一种细长齿轮轴热处理变形控制工艺方法

技术领域

本发明涉及热处理技术领域，更具体地说，涉及一种细长齿轮轴热处理变形控制工艺方法。

背景技术

对于大型重载工程机械装备如石油行业的压裂泵中采用的齿轮轴而言，一方面为确保可靠性以及高的疲劳寿命，需要对齿轮轴齿部进行渗碳淬火处理从而提高齿面硬度。另一方面，由于零件长度较长，直径较小，长径比(长度/直径)在10以上，因此零件热处理过程中变形趋势较大，且由于零件为人字齿开在两轴端，跨距大，齿轮模数较小(模数小于8)，零件渗碳层深较浅，因此若零件发生较大的弯曲变形，则可能导致齿面磨齿后，齿面硬化层深磨削量较大，会导致齿面硬度降低或齿面硬度不均的情况。若零件发生扭转变形，则可能引发齿轮轴两端齿部对中误差大，甚至造成零件的最终报废。

综上所述，选择合理的热处理工艺来防止变形，使齿轮轴在热处理时及之后应力释放均匀，减少零件弯曲及扭转变形量，是该小齿轮轴能够成功制作的关键点和热处理的难点，也是目前本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种细长齿轮轴热处理变形控制工艺方法，该变形控制工艺方法可以有效地解决细长齿轮轴热处理过程中弯曲及扭转变形量较大，后续精加工后不能保证齿面有效硬化层深度和硬度，导致零件报废率高问题。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种细长齿轮轴热处理变形控制工艺方法，包括：

粗加工；

粗加工后对零件去应力退火处理；

滚齿，零件两端进行滚齿，预留齿面磨削余量；

渗碳处理，渗碳后检测零件变形方向及变形量；

加压校直淬火处理，根据所述零件变形方向及变形量，选取加压位置，并对应设置支撑部件；对应所述加压位置在零件上端放置加压重物；将所述零件与所述支撑部件及所述加压重物整体吊入淬火炉保温，而后整体吊出淬油；

淬火后进行低温回火去应力处理。

优选地，上述细长齿轮轴热处理变形控制工艺方法中，所述支撑部件包括支撑平板和支撑块，则所述选取加压位置，并对应设置支撑部件，具体包括：

设置支撑平板，选取加压位置，并对应设置支撑块，所述支撑块放置于所述支撑平板上。

优选地，上述细长齿轮轴热处理变形控制工艺方法中，所述支撑块包括相对设置的上支撑块和下支撑块，所述上支撑块和所述下支撑块上分别开设有用于夹持所述零件的凹槽，所述上支撑块的顶部放置所述加压重物以加载。

优选地，上述细长齿轮轴热处理变形控制工艺方法中，所述上支撑块和所述下支撑块的凹槽均为半圆形凹槽，所述半圆形凹槽的半径与对应支撑位置所述零件的半径一致。

优选地，上述细长齿轮轴热处理变形控制工艺方法中，所述选取加压位置，并对应设置支撑块，具体包括：

在所述零件的两端轴颈处、两端齿部轴颈处以及所述零件的中间位置分别设置所述支撑块，并在各所述支撑块的顶端加压以保证两端的齿部轴线与整个零件的轴线的一致。

优选地，上述细长齿轮轴热处理变形控制工艺方法中，所述支撑块的高度满足所述零件的齿部距所述支撑板的距离在100～200mm范围内。

优选地，上述细长齿轮轴热处理变形控制工艺方法中，所述加压校直淬火处理过程中，先进行600±100℃分段升温均温，而后升温至780～880℃的淬火温度，保温所述预设时间后，进行淬火冷却。

优选地，上述细长齿轮轴热处理变形控制工艺方法中，所述零件渗碳处理，具体包括：

零件渗碳处理，且渗碳过程中采用600±80℃、700±50℃、800±50℃分阶段均温2～4h，随后升温至900±20℃进行渗碳处理，渗碳完后随炉降温至800～700℃出炉空冷。

优选地，上述细长齿轮轴热处理变形控制工艺方法中，所述粗加工后对零件去应力退火处理，具体包括：

粗加工后对零件进行600±100℃的去应力退火处理。

优选地，上述细长齿轮轴热处理变形控制工艺方法中，所述淬火后进行低温回火去应力处理，具体包括：

淬火后进行150～250℃的低温回火去应力处理。

应用本发明提供的细长齿轮轴热处理变形控制工艺方法，先进行粗加工，并对非渗碳淬火部位预留精加工余量。粗加工后对零件去应力退火处理。而后对零件两端进行滚齿，预留齿面磨削余量。再进行渗碳处理，渗碳后检测零件变形方向及变形量。根据零件变形方向及变形量，选取加压位置，并对应设置支撑部件。对应加压位置在零件上端放置加压重物以加压，而后将零件与支撑部件及加压重物整体吊入淬火炉保温预设时间后，整体吊出淬油，淬火后再进行低温回火去应力处理。通过上述工艺过程，在淬火过程中通过设置支撑点，并在支撑点加压淬火，有效减小了淬火变形，合格品率大幅提升，废品率显著下降，解决了大跨度人字齿长齿轮轴变形控制难题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个具体实施例的细长齿轮轴热处理变形控制工艺方法的流程示意图；

