螺旋锥齿轮模压淬火变形机理及控制研究

摘要

螺旋锥齿轮传动效率高，重合度大，运转平稳，承载能力高，被广泛应用于工程车辆、坦克、特种车辆等的传递空间旋转运动的机构中，可以有效改变力矩的传递方向，是载重车辆传动系统的关键零件。螺旋锥齿轮的制造精度与力学性能，直接影响传动系统平稳工作寿命，决定了载重车辆的可靠性。
　　车用螺旋锥齿轮使用低碳合金钢，主要制造流程包括切齿、渗碳-模压淬火、回火等工序。由于形状复杂，螺旋锥齿轮的制造变形控制极为重要。制造变形主要发生在淬火过程中，变形超差会导致齿轮精度和啮合平稳性下降，增大传动系统噪声。而对于重载齿轮会出现齿面偏载，使得齿轮过早失效，传动系统服役寿命大幅度下降。因此螺旋锥齿轮淬火变形控制一直是制造过程的瓶颈难题。
　　虽然模压淬火工艺可以在一定程度上减小变形，然而由于引入了模具约束，使得齿轮淬火这一快速冷却过程的物理现象更为复杂：变形受到温度历史、温度梯度、相变顺序、相变产物、模具约束、卸载回弹等多种因素共同影响；同时前期研究中发现，材料成分(淬透性)的微小波动对于齿轮淬火过程同样有着显著的影响，造成同样工艺条件下完全不同的变形规律。上述诸多因素使得大型螺旋锥齿轮变形机理与规律难易掌握。定量化的预测模型缺乏，导致实际工艺生产中几乎完全依靠技术人员经验，因此制造质量、效率均无法保证；更为严重的是，由于缺乏对螺旋锥齿轮变形规律的理解与控制，大大降低了齿轮装配的互换性，必须依赖齿轮配对实现服役，造成后续安装、维护等一系列困难。
　　针对大型螺旋锥齿轮淬火变形控制这一制造瓶颈问题，本文将采用多场耦合模拟仿真与工艺试验结合的方式，从材料模型、渗碳-模压淬火工艺过程乃至变形对齿轮啮合的影响等方面开展完整的机理研究，揭示其变形规律，并进行工艺优化设计。主要研究思路为：
　　①针对螺旋锥齿轮制造材料22CrMoH进行了端淬试验与材料成分测试，得到材料淬透性分布。选取高/低淬透性材料，进行相变动力学、静态力学性能、相变塑性以及热物性参数测试，明确淬透性波动对材料性能的具体影响关系。根据大量测试数据，建立了基于高/低淬透性的材料模型。
　　②为了验证材料模型并确定淬火边界条件，设计螺旋锥齿轮的淬火试验，测试冷却过程中齿轮不同位置的温度历史数据，并检测了微观组织分布。根据试验参数，建立对应的温度-相变耦合模型，通过对比温度历史和微观组织分布计算与测试结果，验证了上述模型与边界条件的准确性。
　　③根据螺旋锥齿轮完整热处理生产工艺，建立了基于材料高/低淬透性的渗碳-模压淬火模型。分析了在特定工艺参数下，材料淬透性对螺旋锥齿轮微观组织分布和变形的影响，研究齿轮淬火变形机理。根据工艺参数对变形的影响关系，提出合理的工艺参数优化方案。对照生产现场测试数据，验证计算分析结果可靠性。
　　淬透性受合金元素的影响，对淬火过程相变动力学影响较大。经过完整渗碳-模压淬火工艺后，高/低淬透性齿轮表面为马氏体和少量残余奥氏体，轮齿内部为贝氏体。淬透性主要影响齿轮基体内部微观组织，低淬透性齿轮基体内部由贝氏体和铁素体/珠光体组成，高淬透性齿轮全部为贝氏体组织。
　　基体内部不同的组织转变及相变发生顺序，导致高/低齿轮淬火变形差距较大。高淬透性齿轮整体发生两端翘曲变形，底面内外圆翘曲大小分别为0.091mm和0.079mm。低淬透性齿轮发生了外圆翘曲变形，底面外圆翘曲量为0.375 mm。翘曲变形的大小直接影响的齿面精度，高淬透性齿轮齿面变形波动范围较小，凹面和凸面分别为0.044 mm和0.059 mm，低淬透性齿轮凹面和凸面波动带宽分别是0.138 mm和0.151 mm。
　　对于发生翘曲变形较大的齿轮，分析了模压淬火工艺参数对翘曲变形的影响。提出了底面变形参数概念来衡量底面整体变形大小，分析了变形参数与内外环模具载荷及机床底面斜度的分布规律。考虑了淬火变形的不均匀性，选定了变形对模具载荷变化不敏感的区域中心作为最优压力参数，在此参数下，确定使得变形参数最小的机床底面斜度，确定最优工艺参数为内外环模具载荷分别为250 psi和350 psi，机床底面倾斜角为0.2°。对比试制过程螺旋锥齿轮测试的变形数据，计算结果与之吻合较好。优化后的工艺参数同时控制齿轮淬火的翘曲变形和变形波动带宽大小。
　　本文最后基于螺旋锥齿轮模压淬火模型，建立了螺旋锥齿轮模压淬火-啮合耦合模型，分析对比理想几何齿轮和存在较大淬火变形齿轮的啮合性能。淬火翘曲变形不仅使得齿面精度下降，还会对齿轮啮合性能造成很大影响。具体表现为在相同负载条件下，淬火变形降低齿轮啮合的重合度，出现偏载现象。齿轮翘曲变形过大，使得一对啮合齿轮接触位置发生改变，导致齿顶和齿根表层材料的剥落，降低轮齿弯曲疲劳强度，易造成轮齿的折断。

目录

1 绪 论

1.1 课题来源、研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容及技术路线图

1.4本章小结

2 基于淬透性的材料性能测试及材料模型建立

2.1 引言

2.2 材料淬透性测试

2.3 基于淬透性相变动力学模型

2.4 基于单相静态力学性能

2.5 相变塑性模型

2.6 热导率与比热容

2.7 本章小结

3 螺旋锥齿轮模压淬火试验设计与材料模型验证

3.1 引言

3.2 螺旋锥齿轮淬火有限元模型

3.3 螺旋锥齿轮淬火有限元模型验证试验

3.4 温度-相变模型结果验证

3.5 本章小结

4 基于淬透性模压淬火过程建模及变形机理分析

4.1 引言

4.2 完整渗碳/模压淬火过程有限元模型

4.3 材料淬透性对模压淬火影响研究

4.4本章小结

5 螺旋锥齿轮淬火变形控制与工艺参数优化

5.1 引言

5.2 螺旋锥齿轮底面翘曲变形与模具载荷相互关系

5.3 基于淬火变形及不均匀变形的工艺参数优化

5.4 底面翘曲变形对齿面误差影响研究

5.5 本章小结

6 淬火变形对螺旋锥齿轮啮合性能影响研究

6.1 引言

6.2 螺旋锥齿轮渗碳-模压淬火-啮合耦合模型

6.3 淬火变形对螺旋锥齿轮啮合性能的影响

6.4 淬火变形对齿轮失效的影响

6.5 本章小结

7 总结与展望

7.1 本文小结

7.2 论文主要创新点

7.3 工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者攻读博士期间发表的论文

B. 作者攻读博士期间获奖情况

C. 作者在攻读博士学位期间申请或授权的发明专利

D. 作者在攻读博士期间参与的科研项目