大型齒圈結(jié)構(gòu)特點在于其壁薄、徑長比（外徑/ 齒寬）大，其滲碳淬火畸變大、不規(guī)則且難以控制，較大畸變量直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和后序的加工效率，導(dǎo)致后序加工余量不均勻，影響齒面有效硬化層深和齒面硬度，從而降低齒圈的強度、承載能力和疲勞強度，最終降低齒圈的使用壽命。

1零件概況

以某大型薄壁齒圈，材質(zhì)為20CrMnMo，螺旋角7°右旋，齒面要求硬度58~62 HRC，心部要求硬度30~42 HRC，工藝有效硬化層深3.3~3.8 mm，橢圓度要求< 3 mm，成品示意簡圖見圖1。圖1所示齒圈，滲碳后直徑縮小1~3mm，采用硝鹽淬火后直徑漲大5~7mm，即漲大0.18％一0.25％D。對于齒圈而言，畸變分兩種類型：一種為規(guī)律性的整體漲大縮小量，一般通過對齒頂圓及滾齒留磨量控制來保證成品齒部精度；二種為無規(guī)律性畸變，即橢圓 、翹曲、錐度等，該類畸變影響因素較多，材料均勻性鍛造、機加工殘余應(yīng)力、結(jié)構(gòu)、裝架方式、滲碳淬火工藝等均會導(dǎo)致畸變。若殘余機加工應(yīng)力未徹底消除，后續(xù)熱處理中齒圈將發(fā)生與殘余應(yīng)力成正比的畸變。齒圈徑長比越大，滲碳收縮量越大，淬火漲大量越大；齒寬越大，產(chǎn)生錐度越大；當結(jié)構(gòu)對稱且簡單、徑長比小，壁厚/齒寬值大時，滲碳淬火畸變較小。

2畸變控制

2.1機加工設(shè)計

該齒圈工藝路線：鍛造一鍛后正、回火一粗車一調(diào)質(zhì)預(yù)處理一半精車一人工時效一滾齒一滲碳淬火、回火一拋丸一精車一人工時效一精車一磨齒一成品。

考慮淬火將導(dǎo)致外圓漲大以及螺旋角變大，因此工藝設(shè)計通過減小半精車齒頂圓以及滾齒螺旋角來保證硝鹽淬火后齒圈齒頂圓、公法線及齒形齒向符合圖紙要求。樣本齒圈成品內(nèi)孔有凸臺，其結(jié)構(gòu)不對稱、厚薄懸殊大等對熱處理畸變有負面影響，因此機加工設(shè)計將內(nèi)孔臺階留至精車加工，如圖2所示。

2.2預(yù)處理

預(yù)處理若采用正火加高溫回火，熱處理后組織為珠光體加鐵素體，甚至產(chǎn)生非平衡組織貝氏體，由于空氣冷卻不均勻，正火組織均勻性較差。由于油介質(zhì)冷卻均勻性及速度均優(yōu)于空氣，調(diào)質(zhì)將獲得均勻的回火索氏體組織，可以改善或消除鍛造產(chǎn)生的原始組織不均勻性，使齒圈力學(xué)性能均勻性提高。鍛后正火熱處理可以改善鍛造組織，細化品粒，調(diào)質(zhì)預(yù)處理將均勻組織、減小后續(xù)熱處理畸變，兩者結(jié)合對于改善滲碳淬火組織及畸變十分有效。

2.3滲碳裝爐

滲碳齒圈疊加，相當于增加齒寬，使徑長比減小，有利于減小翹曲、橢圓畸變，其裝爐方式如圖3 所示。滲碳后冷卻時，疊加齒圈上下端面冷卻相對較快，其收縮量相對較大，產(chǎn)生腰鼓形特征。由于降溫至650 °C之前在爐內(nèi)冷卻，冷卻均勻，齒圈在剛性較差的高溫區(qū)產(chǎn)生的橢圓、翹曲畸變較小，所以僅產(chǎn)生腰鼓形特性，如圖4所示。

2.4滲碳工藝

工藝路線采用重新加熱淬火，重新加熱可防止20CrMnMo長時間滲碳產(chǎn)生的晶粒粗化問題，同時可通過對滲碳后畸變測量、校正以及組織檢測來調(diào)整淬火工藝。滲碳升溫越快，產(chǎn)生熱應(yīng)力越大，與殘余機加工應(yīng)力疊加，將產(chǎn)生較大畸變，因此必須階梯升溫。滲碳必須低溫出爐，若760°C出爐，滲層將產(chǎn)生不均勻相變將在次表面產(chǎn)生淬火馬氏體組織，比容增大，表面受拉應(yīng)力，尤其在冬日,20CrMnMo鋼工件置人緩冷坑時，產(chǎn)生裂紋幾率大增，而且淬火馬氏體組織將使?jié)B碳畸變增加。滲碳后期650°C保溫將使表面獲得均勻的共析組織，消除應(yīng)力，為淬火做準備。

2.5滲碳后校正

對于硝鹽介質(zhì)而言，滲碳畸變量與淬火畸變量間存在一定比例關(guān)系，一般淬火橢圓畸變量在滲碳畸變基礎(chǔ)上增加30％一50％，一定意義上控制滲碳畸變即可有效控制淬火后畸變，因此控制滲碳畸變或者說控制淬火前畸變成為關(guān)鍵節(jié)點。若滲碳后檢測發(fā)現(xiàn)橢圓大則需進行校正。校正采用千斤頂對整體加熱齒圈橢圓短軸熱頂，若齒圈加熱溫度低，如 280°C，此時齒圈強度高，且低溫時彈性區(qū)大，發(fā)生塑性變形難度大，隨著溫度升高，彈性區(qū)將減小，校正難度降低；若加熱溫度太高則操作困難，實踐證明加熱至550°C校正效果較好，彈性區(qū)大幅降低，低應(yīng)力即可產(chǎn)生塑性變形。實踐證明滲碳后校正加去應(yīng)力處理，淬火后畸變不會反彈，通過滲碳后校正有效解決淬火畸變累積問題。

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