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      幾種齒圈的熱處理畸變控制方法

      作者:浙江三歡齒輪有限公司 瀏覽: 發表時間:2022-01-04 11:26:39

      幾種齒圈的熱處理畸變控制方法

      由于齒圈直徑和齒圈寬度(或高度)之間的巨大差異,在熱處理過程中經常出現內孔圓度、端面平面度和錐度變形的超差問題。齒圈熱處理變形是熱處理過程中最常見的缺陷之一。

      齒圈加工工序復雜,變形合格率低,加工余量大,次品率高,成本高,產品精度低,噪音大,嚴重影響其使用壽命。因此,通過冷加工和熱加工的配合,優化工藝,改進夾(爐)方式,采用先進的熱處理工藝和設備等。,可以提高齒圈熱處理變形的合格率和加工精度,降低產品的加工成本,減少廢品和次品。

      改進和優化熱處理過程控制齒圈變形

      1.采用預處理工藝減少大滲碳齒圈變形

      大齒圈φ2180mm(外徑)× φ 1750 mm(內徑)×550mm(寬度)采用17CrNiMo6鋼,熱處理變形要求嚴格。但滲碳淬火后,齒頂通常會大量升高4 ~ 5毫米,有時可達6 ~ 7毫米,因此采取以下控制措施:

      (1)預處理工藝的制定

      調質工藝,即860℃加熱淬火(比最終淬火溫度高20~30℃),650℃回火。最好將內孔直徑的增加控制在8 ~ 10毫米以內..之后按照正常的工序,經過滲碳、冷卻、風冷后,再在(820±10)℃下浸泡,在170℃的硝酸鹽浴中淬火冷卻,然后在210℃下回火兩次,齒頂圓直徑僅比滲碳淬火前大2mm左右,滿足預期的增加,且齒圈的圓度、上下錐度滿足要求。

      (2)工藝要點

      調質時嚴格控制淬火溫度,如果溫度過低,對減少脹大變形不會起到很好的作用;相反,如果溫度過高,滲碳淬火后的齒頂圓尺寸可能會縮小,因此需要進行測試。

      2.改進熱處理工藝,減少三輪車驅動齒圈熱處理變形

      三輪車變速箱驅動齒圈(見圖1),材質為20CrMnTi鋼,熱處理技術要求:碳氮共滲深層為0.6~1.0mm,齒面和中心硬度分別為58~64HRC和35~48HRC,螺紋孔與單鏈槽的位置公差為0.05 mm。

      裝料前10個M8螺孔用防滲漆封堵,850~860℃碳氮共滲后直接淬火回火。檢查后發現螺紋孔和單鏈槽位置超差,防滲涂層不易脫落。改進后的工藝和效果如下:

      (1)改進流程。

      成齒→碳氮共滲后緩冷→車削(切削)滲層、拉(切)鍵槽、鉆孔攻絲→850 ~ 860℃加熱淬火→低溫回火→壓蓋(保護螺孔)噴丸→磨(切)網→檢驗。

      (2)改善效果

      經檢驗,從動齒圈熱處理變形合格率在95%以上。

      3.用新的熱處理工藝和新的工裝控制大型齒圈熱處理的變形。

      礦用磨機減速機齒圈,外形尺寸為φ1631mm(外徑)× φ 1364mm(內徑)×300mm(寬度),單件質量為1434kg,正常模數為20mm,齒數為78,材質為20CrNi2MoA鋼,需要滲碳淬火。

      (1)修訂齒圈技術要求

      為了控制和減少齒圈熱處理的變形,修改了一些技術要求。改裝齒圈的技術要求見表1;滲碳前調質處理,調質硬度為217 ~ 255 HBW;有效硬化層為3.90 ~ 5.10 mm。

      (2)新技術

      鍛造后正火改為正火+高溫回火。滲碳后增加球化退火工藝,保證滲碳層碳化物粒度≤1 μm,球化退火工藝如圖2所示。圖2中工藝A和工藝B得到的結果基本相同。

      新工藝路線:鍛造→正火+高溫回火→粗車→探傷→淬火回火→精車銑齒→滲碳→球化退火→淬火回火→拋丸→精車鏜孔及兩平面→磨齒→鍵槽插入→探傷→產品。

      工裝設計:設計上下壓蓋,控制齒圈變形。詳見圖3。

      (3)測試結果

      齒圈表面硬度、芯部硬度、有效硬化層深度均滿足技術要求;齒圈表面碳濃度為0.76%(質量分數),分段球化退火后碳化物粒度達到0.5微米。顯微組織馬氏體和殘余奧氏體為2級,碳化物為1級,中心鐵素體為2級。機械性能指標符合圖紙技術要求;齒圈畸變試驗表明,內孔圓度為0.90mm,齒頂直徑變化為+3.1~+4.0mm,普通法線變化為+0.2~+0.6mm,均滿足技術要求。

