在齿轮传动机构中，齿轮是整个装置中的关键零件，技术规范对其要求相当严格。其中齿轮在热处理过程中的变形问题是实践操作中的难点，究其原因主要有以下几个方面：首先，磨齿预留余量小。磨齿工艺规定的磨削余量与模数相关联，如模数是 6 的单边磨齿余量是 0.25mm，模数是 9.8 的单边磨齿余量是 0.35mm。要保证磨削顺利，不产生黑皮或者凸台，其热处理变形必须控制在磨削余量的数值之内;其次，影响因素多。热处理变形涉及的影响因素非常多，例如原材料、锻造质量、预备热处理的质量、装卡方式、热处理工艺、热处理设备的稳定性等。所以，研究热处理变形需要考虑的因素非常多，在众多因素中必须要识别出影响齿轮变形的主要因素，针对具体情况制定相应的措施。本文分析了实际生产中齿轮渗碳淬火的热处理变形，提出有效的热处理变形控制手段。

　　1 齿轮的结构和热处理工艺

　　1.1 齿轮的结构

　　齿轮的结构如图 1 所示，具体设计参数见表 1。该齿轮直径和齿宽的比值超过 5，腹板较薄，齿数多，在热处理时变形趋势大。

图 1 齿轮结构

表 1 齿轮参数

　　1.2 热处理工艺

　　齿轮渗碳淬火在箱式多用炉内进行，热处理工艺路线如图 2 所示。首先进行 430℃预氧化，然后 700℃均温，再在 930℃渗碳，渗碳结束后随炉降温至 860℃均温后出炉空冷。淬火前进行 660℃高温回火，然后 750℃均温后在 840℃淬火冷却方式是油冷。最后进行 2 次 180℃低温回火。由于炉子有效装炉尺寸是长 1500 mm×宽 900 mm×高 800 mm，渗碳时每炉装 2 件，下面的齿轮用等高垫块做 3 点均布支垫;淬火时将上面的齿轮翻转 180 度后摞装，而下面的齿轮同样用等高垫块 3 点均布支垫，见图 3。

图 2 齿轮热处理工艺

图 3 渗碳淬火时的齿轮装炉方式

　　1.3 齿轮热处理变形机理分析

　　按照上述热处理工艺和装炉方式进行渗碳淬火后的 4 个齿轮变形数据如表 2 所示(渗碳后测量 0°、180°，上下表面 4 个值并做标记，回火后测量对应的 4 个值)。由测量所得数据对比可以看出，渗碳后齿轮的变形形式是椭圆畸变和锥度，淬火后的变形形式是椭圆畸变、锥变以及扭曲。现对椭变、锥变、扭曲 3 种变形形式分别进行分析。

　　表 2 齿轮变形数据

　　椭圆畸变是由于原材料成分不均匀、锻造不均匀或者热处理装炉时装卡方式不当造成齿轮受力不均匀，气氛、热量循环不畅而引起齿轮不对称变形。从表 2 的数据可以看出采用图 3 的装炉方式渗碳和淬火后的椭圆变形并不大，只有 0～0.2mm 完全在可接受的范围内。

　　产生锥度的原因主要是齿轮在高温状态下保温，自身重力会使力矩最大的轮缘处随着时间的延长不断产生高温蠕变，最终形成一种伞盖形状的变形。由表 1 所列数据可得渗碳和淬火之后占主导作用的变形是锥变，数值为 0～1mm。

　　扭曲变形一般产生于淬火之后，是各种变形综合作用的结果。淬火前残存的机加工应力、热处理应力以及淬火本身的应力相互作用导致齿轮产生扭曲。淬火时冷却的瞬间，过冷奥氏体不能均匀的转变为马氏体也会造成扭曲变形。装炉时齿轮支撑方式不当，在快速冷却时也产生扭曲变形。由表 2 可知扭曲产生于淬火后，如编号 1 齿轮淬火后锥度出现正和负两个数值。

　　2 齿轮渗碳淬火变形的控制方式

　　2.1 工艺过程控制

　　为控制上述 3 种变形，在工艺中采取的措施为：

　　(1)采用430℃的预氧化方法使得工件表面均匀形成一层 Fe3O4， 这样可以均匀的吸附还原性气氛，获得的渗层更加均匀，有利于改善各种畸变。

　　(2)在升温阶段要注意缓慢升温，使工件内、外不致于产生大的温差，一般采用 70℃/h 的升温速度，在弹塑性转变点约 500℃附近更要注意缓慢升温，否则就会由于加热太快致使齿轮产生扭曲。

　　(3)升温时在接近相变点的温度设置均温段，因为材料在相变点附近会发生组织转变，若能提前进行均温，就可以使相变过程均匀稳定且转变加快，可以有效减少因组织转变引起的变形。

