針對(duì)某低碳合金鋼齒輪滲碳淬火后因齒輪平面扭曲變形大而報(bào)廢的現(xiàn)象，通過變形檢測(cè)，對(duì)熱處理工裝、毛坯原材料及正火工藝等影響因素進(jìn)行分析，表明正火預(yù)處理不合格是造成齒輪變形的重要原因。闡述了等溫正火預(yù)處理對(duì)防止齒輪熱處理變形所具有重要的作用。
浙江雙環(huán)傳動(dòng)機(jī)械股份有限公司是一家專業(yè)生產(chǎn)汽車齒輪、摩托車齒輪、電動(dòng)工具齒輪及工程機(jī)械齒輪的企業(yè)。在齒輪滲碳處理過程中，常遇到滲碳淬火后因齒輪平面扭曲變形大而報(bào)廢的現(xiàn)象，因此需分析確認(rèn)產(chǎn)生缺陷的原因，提高熱處理質(zhì)量，以減少廢品損失。
一、問題的提出
某齒輪產(chǎn)品熱處理已正常生產(chǎn)多年，但有一批次突然出現(xiàn)大批量磨齒不合格問題。產(chǎn)品檢測(cè)位置如圖1所示，檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。
由圖 2 可知，靠近根圓的端面平面度為 0.02mm，軸向圓跳動(dòng)為0.19mm，偏擺儀檢測(cè)的軸向圓跳動(dòng)為0.22mm，說明工件端面與硬車的內(nèi)孔傾斜較大，即工件熱處理后端面產(chǎn)生了扭曲變形。磨不出的狀態(tài)分圓周局部區(qū)域大面積磨不出和齒角小面積磨不出兩種，如圖3、圖4所示。
無論是局部區(qū)域大面積磨不出還是齒角小面積磨不出，均說明齒端面扭曲，造成局部加工余量不足。對(duì)于大面積磨不出齒輪，表現(xiàn)為齒的一端磨不出，存在齒根沉切現(xiàn)象，另一端出現(xiàn)齒根臺(tái)階(見圖3)。檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。
二、原因分析
檢測(cè)
軸向圓跳動(dòng)檢測(cè)如圖6所示，利用專業(yè)軟件檢測(cè)的齒輪變形情況如圖7所示。
從圖7可看出，軸向圓跳動(dòng)為0.22mm時(shí)，會(huì)導(dǎo)致磨前齒坯存在0.083的V值(螺旋線傾斜偏差的變化量)，這是導(dǎo)致齒面不能磨齒的直接原因。
經(jīng)檢測(cè)和計(jì)算，所有齒厚方向的誤差累積約 0.18mm，導(dǎo)致加工余量不足，在fHβ(螺旋線傾斜偏差)較大的齒體現(xiàn)出不能磨出。
影響因素
(1)熱處理工裝 經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用的工裝有2種：一種是T字形(見圖8)，另一種是十字形(見圖9)。其中，T字形工裝是舊工裝，使用已超3年;十字形工裝為新工裝。齒輪熱處理采用十字形工裝，受力后無明顯變化，可正常平行移動(dòng);齒輪熱處理采用T字形工裝，受力后零件存在上下翹曲現(xiàn)象，在前后移動(dòng)時(shí)，推至到一邊明顯有突然下沉現(xiàn)象且無法正常移動(dòng)。
采用十字形工裝時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽取同一層6件齒輪進(jìn)行硬車，有4件齒輪軸向圓跳動(dòng)≤0.05mm，2件軸向圓跳動(dòng)在0.07mm左右;磨齒后驗(yàn)證，未發(fā)現(xiàn)黑斑現(xiàn)象。
采用T字形工裝時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽取同一層4件齒輪(4個(gè)角各1件)進(jìn)行硬車，有2件齒輪軸向圓跳動(dòng) ≤0.05mm，2件軸向圓跳動(dòng)在0.12mm左右;磨齒后驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)軸向圓跳動(dòng)0.12mm的2件中，1件未發(fā)現(xiàn)黑斑現(xiàn)象，另1件發(fā)現(xiàn)很小的黑斑點(diǎn)未磨出(見圖 4)。生產(chǎn)實(shí)踐表明，T字形工裝不平整，導(dǎo)致齒面少部分磨不出。但沒有出現(xiàn)大面積區(qū)域磨不出。由于工裝使用已有3年時(shí)間，這個(gè)產(chǎn)品沒有連續(xù)出現(xiàn)批量磨不出現(xiàn)象，因此與工裝關(guān)系不大。