      4.改進熱處理工藝,采用模具校正方法控制大型超薄齒圈滲碳淬火變形。

      超薄內徑齒圈,外徑φ1120mm(外徑)× φ 944 mm(內徑)×260mm(寬度),材質17CrNiMo6鋼,重量550kg,熱處理技術要求:滲碳淬火有效硬化層深度2.40~2.90mm,齒面和中心硬度分別為58~62HRC和32 HRC。熱變形后要求:錐度≤1.35 mm,圓度≤1.35mm,普通法線偏差≤0.7‰,齒頂圓壓下量≤1.5‰。

      (1)原始加工路線、工藝和齒圈變形問題

      原加工路線:鍛坯粗車→鉆孔→插齒→滲碳淬火→拋丸→精車→磨齒→成品。原滲碳工藝路線為:預熱650℃×1h→滲碳(930±10)℃×50h→冷卻、保溫830℃×2h→出料前→出風冷卻→高溫回火680℃×4h→淬火加熱(820±10)℃×2.5h→硝酸鹽等溫淬火(160±10)。齒圈清洗后涂防滲漆,每爐5片,滲碳氣氛富含甲醇和異丙醇。經檢驗,其他項目符合技術要求,但齒圈有較大畸變。

      (2)改進流程。

      齒圈齒輪成形前粗加工后,進行高溫正火。為了降低殘余應力和熱應力,降低滲碳溫度,增加前期步進加熱的級數。改進后增加了400℃和850℃等溫段,并適當降低了淬火溫度。檢查后齒圈失真降低一個等級,但有時失真超出公差范圍。滲碳過程如圖4所示。

      滲碳淬火工藝和齒圈淬火冷卻均采用模具校正法。齒圈滲碳校正淬火工藝曲線如圖4所示。模具被校正和淬火,模具和齒圈一起冷卻,使得齒圈在冷卻過程中被迫通過模具被校正。在隨后的長期回火過程中,消除了淬火和冷卻過程中產生的應力,穩定了齒圈的尺寸,防止了變形反彈。失真測試結果理想。

      5.通過調整熱處理工藝減少齒圈變形

      在TY320、TY220、D65等齒輪箱中,JT001 齒圈的外齒直徑為318.1毫米,內齒直徑為251.7毫米,寬度為51.5毫米,材料為調質硬度為262 ~ 302 HBW的42CrMo鋼;滲氮后的δ m要求≤ 0.10mm。

      (1)原始熱處理工藝和變形

      毛坯正火(880℃×3h)+粗車后調質(鹽浴820℃×0.5h,油淬+回火)+矯正+精車后時效處理(300℃×5h)+插齒+離子滲氮(520℃),然后爐內冷卻。經檢驗,M值和偏差超出公差范圍,齒圈畸變合格率僅為70%左右。

      (2)改進流程和效果。

      將原來的先淬火回火,再校正,再氮化改為先校正,再淬火氮化。齒圈畸變合格率達到98%以上,齒圈δ m值的變化從調整前的最大值0.46mm下降到0.10mm淬火和回火后。時效溫度從300℃提高到560℃,既保證了加工應力的充分釋放,又比滲氮溫度高了30~50℃,從而使滲氮齒圈㎡的畸變最小化,δ m的最大值從調節前的0.22mm降低到調節后的0.08mm。

      6.通過調整工藝流程,解決高頻淬火40Cr鋼齒圈變形超差問題。

      齒圈(見圖5),材質為40Cr鋼,技術要求:調質硬度28~32HRC,齒高頻淬火硬度48~52HRC,齒圈跳動< < 0.048mm

      (1)高頻淬火工藝和齒圈變形問題

      高頻淬火工藝的電氣參數,電流頻率為250kHz,陽極和柵極電流分別為7~7.5A和1.4~1.7A,加熱時間為30~40s,冷卻水壓力≥0.2MPa。

      高頻淬火時,φ30mm孔附近的冷卻速度快,而遠離φ30mm孔的冷卻速度慢。正是這種冷卻速度的不均勻性導致齒圈跳動量超出公差范圍。

      (2)改進工藝流程和效果。

      改進后的工藝流程為:鍛造→粗車→淬火回火→外圓內孔精車→滾齒去毛刺→剃齒去毛刺→清洗→齒高頻淬火→兩端空刀精車→鉆孔擴孔角→鉆孔攻絲→拉單鍵槽→去毛刺噴砂→清洗入庫。改進效果:調整工藝流程后,齒圈高頻淬火后跳動在公差要求內。

