螺旋錐齒輪模壓淬火變形機(jī)理及控制研究.pdf

1、螺旋錐齒輪傳動效率高，重合度大，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，承載能力高，被廣泛應(yīng)用于工程車輛、坦克、特種車輛等的傳遞空間旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)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(guān)鍵零件。螺旋錐齒輪的制造精度與力學(xué)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(fù)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(dǎo)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(fù)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(shí)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(jī)理與規(guī)律難易掌握。定量化的預(yù)測模型缺乏，導(dǎo)致實(shí)際工藝生產(chǎn)中幾乎完全依靠技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)，因此制造質(zhì)量、效率均無法保證；更為嚴(yán)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(shí)現(xiàn)服役，造成后續(xù)安裝、維護(hù)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(yàn)結(jié)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(jī)理研究，揭示其變形規(guī)律，并進(jìn)行工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要研究思路為：
　　①針對螺旋錐齒輪制造材料22CrMoH進(jìn)行了端淬試驗(yàn)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(jìn)行相變動力學(xué)、靜態(tài)力學(xué)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(guān)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(yàn)證材料模型并確定淬火邊界條件，設(shè)計(jì)螺旋錐齒輪的淬火試驗(yàn)，測試?yán)鋮s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(yàn)參數(shù)，建立對應(yīng)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(jì)算與測試結(jié)果，驗(yàn)證了上述模型與邊界條件的準(zhǔn)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(jī)理。根據(jù)工藝參數(shù)對變形的影響關(guān)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(yàn)證計(jì)算分析結(jié)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(xué)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(nèi)部為貝氏體。淬透性主要影響齒輪基體內(nèi)部微觀組織，低淬透性齒輪基體內(nèi)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(nèi)部不同的組織轉(zhuǎn)變及相變發(fā)生

7、順序，導(dǎo)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(nèi)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(nèi)外環(huán)模具載荷及機(jī)床底面斜度的分布規(guī)律?？紤]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(jī)床底面斜度，確定最優(yōu)工藝參數(shù)為內(nèi)外環(huán)模具載荷分別為250 psi和350 psi，機(jī)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(jì)算結(jié)果與之吻合較好。優(yōu)化后的工藝參數(shù)同時(shí)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(fù)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(dǎo)致齒頂和齒根表層材料的剝落，降低輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度，易造成輪齒的折斷。