零件分析

齿轮类零件按功能可分为运动传输齿轮和动力传动齿轮，其中动力传动齿轮常采用渗碳硬化以获得高硬度、高耐磨性的表层，而芯部仍保留塑性和良好的韧性使零件能够承受一定的冲击载荷。与渗氮相比，渗碳硬化的优点是渗层深度范围更大、允许预留较大尺寸公差以精加工齿形，现已被广泛应用于我厂传动系统的齿轮、轴销等零件。

我厂承制的某输出齿轮属于典型的外齿+内花键短轴型零件（见图1），材料牌号S82（低碳合金结构钢），渐开线外齿径节18，齿数39，压力角25°，精度等级为AGMA8级（相当于GB10095规定的7级）。内渐开线花键齿数16，径节20/40,压力角30°，ANSI标准圆角根侧配合，7级精度。

该零件要求齿轮齿顶、齿面、齿根及齿侧渗碳硬化至700HV以上（HRC≥62），其余表面不渗碳。首次设计工艺方案时考虑到非渗碳表面及芯部在淬回火后硬度达到HRC42～47，而我厂加工花键的粉末冶金刀具所能应对的零件极限硬度不超过HRC42。所以编制工艺规程时延用了传统的"镀铜-渗碳-除铜"方案——精加工齿坯后插内花键，镀铜后车去齿顶与齿侧的铜层，滚齿时预留磨齿余量，并在热处理过程中用铜层保护非渗碳面与活性碳元素隔离，流程如下图所示：

首批产品加工完成后，在汇总检验工序计量内花键齿跳时发现合格率低于30%。复查热处理前插齿工序的计量报告结果均合格。分析导致超差的原因有：

a）热处理后经过研中心孔、外磨两道工序，测量基准变动。

b）机械加工及热处理过程中产生的各种内应力高于材料的屈服强度，应力释放导致零件发生不可逆转的塑性变形。

通常应对以上两项影响的方法有以下几种：

1)合理分配冷加工尺寸公差，适当提高内花键加工精度,用富裕的尺寸和形状精度弥补热处理畸变。

2)采用循环保温、冰冷处理等去应力手段,尽可能消除机械加工中产生的残余应力。

3)热处理过程中严格控制升温速度,采用较低的渗碳和淬火加热温度,减少热处理过程中产生的热应力;在不影响渗碳质量的前提下,将齿轮的表面碳浓度和渗碳层深度控制在下限范围。

4)使用专用夹具,提高齿轮的刚性,以减小热处理畸变的程度。

据此，我们设计了第二套方案，热处理后精修工艺基准和测量基准，将插花键工序调整至热处理后进行，流程如下图所示：

第二批产品加工进行至插花键工序时，操作者提出花键插刀异常崩刃的问题——首批试制时能连续加工15件零件的插刀，当批仅加工4件就出现前刀面磨损和崩刃。

我们查证刀具设计图的基体材质及涂层材质无误，推测插齿刀崩刃主要原因是内孔表面漏渗碳，局部存在高硬组织。

分析其原因有以下两点：

a）零件尺寸较小，镀铜过程中铜离子难以扩散至内孔底部，孔底局部表面无铜层。

b）内孔铜层不匀或加工过程中铜层剥落。

此后我们试验在内孔涂防护涂料等保护性措施，但由于涂料流动性大、操作难度较高，改善效果并不理想。

改进方案设计

近年来我厂深入对接转包模式，我们对硬质合金刀具有了更系统全面的认识，在刀具供应商技术不断升级的过程中，我厂可插齿零件的硬度极限逐渐提升至HRC52～55范围。我们通过梳理此项输出齿轮试制阶段的现场写实记录，在最新一次的改进中创新采用余量保护代替传统的镀铜保护，方案流程如下图所示：

新方案的改进思路是热处理前在非渗碳表面预留加工余量，零件整体渗碳后硬车去除余量，在HRC42～47状态（热处理后芯部硬度）插齿保证内花键精度。虽然该方案增加了制造难度，但利用可靠的刀具能够保证内花键质量，取消镀铜、除铜工序后生产流程更加精简，大大优化了热处理前后的工艺基准统一性。

为防止精车后切削应力释放导致零件二次变形，保护性余量的厚度应尽量小，为此需要掌握零件表面至芯部的硬度变化规律。我们收集了试制阶段的部分超差零件，沿径向剖切齿轮部位制作试片（见图）用于测试。

在图中可看出，渗碳处理仅改变了零件表层金属的含碳量，淬火和低温回火处理后，渗碳层和零件基体组织之间还存在硬度过渡层（排列紧密的回火马氏体组织）。考虑到目前我厂插削花键的极限硬度和刀具成本的经济性。我们采用显微硬度法测量从表面到HV=463（HRC47）处的垂直距离，用于分析硬化层最大深度。

图6靠近齿顶表面的硬度变化趋势

我厂在气体渗碳时采用甲苯作渗碳介质，用甲醇作稀释剂，渗碳介质在渗碳温度下发生分解并发生如下反应：

注：式中［C］是指在化学反应中产生的活性碳原子。

表1本零件渗碳工艺参数

检测过程中，我们发现硬化层深度在齿形方向呈现出规律变化——齿根部位硬化深度最小，齿顶附近硬化层最厚，分度圆附近的齿面硬化层深介于二者之间。通过分析可得出结论：齿轮表面渗碳的奥氏体组织吸收活性碳原子后，碳浓度升高，零件表面与芯部材料的碳浓度差迫使碳原子向内部扩散，但由于齿轮表面轮廓的特殊性，活性碳原子在各部位扩散速度存在差异，其原因是齿轮各表面接触的活性碳原子数量不同——齿顶附近表面接触量最大，齿面接触量次之，齿根表面处于类似凹形型腔的底部，所以接触活性碳原子量最少（见表2）。