图2为零件加压位置及方式示意图；

图3为支撑块的结构示意图；

图4为图3中A-A面结构示意图。

附图中标记如下：

第一支撑块11，第二支撑块12，第三支撑块13，凹槽2，支撑平板3，齿轮轴4。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种细长齿轮轴热处理变形控制工艺方法，以使齿轮轴在热处理时及之后应力释放均匀，减少零件弯曲及扭转变形量，以提升合格品率。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1为本发明一个具体实施例的细长齿轮轴热处理变形控制工艺方法的流程示意图。

在一个具体实施例中，本发明提供的细长齿轮轴热处理变形控制工艺方法，包括如下步骤：

S1：粗加工。

具体先根据零件的结构形式，设计合理的加工路线及去应力处理，根据工艺路线，对齿轮轴4进行粗加工，并对非渗碳淬火部位预留精加工余量。

S2：粗加工后对零件去应力退火处理。

由于零件长度较长，整体机械加工余量大，为防止过大的加工量而产生的机械加工应力，零件粗加工后，先对零件进行去应力退火处理，再进行后续加工。通过去应力处理消除零件加工应力，从而保证左右端齿部加工精度，减少热处理过程中由于机加应力的释放而产生的变形量。

S3：滚齿，零件两端进行滚齿，预留齿面磨削余量。

零件去应力退火后，再进行半精车及滚齿，具体工序过程及工艺参数等请参考现有技术中常规的细长齿轮轴4加工工艺，此处不作具体限定。

S4：渗碳处理，渗碳后检测零件变形方向及变形量。

渗碳处理后，具体可以在车床进行尺寸及变形检测，收集变形检测数据进行整理分析，以研究渗碳后的变形情况。进而根据变形检测结果，计算分析零件的变形趋势。具体计算分析方法可参考现有技术中常规的变形分析方式，此处不再赘述。

S5：加压校直淬火处理。该过程具体包括以下步骤：

S51：根据零件变形方向及变形量，选取加压位置，并对应设置支撑部件；

根据步骤S4中检测获得的零件变形方向及变形量，选取加压位置，具体可以将变形量较大处作为加压位置设置支撑部支撑，加压位置的个数可根据需要设置，此处不作具体限定。

S52：对应加压位置在零件上端放置加压重物；

也就是从零件上端进行加压，为便于操作选择放置加压重物以提供压力。具体加压重物的重量可根据需要设置，此处不作具体限定，优选的，通过强度计算获得加压重物的重量。即通过零件轴颈处直径对零件强度进行计算，计算出零件在高温下发生弯曲变形所需压力，对应设置加压重量，以选择合适的加压物。

S53：将零件与支撑部件及加压重物整体吊入淬火炉保温，而后整体吊出淬油；

即零件装炉，零件放置在支撑部件上且加压重物放置好后，将其整体吊入淬火炉进行淬火加热，而后整体吊出进行淬火冷却，如淬油。冷却过程中开启油槽搅拌，并上下窜动和转动零件，以保证冷却均匀，减小变形。

具体的，可以将支撑部件先放置与淬火胎具上，则吊装时将胎具及其上的支撑部件、零件和加压重物整体一并吊入淬火炉，保温一段时间后整体吊出淬油。

S6：淬火后进行低温回火去应力处理。

淬火结束后立即进行低温回火去应力处理，而后可根据需要检测零件的硬度、性能、金相组织等，进行变形量的检测，满足后续加工找正要求。

应用本发明提供的细长齿轮轴热处理变形控制工艺方法，在淬火过程中通过设置支撑点，并在支撑点加压淬火，有效减小了淬火变形，合格品率大幅提升，废品率显著下降，解决了大跨度人字齿长齿轮轴变形控制难题。

具体的，支撑部件包括支撑平板3和支撑块，则选取加压位置，并对应设置支撑部件，具体包括：设置支撑平板3，选取加压位置，并对应设置支撑块，支撑块放置于支撑平板3上。首先保持支撑平板3水平，具体可以将支撑平板3放置于淬火胎具上并保持水平，根据加压位置将支撑块放置于支撑平板3上的对应位置，再将渗碳后的零件放置于支撑块上，保持零件水平，并使得加压位置与支撑块正对。支撑平板3需保证足够的设计强度及加工精度要求，以使零件能在淬火过程中保持平直状态，从而减少零件变形量。根据支撑块对零件支撑位置的不同，相应设置支撑块的高度，以满足支撑块将零件水平支撑，并保证零件两端的齿部轴线与整个零件的轴线一致的情况下，各支撑块的底面在同一水平面上。

