螺旋錐齒輪模壓淬火變形機理及控制研究.pdf

1、螺旋錐齒輪傳動效率高，重合度大，運轉平穩(wěn)，承載能力高，被廣泛應用于工程車輛、坦克、特種車輛等的傳遞空間旋轉運動的機構中，可以有效改變力矩的傳遞方向，是載重車輛傳動系統(tǒng)的關鍵零件。螺旋錐齒輪的制造精度與力學性能，直接影響傳動系統(tǒng)平穩(wěn)工作壽命，決定了載重車輛的可靠性。
　　車用螺旋錐齒輪使用低碳合金鋼，主要制造流程包括切齒、滲碳-模壓淬火、回火等工序。由于形狀復雜，螺旋錐齒輪的制造變形控制極為重要。制造變形主要發(fā)生在淬火過程中，變形超

2、差會導致齒輪精度和嚙合平穩(wěn)性下降，增大傳動系統(tǒng)噪聲。而對于重載齒輪會出現(xiàn)齒面偏載，使得齒輪過早失效，傳動系統(tǒng)服役壽命大幅度下降。因此螺旋錐齒輪淬火變形控制一直是制造過程的瓶頸難題。
　　雖然模壓淬火工藝可以在一定程度上減小變形，然而由于引入了模具約束，使得齒輪淬火這一快速冷卻過程的物理現(xiàn)象更為復雜：變形受到溫度歷史、溫度梯度、相變順序、相變產(chǎn)物、模具約束、卸載回彈等多種因素共同影響；同時前期研究中發(fā)現(xiàn)，材料成分(淬透性)的微小波動

3、對于齒輪淬火過程同樣有著顯著的影響，造成同樣工藝條件下完全不同的變形規(guī)律。上述諸多因素使得大型螺旋錐齒輪變形機理與規(guī)律難易掌握。定量化的預測模型缺乏，導致實際工藝生產(chǎn)中幾乎完全依靠技術人員經(jīng)驗，因此制造質量、效率均無法保證；更為嚴重的是，由于缺乏對螺旋錐齒輪變形規(guī)律的理解與控制，大大降低了齒輪裝配的互換性，必須依賴齒輪配對實現(xiàn)服役，造成后續(xù)安裝、維護等一系列困難。
　　針對大型螺旋錐齒輪淬火變形控制這一制造瓶頸問題，本文將采用多場

4、耦合模擬仿真與工藝試驗結合的方式，從材料模型、滲碳-模壓淬火工藝過程乃至變形對齒輪嚙合的影響等方面開展完整的機理研究，揭示其變形規(guī)律，并進行工藝優(yōu)化設計。主要研究思路為：
　?、籴槍β菪F齒輪制造材料22CrMoH進行了端淬試驗與材料成分測試，得到材料淬透性分布。選取高/低淬透性材料，進行相變動力學、靜態(tài)力學性能、相變塑性以及熱物性參數(shù)測試，明確淬透性波動對材料性能的具體影響關系。根據(jù)大量測試數(shù)據(jù)，建立了基于高/低淬透性的材料模型

5、。
　　②為了驗證材料模型并確定淬火邊界條件，設計螺旋錐齒輪的淬火試驗，測試冷卻過程中齒輪不同位置的溫度歷史數(shù)據(jù)，并檢測了微觀組織分布。根據(jù)試驗參數(shù)，建立對應的溫度-相變耦合模型，通過對比溫度歷史和微觀組織分布計算與測試結果，驗證了上述模型與邊界條件的準確性。
　?、鄹鶕?jù)螺旋錐齒輪完整熱處理生產(chǎn)工藝，建立了基于材料高/低淬透性的滲碳-模壓淬火模型。分析了在特定工藝參數(shù)下，材料淬透性對螺旋錐齒輪微觀組織分布和變形的影響，研究齒

6、輪淬火變形機理。根據(jù)工藝參數(shù)對變形的影響關系，提出合理的工藝參數(shù)優(yōu)化方案。對照生產(chǎn)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，驗證計算分析結果可靠性。
　　淬透性受合金元素的影響，對淬火過程相變動力學影響較大。經(jīng)過完整滲碳-模壓淬火工藝后，高/低淬透性齒輪表面為馬氏體和少量殘余奧氏體，輪齒內部為貝氏體。淬透性主要影響齒輪基體內部微觀組織，低淬透性齒輪基體內部由貝氏體和鐵素體/珠光體組成，高淬透性齒輪全部為貝氏體組織。
　　基體內部不同的組織轉變及相變發(fā)生

7、順序，導致高/低齒輪淬火變形差距較大。高淬透性齒輪整體發(fā)生兩端翹曲變形，底面內外圓翹曲大小分別為0.091mm和0.079mm。低淬透性齒輪發(fā)生了外圓翹曲變形，底面外圓翹曲量為0.375 mm。翹曲變形的大小直接影響的齒面精度，高淬透性齒輪齒面變形波動范圍較小，凹面和凸面分別為0.044 mm和0.059 mm，低淬透性齒輪凹面和凸面波動帶寬分別是0.138 mm和0.151 mm。
　　對于發(fā)生翹曲變形較大的齒輪，分析了模壓淬火

8、工藝參數(shù)對翹曲變形的影響。提出了底面變形參數(shù)概念來衡量底面整體變形大小，分析了變形參數(shù)與內外環(huán)模具載荷及機床底面斜度的分布規(guī)律。考慮了淬火變形的不均勻性，選定了變形對模具載荷變化不敏感的區(qū)域中心作為最優(yōu)壓力參數(shù)，在此參數(shù)下，確定使得變形參數(shù)最小的機床底面斜度，確定最優(yōu)工藝參數(shù)為內外環(huán)模具載荷分別為250 psi和350 psi，機床底面傾斜角為0.2°。對比試制過程螺旋錐齒輪測試的變形數(shù)據(jù)，計算結果與之吻合較好。優(yōu)化后的工藝參數(shù)同時控制

9、齒輪淬火的翹曲變形和變形波動帶寬大小。
　　本文最后基于螺旋錐齒輪模壓淬火模型，建立了螺旋錐齒輪模壓淬火-嚙合耦合模型，分析對比理想幾何齒輪和存在較大淬火變形齒輪的嚙合性能。淬火翹曲變形不僅使得齒面精度下降，還會對齒輪嚙合性能造成很大影響。具體表現(xiàn)為在相同負載條件下，淬火變形降低齒輪嚙合的重合度，出現(xiàn)偏載現(xiàn)象。齒輪翹曲變形過大，使得一對嚙合齒輪接觸位置發(fā)生改變，導致齒頂和齒根表層材料的剝落，降低輪齒彎曲疲勞強度，易造成輪齒的折斷。