      7.采用碳氮共滲工藝,減少內部齒圈淬火畸變。

      重型自卸車轉向機構內齒圈,外形φ444mm(外徑)× φ 372.88 mm(內徑)×140mm(齒寬),材質20CrMnTi鋼,熱處理技術要求:表面碳濃度0.8%~1.0%(質量分數),共滲層深度1.1 ~ 1.5 mm,顯微組織為馬氏體,殘余奧氏體≤4級,碳氮化物≤5級。

      (1)內部齒圈處理流程

      下料→鍛造→粗加工→預熱處理(正火)→機加工→碳氮共滲→質檢→噴砂→產品檢驗→入庫。

      (2)熱處理碳氮共滲工藝

      愛協林密封箱式多用爐用于氣體碳氮共滲、冷卻和直接淬火。過程如圖6所示。870℃×6h碳氮共滲,強滲碳電位0.95%,870℃×2h擴散,碳勢0.65%,冷卻至840℃×0.5h,快速緩慢冷卻。

      (3)熱處理和二次加熱淬火工藝

      經過氮碳共滲、緩冷、再加熱和內支撐壓緊淬火。工藝如圖7所示,淬火加熱830℃×40分鐘。采用質量分數為10%~15%PM的淬火冷卻介質,傳遞時間為20s,冷卻時間為10s,出口溫度為150~180℃,近似壓力淬火。使用專用工具支撐內孔,然后回火。

      (4)工裝和裝爐方式

      內徑與外徑之比inner 齒圈遠大于1/2,壁薄,淬火時易發生圓度畸變,應避免重疊堆垛,以減少重力影響。齒圈應具有合理的間距,以確保均勻的圓周冷卻。

      (5)淬火變形及控制

      根據熱處理情況,預留大量余量,保證尺寸精度;選擇二次加熱淬火工藝;用淬火壓機淬火;淬火后,超差圓度零件用專用工裝進行整形和回火。

      (6)測試結果

      表面硬度為60~65HRC,芯部硬度為38~40HRC,馬氏體和殘余奧氏體為1級,碳氮化物為1級,外徑圓度為0.13~0.30mm,均合格。

      8.50Mn2鋼齒圈的中頻淬火熱處理

      齒圈尺寸為φ322mm(外徑)× φ 281 mm(內徑)×齒圈77 mm(寬度)。材料為50Mn2鋼。中頻淬火的技術要求是:表面硬度50~55HRC,齒根硬化層1~4mm,相當于40HRC。齒圈累積節距誤差< < 0.10毫米,齒向誤差< < 0.055毫米,齒廓誤差< 0.035毫米。

      (1)中頻淬火機床和感應器

      中頻淬火機床的額定功率不能低于400千瓦。傳感器由5匝14mm×14mm銅方管制成,具有傳感器高度,齒圈與傳感器之間留有間隙。圖8是傳感器的示意圖。

      (2)中頻加熱淬火規范

      齒圈電感與電感之間預留間隙:考慮到導磁體對磁場分布的影響因素,將電感直徑增大到b+2mm。同時,將傳感器的高度增加到+3毫米。電加熱規格:最大輸出電壓540V,最大輸出電流430A,頻率8000Hz。齒圈加熱到22秒時,加熱區域變成鮮紅色,完全達到淬火溫度。加熱方式采用同步加熱淬火方式。常見的比功率為0.8~1.5kW/cm2。淬火冷卻介質:采用霍頓公司生產的AQ251型淬火冷卻介質,配比濃度控制在9%~13%(質量分數)。

      (3)測試結果

      金相檢驗和尺寸檢驗完全符合技術要求。齒根硬化層深度為2.5 ~ 4.0毫米,齒跳動小于< 0.05毫米,齒廓跳動小于< 0.04毫米,圓周累積誤差小于< 0.1毫米

      采用先進的技術和設備控制齒圈失真

      1.采用齒圈模壓感應淬火回火新技術,控制高精度齒圈變形。

      (1)最新感應加熱成型淬火技術

      德國EMA最新的模具淬火工藝結合了感應淬火和壓力淬火的優點。它的主要優點是:熱量直接在齒輪內部產生,無熱傳導損失,加熱時間短,節能;加熱淬火速度快,過程容易控制,重復性好;易于形成高效率的生產線;無污染;熱處理變形小,齒輪最終尺寸精度高;硬化層分布均勻。