进一步地，支撑块包括相对设置的上支撑块和下支撑块，上支撑块和下支撑块上分别开设有用于夹持零件的凹槽2，上支撑块的顶部放置加压重物以加载。也就是先根据加压位置，设置下支撑块，而后将零件对应放置于下支撑块上，再将上支撑块对应下支撑块的位置放置于零件上，上支撑块的顶部放置加压重物，进而通过上支撑块对零件进行加载。需要说明是，上支撑块与下支撑块上的凹槽2形状需根据零件的对应加压位置外形相应的设置，以很好的贴合零件，使得力的加载更为均匀。通过上述支撑块结构设置，便于放置加压重物，也就是便于加压校直淬火，且零件与支撑块的相对位置不易松动。根据需要，也可以仅设置下支撑块，加压重物直接放置于零件上以加载，但放置较为不便。

更进一步地，上支撑块和下支撑块的凹槽2均为半圆形凹槽，半圆形凹槽的半径与对应支撑位置零件的半径一致。进而上支撑块和下支撑块能够很好的对零件进行支撑及加载，零件受力均匀，放置也较为平稳。具体上支撑块和下支撑块的结构请参考图3和图4，图3为支撑块的结构示意图；图4为图3中A-A面结构示意图。

在上述各实施例中，选取加压位置，并对应设置支撑块，具体包括：在零件的两端轴颈处、两端齿部轴颈处以及零件的中间位置分别设置支撑块，并在各支撑块的顶端加压以保证两端的齿部轴线与整个零件的轴线的一致。根据零件的结构，避免在齿部进行支撑，防止齿部的压塌变形，选择临近齿部的轴颈进行支撑，同时在零件的中部进行支撑。即零件两端轴颈处(图2中ΦA处)分别设置第一支撑块11，两端齿部轴颈处(图2中ΦB处)分别设置第二支撑块12，以及零件中间位置处(图2中ΦC处)设置第三支撑块13，且两第一支撑块11、两第二支撑块12和一个第三支撑块13与相应部位处尺寸相匹配，通过设计上述五点加压保证两端的齿部轴线与整个零件的轴线的一致性。

进一步地，支撑块的高度满足零件的齿部距支撑板的距离在100～200mm范围内。也就是各支撑块的高度设计保证齿部距支撑板有100～200mm的距离，以保证淬火介质的流动，保证淬火效果。对于必须支撑的齿部退刀槽位置，设计支撑板的厚度和配合圆弧，避免压伤。

在上述各实施例的基础上，加压校直淬火处理过程中，先进行600±100℃分段升温均温，而后升温至780～880℃的淬火温度，保温预设时间后，进行淬火冷却。也就是将吊具及零件、支撑部件和加压重物整体吊入渗碳淬火炉内进行淬火加热，加热过程中进行600±100℃分段升温均温，减小加热应力然后升温至780～880℃的淬火温度，进行淬火加热。淬火加热结束后进行淬油，具体预设时间可根据常规淬火工艺相应设置，此处不作具体限定。

在上述各实施例中，零件渗碳处理，具体包括：零件渗碳处理，且渗碳过程中采用600±80℃、700±50℃、800±50℃分阶段均温2～4h，随后升温至900±20℃进行渗碳处理，渗碳完后随炉降温至800～700℃出炉空冷。也就是渗碳过程中采用600±80℃、700±50℃、800±50℃分阶段均温2～4h，降低渗碳加热过程中的热应力，防止零件弯曲变形。

进一步地，上述实施例中粗加工后对零件去应力退火处理，具体包括：粗加工后对零件进行600±100℃的去应力退火处理。也就是粗加工后的去应力退火处理的温度范围为600±100℃，以有效去除应力。

更进一步地，淬火后进行低温回火去应力处理，具体包括：淬火后进行150～250℃的低温回火去应力处理。也就是淬火后低温回火去应力的温度范围为150～250℃，以有效去除应力。

以下以一个具体实施例说明。

某小齿轮轴4因渗碳淬火后变形量过大且无法校直造成报废。该齿轮轴4总长2271mm，左右人字齿跨度最大为1956mm，跨度大，热处理变形控制难度极大。采用常规的渗碳淬火工艺，2个批次六件齿轮轴由于变形过大，导致无法加工，变形报废率接近100％。而通过采用上述改进工艺，通过支撑部件采用多点支撑加压淬火的方案减小了淬火变形，齿部最大跳动降幅达到80％以上，中部的变形在1～2mm范围内，能满足后续加工要求。改进工艺方案成功将合格品率由0提升至近90％，废品率大大下降。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。