(2)原材料及毛坯 齒輪材質(zhì)采用國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的SCM420H鋼，且一直沒有變化，毛坯鍛造廠家也沒有更換。為查明原因，首先檢查毛坯正火質(zhì)量，從生產(chǎn)線上取2件滾齒調(diào)試毛坯，檢測(cè)金相組織，如圖10、圖11所示。毛坯金相組織要求晶粒度≥5級(jí)，貝氏體(根據(jù)用戶提供的金相照片，在200×下檢測(cè))<10%，硬度160～190HBW。實(shí)際檢測(cè)，件1硬度為183～186HBW，件2硬度為187 ～191HBW，存在大量貝氏體組織，金相嚴(yán)重不合格。于是又對(duì)來料送檢樣件進(jìn)行金相組織檢測(cè)，結(jié)果如圖12所示。檢測(cè)結(jié)果顯示，金相組織合格，硬度為175～176HBW。由此可看出，整個(gè)批次工件正火不均勻，說明工件變形不合格與正火金相組織不合格有很大關(guān)系。
(3)正火工藝驗(yàn)證 為了驗(yàn)證正火是否存在問題，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)偏磨工件(經(jīng)熱處理后磨削)進(jìn)行退火試驗(yàn)，并檢測(cè)金相組織。退火工藝過程如下。
1)從工件上切下試塊，如檢測(cè)硬化層深度的樣式，齒根下至少有10mm。
2)切割后的試塊用煤油清洗干凈，最好放入 CuSO4溶液中浸泡，然后烘干。
3)置于專用退火容器(端面密封)中，放入足夠數(shù)量的鑄鐵屑保護(hù)，并將鐵屑充填在試塊周圍，密封后放入實(shí)驗(yàn)室專用熱處理爐中。
4)加熱至(900±5)℃，保溫60min。
5)去除容器，室溫緩冷。
6)切開試塊檢測(cè)金相組織，結(jié)果如圖13所示。從圖13可看出，退火組織正常，雖然稍微有點(diǎn)混晶，但應(yīng)該不是最大原因，也有可能是退火改善了組織。
隨后對(duì)正火工序進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)這個(gè)產(chǎn)品由 2個(gè)公司進(jìn)行正火處理，一個(gè)是外協(xié)定點(diǎn)公司，一個(gè)是公司內(nèi)部。通過對(duì)公司內(nèi)部工件正火質(zhì)量進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)鋼材爐號(hào)是0015728Z，顯示正火混晶，同時(shí)發(fā)現(xiàn)外協(xié)件也是同爐號(hào)產(chǎn)品。公司內(nèi)部正火產(chǎn)品還處于毛坯狀態(tài)，沒有轉(zhuǎn)入生產(chǎn)線也沒有返修。首檢第一料筐工件金相組織如圖14所示，硬度177 ～179HBW，局部混晶，不合格，復(fù)檢第一料框工件金相組織如圖15所示，硬度166～167HBW，合格。第二料框工件抽檢金相組織如圖16所示，硬度 170～173HBW，金相組織局部混晶，不合格。由于同是一個(gè)鋼材爐號(hào)的產(chǎn)品，正火有的工件合格，有的工件不合格，因此為了驗(yàn)證本批次工件變形是否與正火有關(guān)，對(duì)于公司內(nèi)部正火的產(chǎn)品全部進(jìn)行二次正火。正火金相組織如圖17所示，硬度170～ 173HBW，金相組織、硬度均合格。對(duì)于公司內(nèi)部經(jīng)過二次正火的工件進(jìn)行滲碳淬火，經(jīng)磨齒后，質(zhì)量恢復(fù)正常，沒有出現(xiàn)批量的廢品，同時(shí)也驗(yàn)證了正火組織出現(xiàn)粒貝組織，混晶對(duì)熱處理變形是有影響的。
三、驗(yàn)證結(jié)果
該產(chǎn)品已經(jīng)批產(chǎn)3年多，原材料、鍛造、正火、滲碳淬火及磨齒等生產(chǎn)工序均正常，而此次兩家公司同時(shí)出現(xiàn)正火組織貝氏體超差、混晶，且有輕微的帶狀組織，經(jīng)驗(yàn)證與原材料有很大關(guān)系。通過正火過程管控，經(jīng)二次正火后達(dá)到技術(shù)要求，使生產(chǎn)順利進(jìn)行，體現(xiàn)出正火預(yù)處理的重要性。
四、結(jié)束語
通過上述案例表明，正火對(duì)于齒輪滲碳熱處理是一個(gè)非常重要的預(yù)處理工序，同時(shí)也證明合格的等溫正火預(yù)處理，對(duì)于防止齒輪熱處理變形具有重要的作用。
參考文獻(xiàn)略.