[發明專利]曲齒錐齒輪的抗疲勞制造方法

有效

• 申請號: 201310161069.8
• 申請日: 2013-05-03
• 公開（公告）號: CN103223577A
• 公開（公告）日: 2013-07-31
• 發明（設計）人: 張元增
• 申請（專利權）人: 天津市天瑞硬化工程有限公司
• 主分類號: B23P15/14
• 分類號: B23P15/14
• 代理公司: 天津盛理知識產權代理有限公司 12209
• 代理人: 王融生

技術領域

本發明屬于齒輪的制造方法，特別涉及的一種曲齒錐齒輪抗疲勞制造方法。

背景技術

現有技術中，由于航空、航天、汽車、風電、高鐵、船舶等高端領域對長壽命、高可靠性齒輪的迫切需求，人們從抗疲勞的逆向思維出發，提出并構建出一個以材料科技為核心，以熱處理為手段，以獲取高疲勞性能量化指標為目標的一項齒輪抗疲勞制造方法體系。

現有技術中，曲齒錐齒輪的生產技術雖歷經百年，但在實際生產中，尤其是汽車工業這一應用曲齒錐齒輪數量最大的領域，其制造方法仍停留在成型制造階段。這一階段的顯著特征是齒輪材料、熱處理的發展遠遠滯后于齒形加工，或者說現行曲齒錐齒輪制造工程體系與材料的抗疲勞性能相脫節。現在高端的曲齒錐齒輪切削機床已能夠在熱前高效率的生產出了3級精度的齒輪、但經滲碳淬火后精度將會損失三級以上，由于螺旋角度的變化，且數值離散從而造成齒輪接觸區的變化。對曲齒錐齒輪而言，保證正確的接觸區是其實現高強度、高壽命、高可靠性的關鍵所在。

為獲得高精度的且處于理論接觸區的曲齒錐齒輪副，人們不惜成本的采用昂貴的磨齒機進行熱后磨齒，但磨齒只能用于格里森齒制的弧齒錐齒輪，而對于汽車工業普遍采用的“克”制和“奧”制的擺線齒錐齒輪則不能磨齒。為此，人們只有尋求減少熱處理變形的方法。

現有技術中，曲齒錐齒輪對熱處理變形格外重視，為此這一領域幾乎應用了全部的減少熱處理的方法。現羅列如下：淬透性鋼種、高性能淬火油、淬火壓床、精確碳勢控制儀器、負壓滲碳，以上方法只能改善熱處理變形，但在控制齒輪螺旋角的變化方面均無明顯效果。由于研齒并不具有誤差修正能力，因此對于現行滲碳淬火齒輪的熱處理變形修正只有進行磨齒。但是磨齒又存在以下弊端，即設備十分昂貴，生產效率低，造成表面硬化層的不完整，在齒根過度曲線處產生引發應力集中的臺階等等。

針對無法擺脫的滲碳淬火熱處理變形，又避免磨齒，三種齒制都有自己的回授加工法。舉例講，奧利康采用全數控銑齒機和三坐標測量機，大論不修正，只通過對小輪的誤差分析并通過修正小輪誤差來實現接觸位置的調整加工，這只能部分地改善接觸區，而非實現理論接觸區。只有經過無畸形表面硬化技術才能真正實現各種齒制的曲齒錐齒輪的理論接觸區嚙合，這是錐齒輪制造方法的最高境界。

現有技術中，齒面硬化工藝主要有三種，即感應加熱淬火，滲氮和滲碳淬火，但在高端齒輪制造領域只有滲氮和滲碳淬火兩種工藝。盡管感應加熱技術已出現同步雙頻淬火、多頻淬火、多能級脈沖的短周期而精確的淬火工藝，但在曲齒錐齒輪上應用還有待開發，由于這一工藝采用中碳鋼或低淬透性鋼種，因而表面接觸疲勞強度與耐磨性均難以達到其他兩種工藝的水平。

現有技術中，滲氮齒輪的經典生產流程如下：

鍛造制坯—預先熱處理（正火、正火+回火）粗車齒坯—調質（220～280HB）—精車制坯—齒部粗、精加工至圖紙要求—滲氮—修正基準—研齒配對。

滲氮工藝在熱處理變形方面較之滲碳淬火與感應加熱淬火有明顯優勢，但滲氮齒輪的承載能力取決于基體強韌化水平，大量實踐表明基體硬度在220～280HB的滲氮齒輪的承載能力大大低于滲碳淬火齒輪，因此這種低心部硬度的滲氮齒輪不能取代滲碳淬火齒輪。傳統滲氮齒輪這種低調質硬度（220～280HB）、高的表面硬度（700～1000HV）的組合對于抵御交變應力是不合理的。現在我國在滲氮齒輪的技術標準中推薦基體硬度不低于310～330HB。這樣的調質硬度，切齒將會遇到困難，對于大批量生產的汽車齒輪而言，這是絕不能接受的，而且這一調質硬度對于鍵槽的推削加工和拉削加工都將是難題。

以上對曲齒錐齒輪采用的常規表面硬化工藝的現狀進行了簡要分析，此外在決定齒輪疲勞性能的技術指標的給定上也存在問題，如滲碳淬火齒輪的心部硬度均標注33～43HRC，實踐中表明當心部硬度低35HRC時，齒輪的彎曲疲勞壽命很低，只有心部硬度為37～39HRC時才具有高的疲勞壽命，現行生產工藝體系難以保證100%優級品的產出。從抗疲勞制造方法的角度著眼，這些關鍵的技術指標的給定范圍不應將不合格品也規劃在內，顯然現有技術體系做不到這個層次。

現行滲碳淬火曲齒錐齒輪在疲勞壽命方面存在的弊端是其技術體系所造成的，因此只有創建新的技術體系才能將曲齒錐齒輪制造方法提升到抗疲勞制造的水平。

此外，美國能源部提出的工業現代化發展規劃中（又稱美國熱處理技術線路圖），以2000年為基礎，到2020年熱處理主要達到七項目標：

1、能耗降低80%。

2、工藝周期縮短50%。

3、生產成本降低75%。