理过程中不可或缺的重要组成部分，是实现淬火等热处理工艺过程的一项重要保证。冷却剂的化学指标、物理性能及工作温度等因素对热处理变形量影响很大。若一味地追求冷却剂的冷却速度，无疑会使残余应力增加，导致齿轮的变形量增大。随着各类冷却介质的研发和推广，冷却剂的选择范围随之宽泛，但选取冷却剂绝不能随意，要必须结合齿轮的技术要求、原材料的综合性能、切削加工工艺等具体情况，以前期试验作支撑，综合考虑后方可选定。
3 结语
热处理工艺过程控制不仅决定着渐开线齿轮的许多重要性能，而且还直接影响齿轮的使用寿命，是渐开线齿轮加中一个非常重要的环节。要提高渐开线齿轮的性能，除了保证原材料的质量和切削加工质量之外，还必须注重提升热处理工艺过程的质量和效果，要不断地探索创新，优化渐开线齿轮的热处理工艺，才能确保其热处理变形处于可控范围之内。随着热处理技术的不断发展，渐开线齿轮热处理工艺也随之改进和完善，热处理的可靠性将不断得到提高，残余应力的影响得到有效控制，热处理变形程度相应减小，齿轮类传动件的制造精度将得到稳步提升。伴随计算机模拟技术的发展，渐开线齿轮的规模化生产逐步集约化，计算机模拟控制热处理工艺的推广运用使得渐开线齿轮热处理质量更加稳定性和可靠性，注重节能环保的现代化热处理过程将促使渐开线齿轮的热处理质量不断提升和改善。