      該技術已成功應用于汽車零部件行業。適用于中碳鋼齒輪和滲碳齒輪的直接淬火,包括齒輪(環)、錐齒輪、同步環等高精度環形件。

      (2)工藝流程

      圖9是熱處理變形齒圈模壓感應淬火的流程圖。即畸變齒圈固定在非導磁定心夾緊裝置上(步驟1,夾緊裝置有強力底模和上模);通過電磁感應加熱到900℃左右(第二步,加熱溫度取決于材料,可通過紅外測溫儀監控);保溫一定時間后,齒圈達到相同或均勻的溫度,壓制上下模(步驟3);立即向齒輪噴灑淬火冷卻介質(步驟4);在步驟4中淬火之后,不需要模壓裝置。將傳感器移動到齒圈和校準心軸的組合位置(步驟5);然后,齒圈被回火和加熱(步驟6);隨著溫度的升高,齒圈略微膨脹,產生非常小的間隙(步驟7);從心軸的另一端拉出齒圈(步驟8)。校正芯軸(不銹鋼制成)可有效防止齒圈收縮。

      (3)工藝參數和結果

      工藝參數和結果見表2。從表2可以看出,齒輪變形小:同心度< 0.03毫米,圓度< 0.03毫米,平面度< 0.05毫米

      2.非對稱薄壁齒圈化學熱處理變形的控制方法

      薄壁齒圈尺寸φ162mm(外徑)× φ 111.4mm(內徑)×48mm(厚度),材質20CrMnTi鋼。技術要求:碳氮共滲層深度0.6 ~ 1.0毫米,表面和芯層硬度分別為58~64HRC和35~48HRC,內孔圓度小于0.10毫米。

      (1)原始設備、工藝和齒圈變形

      原熱處理采用連續滲碳爐和碳氮共滲工藝:強滲碳880℃→擴散860 ℃→冷卻淬火840℃。由于齒圈,結構復雜、壁薄、不對稱,碳氮共滲淬火后內孔圓度≥0.12mm,變形超差。

      (2)改進熱處理設備和工藝

      設備采用2-1-1多用爐生產線,設備溫度和碳勢控制均勻準確。滲碳層越淺,碳勢越低,畸變越小,滲碳層被精確控制在0.6 ~ 0.7毫米,金相組織被控制在1~2級。

      共滲工藝:860℃強滲→860℃擴散→830℃冷卻淬火(淬火采用金域Y35-ⅰ等溫分級淬火油)。經檢驗,內孔圓度控制在< 0.10mm以內,合格。

      3.采用40Cr鋼高頻淬火方法代替20CrMnTi滲碳淬火,減少內齒輪變形。

      聯合收割機內齒輪尺寸為φ315mm(外徑)× φ 268.2mm(內徑)×36mm(寬度),材料為20CrMnTi鋼,模數為4mm,技術要求為:熱處理后大端面平面度小于< 0.2mm;內孔圓度≤0.3毫米;滲碳層深度為0.9 ~ 1.3毫米;齒輪硬度為59~63HRC。

      (1)原始流程和齒圈失真問題

      原工藝:粗加工→滲碳→精加工→二次加熱淬火。熱處理后內孔變形大,內孔圓度在0.35-0.80mm之間,變形超差。

      (2)改進工藝和試驗結果。

      齒輪材質的改進:經主機廠同意,決定使用40Cr鋼。首先進行整體調質處理,保證齒輪中心的硬度(強度),然后對齒進行高頻淬火,保證變形不超差。新技術要求:齒坯調質硬度為269 ~ 289 hbw齒輪高頻加熱淬火后的硬化層為1 ~ 1.5mm;齒面硬度為50~54HRC。新工藝:齒坯粗加工→調質→精加工→高頻淬火。試驗結果:通過多次冷熱加工配合試驗,調整了熱處理前內齒輪參數M值,高頻淬火后滿足技術要求。用40Cr鋼高頻淬火代替20CrMnTi滲碳淬火也降低了成本,裝車后應用效果良好。

      失真校正方法齒圈

      齒圈淬火后橢圓的修正方法如下:

      (1)橢圓熱點校正方法

      熱點修正法是基于在齒圈外圓的凸起部分(橢圓長軸點)加熱,并立即快速冷卻,使凸起部分因冷縮而變小的原理。熱點校準可以通過乙炔氧或丙烷氧火焰加熱來校正。

      (2)具體操作

      具體而言,在橢圓長軸外徑的對稱部分有兩個熱點,在橢圓短軸內徑的對稱端有一個熱點。熱點后應立即快速冷卻(如水冷等)。).如果橢圓度過大,可以先用加熱反擊法粗略校正,再用熱點校正法校正,這樣可以得到滿意的結果。最后在170~200℃×1h的低溫下回火并復檢。

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