【摘 要】
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齿轮作为各类机器重要的零件,通常起到传递动力、变速与改变运动方向的作用,这就要求齿轮具备良好的机械性能,当前最好的手段就是热处理,但它在提高性能的同时往往伴随着变形问题,尤其是薄壁齿轮,这种现象更为严重,为此解决齿轮热处理变形问题成为本行业内人们关注的重点,已往人们通过大量的试验去进行研究,费时费力费材,且不能有效掌握齿轮热处理过程中的相关规律,控制影响齿轮热处理变形的每个因素,经济性、实用性都较
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齿轮作为各类机器重要的零件,通常起到传递动力、变速与改变运动方向的作用,这就要求齿轮具备良好的机械性能,当前最好的手段就是热处理,但它在提高性能的同时往往伴随着变形问题,尤其是薄壁齿轮,这种现象更为严重,为此解决齿轮热处理变形问题成为本行业内人们关注的重点,已往人们通过大量的试验去进行研究,费时费力费材,且不能有效掌握齿轮热处理过程中的相关规律,控制影响齿轮热处理变形的每个因素,经济性、实用性都较差。故本文基于有限元多场耦合理论,采用Deform-HT有限元热处理分析平台,建立薄壁齿轮热处理有限元分析模型,研究薄壁齿轮热处理过程中温度变化、应力应变变化等规律,分析薄壁齿轮热处理变形根本原因及调控措施,为企业实际生产提供一定的指导作用,同时进行实际验证。得到的主要结果有:1、根据薄壁齿轮的技术要求,采用SolidWorks建模软件对薄壁齿轮进行三维建模,导入Deform-HT平台进行网格划分,确定20CrMnTi钢和45钢的热处理工艺、即前者的热处理工艺是渗碳淬火+低温回火,后者是工艺淬火+低温回火。2、模拟20CrMnTi薄壁齿轮齿面碳含量最高达到0.952%,芯部碳含量0.23%,渗碳层厚度1.2mm,淬火时齿顶温度最低,齿根、齿芯温度高,温差最高达到698℃,表面组织结构马氏体（93.9%）+残余奥氏体（7.59%）,芯部组织结构马氏体（96.2%）+残余奥氏体（1.98%）,计算出齿轮表面呈现256.5 MPa 压应力,而芯部则有141 MPa的拉应力,齿轮径向收缩量0.9 mm左右,轴向变形量几乎力零。3.实测20CrMnTi薄壁齿轮渗碳淬火后渗碳层厚度1.15 mm,表面组织为针状马氏体+残余奥氏体+颗粒状碳化物,次表层主要是针状马氏体,芯部为低碳马氏体+残余奥氏体,齿轮表面、芯部组织中残余奥氏体含量占比分别为6%、1.8%,齿轮表面残余应力为-1078±168.2 MPa,径向收缩量最大为0.9 mm。4.模拟不同淬火方式下45钢薄壁齿轮变形行为,平放淬火齿顶温度最低,齿根、齿芯温度高,温度最大为584℃,上下端面出现500℃左右的温差,组织由马氏体（96.8%）+残余奥氏体（5.84%）构成,表面 127.28 MPa 压应力,导致最大0.285 mm径向收缩变形,坚放淬火齿顶与齿芯最大温差为517℃,组织由马氏体（96.8%）+残余奥氏体（5.58%）构成,表面104.13 MPa压应力,导致最大0.213 mm的径向收缩变形,实测45钢薄壁齿轮淬火后组织由马氏体+残余奥氏体组成,表面的残余应力为-567.6±43.7MPa,径向收缩量最大0.1 mm左右。5.薄壁齿轮热处理变形的原因主要是淬火时温度场的分布不均和组织转变的非同时性造成热应力与组织应力的差异而导致的。为此提出通过使齿轮在不同部位同时冷却或采取径向约束的措施来抑制变形,并在实际中进行了验证。
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