为了提高齿轮的承载能力、抗疲劳性能和使用寿命,渗碳淬火成为当今高性能硬齿面齿轮主导的热处理工艺方式。但由于高温工艺周期长,期间经历不同的温度变化和组织转变,产生复杂的热和组织应力,易于引起齿轮的畸变,严重影响齿轮的使用性能和制造成本。传统方法控制齿轮渗碳淬火畸变主要依赖于试验和经验,且由于影响畸变的因素众多,往往事倍功半、效果不佳和成本巨大,对齿轮畸变的控制成为渗碳淬火工艺最大的技术难点。本文利用数值模拟方法,根据渗碳淬火工艺的技术要求,在综合考虑温度、相变、应力等多场作用的同时,引入硬度场到模型中,将引起畸变的工艺过程、性能等主要因素与畸变相关联,建立了渗碳淬火工艺及其畸变的分析计算模型。首先为了实现齿轮淬火温度场的准确计算,利用冷却曲线和反传热法,计算出了齿轮淬火油和低温盐浴介质的换热系数。分析了含水量、温度和搅拌速度对盐浴换热系数的影响,得出随着含水量和搅拌速度的提高,换热系数呈增大趋势,而随着盐浴温度的升高,换热系数呈下降趋势;随着含水量、搅拌速度和盐浴温度的提高,增强了盐浴介质低温区域的冷却能力和速度。进而利用换热系数数据,耦合温度、相变和应力作用,建立了畸变试样渗碳油淬和盐浴分级淬火的畸变分析模型。利用畸变试样分析了齿轮材料的畸变特性,同时分是否考虑相变两种模型,将热和相变应变间接分开,分析了试样的畸变过程,然后利用正交试验量化了工艺参数对畸变的影响程度。结果表明,热应力引起的应变对试样畸变起主要作用,相变应变仅是次要因素。20CrNi2Mo材料的畸变倾向小于17CrNiMo6材料;渗碳温度、碳势和淬火温度对试样的畸变影响都较大;通过对畸变试样的油淬和盐浴分级淬火工艺的对比分析表明,盐浴淬火工艺具有高温冷却快、马氏体分级转变更充分,热和组织应力相对较小等特点,有利于对齿轮渗碳淬火畸变的减小和控制。在温度场计算的基础上,利用实验结果,USS-Atlas公式和JMatPro软件拟合出不同碳含量下的淬透性曲线,同时根据温度场结果,得到特定温度范围内的端淬冷却曲线,建立了计算渗碳淬火硬度的端淬曲线模型,再根据渗碳淬火工件的碳含量和冷却时间即可计算出其硬度值。应用该模型计算出17CrNiMo6和20CrNi2Mo渗碳端淬和齿形试样的硬度场,通过与试验实测对比,验证出模型具有较好的精度,最大误差小于12%。该模型不用进行相变模拟,具有较好的简便性和实用性。利用上述基础性分析模型,结合高速机车齿轮技术要求从材料特性、工艺和齿轮结构三个方面,对齿轮渗碳淬火工艺过程的畸变进行了分析。将盐淬和油淬畸变分析模型分别应用在高速机车的齿圈和齿轮轴上,分析齿圈和齿轮轴的畸变规律,为工艺过程的畸变控制提供依据。结果表明,油淬工艺下,齿圈齿宽方向呈现腰鼓状变形,齿顶圆直径最大胀大为0.65mm,公法线长度胀大为0.47mm。沿着齿宽方向,除了左侧轴端附近,齿轮轴其余位置齿顶圆都呈现缩小趋势,接近齿宽中部区域收缩最大。盐淬工艺下,齿圈轮齿呈轻微马鞍形变形,齿顶圆直径最大胀大为0.414mm,公法线长度胀大0.32mm,且变形较为均匀。通过与畸变测量数据对比,齿顶圆畸变的模拟精度可以得到保证。利用正交试验模拟分析了工艺参数对齿顶圆直径和公法线长度畸变的影响程度和趋势,发现淬火温度、油温、渗碳浓度和淬火保温时间对两种畸变影响都较大。综合采用上述结果,将模拟优化出的最佳渗碳淬火工艺参数和工装结构尺寸应用于模拟和实际的齿轮渗碳淬火生产中,结果表明,在最佳工艺参数下,相对于原始条件下的模拟和测量值,齿顶圆畸变分别减小了12.4%和8.8%,公法线长度畸变分别减小了33%和53.9%,取得了较好的畸变控制效果。