　　(4)渗碳阶段要选择层深范围的下限，这样可以减少渗碳时间;在不影响渗速的前提下，选取低的渗碳温度，如在本次工艺中选取 930℃作为渗碳温度。这些措施可以有效较少高温蠕变的时间。

　　(5) 淬火温度选取时，在兼顾心部组织的前提下，按照奥氏体转变点选取，如本次齿轮为 8822H 则选取淬火温度为 840℃。

　　(6) 淬火冷却过程中可以提高油温，淬火入油时不进行油搅拌，齿轮完全入油后进行油搅拌，如本次工艺中油温加热到 70℃，淬火入油时不搅拌油的时间为 4 s，工件入油后进行搅拌。

　　2.2 装炉方式控制

　　齿轮装炉方式对其变形也有很大影响。在本次工艺中采取的措施：

　　(1) 在最下面的齿轮轮毂处用等高块进行均布 3 点支垫。这是由于在实际工况下，热处理工装盘在反复加热冷却过程中自身会产生变形，采用 3 点支垫可以使工件自适应到一个平面，从而不受工装盘变形的影响。

　　(2) 齿轮摞装时，内孔要对齐，这样可以保证齿轮受力的均匀性，减少扭曲。轮缘处要保持间隙，这样可以使炉内气氛、热量、淬火油循环均匀流畅，轮缘与轮缘之间也不会因为自身的变形相互造成二次变形。

　　(3) 由图 3 可知， 渗碳时两件齿轮均是上端面大下端面小，在淬火时我们可以利用反变形的方法减少变形，即将上面一件齿轮翻转 180°与下面一件上、下摞装淬火。在淬火过程中下面一件齿轮的下端面先入油冷却，两个齿轮中间间隙由于工件自身热量冷却相对慢，上面一件齿轮的上端面油的流动性好，且无热源影响冷却快。根据淬火规律，冷却快的面会凸出尺寸变大，冷却慢的面会变凹陷，尺寸变小。这样可以进一步减小齿轮渗碳时的锥度。

　　2.3 齿轮变形量的判断

　　由于机械加工只规定了磨齿时的余量，并未说明对应的变形量是多少，所以在实际操作中，需要判断控制变形后的齿轮是否满足加工要求，还需将变形数值转换为磨量。由图 4 可以得出公式：

　　δ=L×sinα (1)

　　式中：δ 为理论所需的最小单边磨齿量;椭变和锥变时，L 为椭变量或锥变量最大值的一半；扭曲时，则 L 为最大与最小锥变量和的一半；α 为齿轮的齿形角。

　　图4 齿轮变形量与齿面磨削量的关系示意图

　　该齿轮的工艺规定，单边磨齿余量为 0.35 mm。按上面公式计算表 2 中的齿轮最小单边磨齿量分别为 ：1^# 齿轮 δ =0.1sin22.5° ≈0.04 mm；2^# 齿轮 δ = 0.2sin22.5° ≈0.08 mm；3^# 齿轮 δ =0.25sin22.5° ≈0.1 mm；4^# 齿轮 δ=0.5sin22.5°≈0.2 mm，均小于规定的磨齿余量 0.35mm，满足磨齿需求。磨齿机预磨时每次的进刀量均为 0.05 mm， 渗碳淬火处理后进行磨齿也均顺利完成，具体磨齿齿面光亮的进刀量如表 3 所示。

　　表3 磨齿齿面见亮的进刀量

　　采取上述预防热处理变形的措施，可以有效控制齿轮渗碳淬火产生的变形，使齿轮在规定磨齿余量内齿面见亮，保证了产品质量，降低了生产成本，取得了满意的效果。

　　3 结论

　　(1)齿轮平装时，渗碳过程的主要变形是锥变，淬火过程的主要变形是锥变和扭曲。

　　(2)渗碳淬火过程中采用预氧化工艺、缓慢升温、相变点附近均温、缩短渗碳时间、选取较低的渗碳温度和淬火温度、淬火入油时不搅拌、完全入油后搅拌油池，这些措施都可以减小齿轮的变形。

　　(3)淬火时，将齿轮反置 180°放置，使渗碳时尺寸变小的一面处于冷却速度快的位置，可以有效减小齿轮渗碳过程中形成的锥度。装炉时，最下面的齿轮与料盘之间要用等高块间隔，摞装时要上下对齐，这样可以保证齿轮受力的均匀性，减少扭曲。轮缘处要留间隙，避免轮缘与轮缘之间因自身的变形导致二次变形。

　　(4)利用公式计算齿轮变形量 δ，可以初步估算齿轮变形是否在磨齿的允许范围之内。