表2齿轮表面渗碳层深度系数

渗碳过程中，保护性余量应均匀、连续地覆盖所有非渗碳表面，所以在确定余量厚度时选取分度圆附近齿面采集的数据，公式为：

余量厚度≥齿面碳化层深度+硬度过渡层最大深度

从图6中可知从齿面到HV=463处的垂直距离集中在1.3±0.1mm范围，实际应用时轴向、径向余量均按1.5mm处理。

硬车方案设计及切削参数

3.1硬车技术特点及分析

S82钢经渗碳、淬回火后抗拉强度（ób）提升至2270Mpa以上，相比软状态车削，硬车系统承受的切削力大约升高了2倍。提升系统刚性是我们首先面对的问题。

该输出齿轮结构属于规则的回转体，车削去除外圆及端面保护余量效率最高，但是受内孔尺寸限制，Φ12以上规格的镗刀不适用于此零件，所以去除零件内孔余量优先选用钻削，避免因镗刀杆刚性不足导致镗刀震颤。

图7硬车前后零件结构对比

刀片接触零件时承受的瞬时冲击是影响刀具寿命的主要因素，考虑到零件表层硬度达到HRC62以上，可采用重载低速切削以减少冲击给刀具和机床造成的影响，刀具伸长量应控制在刀杆长度的0.5倍以内，并尽量减少悬伸以增加刚性。本零件短粗的结构和较小的长径比非常适合用外圆定心、端面定位的夹持方法。为了最大限度地减小零件装夹时的悬伸长度，我们设计了图所示的车削顺序：

图8硬车定位方式及加工步骤

零件表层至芯部的材料依次为高碳、中碳、低碳的回火马氏体组织，车刀刀片需要较高的抗刃口磨损性能以及大切深抗破碎性能以应对变载荷连续切削。而且，为使刀片在不同组织材料切换时减少震动，降低对零件表面质量的影响，应采用带有抗振设计的外圆刀杆。

通过查找产品目录，我们初期制订了两套车刀方案，表面余量分3次车削——粗车去除表面大部分硬化层，切深1～1.2mm，半精车均匀各表面余量至0.1mm，精车严格控制表面粗糙度、保证零件尺寸精度：

表3外圆刀片方案对比

系统刚性最大化意味着尽量减少零件和刀具的悬伸量，安排热处理后硬车的零件具有较小的长径比（L/D）。

车削过程中仍然使用水基切削液，为使切削液能够快速到达刀尖切削区域，我们调高了冷却液循环系统的压力值，高压切削液也可有效减少切削堆积，有利于提升零件表面质量。

本零件硬车更倾向稳定的夹持、刀片夹紧方式对我厂生产现场常用的刀片夹持方式有三种，其中C型夹持系统的特征与本零件切削条件更吻合。

表4外圆刀片夹持方式对比

经两批在制品对比验证，A方案单刃可加工5～6件，单片刀片加工上限13件；B方案单刃可加工7件左右，单片刀片加工上限15件，最终选用B方案。

去除保护性余量后，零件露出的基体材料已转变为均匀的回火马氏体组织，达到零件芯部硬度HRC42-47，加工难度不大，通用刀片完全可满足切削工况要求。

经实践验证，硬车去除保护余量的方案可行，刀具寿命较理想，加工完成的零件表面粗糙度、尺寸精度、位置公差满足要求。

硬插齿及其切削参数

以往我厂多用粉末冶金作为插齿刀的基体材料，此类刀具所能加工零件的硬度不大于HRC42。为适应此零件后续大批量生产的需要，本次工艺改进订制了DATHAN公司制造的硬质合金插齿刀，涂层材质TiAlN。

与粉末冶金刀具相比，硬质合金插齿刀耐磨性更优，但抗弯强度、冲击韧性差，所以切削部位采用了较大的径向负前角，以提升插齿刀抗冲击、抗崩刃能力。

切削参数如下表所示：

表5中硬插齿切削参数

使用该刀具现已插齿加工52件，刀具状态良好，按目前刀具磨损速度判断，预计刃磨周期可达到80件以上。

提升制造工艺性的其他措施

渗碳、淬回火后安排冰冷处理，相当于对零件二次正火，能进一步减少淬火过程中的过饱和马氏体，降低晶格畸变，减少组织应力，从而减少热处理变形量。

零件表面经渗碳处理后，表面5μm深度范围的过共析层含有致密碳化物，在淬回火后形成一层非常薄的硬壳层，车刀刀尖接触表层组织时最容易受损，所以硬车去除保护性余量时应尽可能保持连续切削，被加工表面应避免出现减轻孔、角向定位孔等结构。

硬镗孔需要很大的切削力，镗刀杆承受的扭力和切向力成倍增加，刀具应与零件同心或略高于零件中心，避免切削力引起的扭曲变形影响零件尺寸精度。

在实际应用时，为进一步延长钻头寿命，我们在零件盲孔内注入防护涂料，涂料经短时间干燥后与内孔表面浸润并产生一定附着力，热处理后吹砂即可完全去除。经同等车削条件验证，钻头刃磨周期可提升1.5～1.8倍。

本次改进后，我们对比了此类有渗碳要求的齿轮零件，并总结出适用余量保护法的必要条件——零件渗碳区与非渗碳区应具备合理的分界结构，以本零件为例，齿轮两端被设计了具有减重作用的端面槽。

结论

改进后方案经4批共52件零件验证，重载低速硬车去除保护性余量方案可行，插齿刀切削状态良好，零件内花键跳动100%合格。工艺流程缩短为改进前方案的2/3,取消镀铜、除铜等工序也进一步降低了制造成本。该方案对于类似齿面有渗碳要求的零件具有推广借鉴价值。