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齿轮加工中热处理工艺的分析

返回列表 发布日期:2021-05-27

  一、齿轮加工变形问题

  齿轮加工热处理变形是一个不可逆的塑性变形,首先应该从应力与应变的关系入手。从金属材料应力-应变曲线知道,金属材料在外力作用下先有一个弹性变形,在弹性可逆变形过程中应力与应变保持单值线性关系,服从胡克定侓。当外力增加到一定程度的时候,外力大于屈服材料发生塑性变形,塑性变形的的实质是晶体内部产生滑移,外力大于断裂时材料就会断裂。塑性变形的主要方式是滑移和孪生,主要特征是各晶粒变形的不同时性、不均匀性和各晶粒变形的相互协调性。热处理变形因产生原因不同而有所不同,主要有复杂应力作用下应力值超过材料的屈服强度而产生的塑性变形,组织转变时相变发生体积变形和淬火后回火不稳定组织的时效变形。热处理变形的影响因素归类总结如图1,根据图1结合具体条件,大致可以分析出影响热处理变形问题的主要因素。

齿轮加工中热处理工艺的分析(图1)

  二、齿轮加工热处理

  讨论热处理过程中内应力,要先从简单的零件含碳量内外均匀相同情况下非渗碳淬火件的常规整体淬火时的零件内应力状况说起,零件在加热和保温阶段产生热应力,奥氏体化阶段由于奥氏体塑性好,珠光体与奥氏体的体积差较小,产生的组织应力也不大。零件在进行冷却淬火时会产生两种不同的内应力: 热应力和相变应力。花开两朵,各表一枝, 先谈热应力,表层与心部只是一种相对简化的表述方式,工件在加热和冷却过程中的真实状况远比这个简单描述复杂得多,实际上由表及里是连续性的物体空间,表层与心部并没有明确的分界。在热应力的作用下冷却淬火时使工件表层呈压应力状态,而心部呈拉应力状态。在冷却开始的时候表层是正的拉应力,心部是负的压应力,图2为圆柱纯铁试样快冷过程中热应力变化示意图,图2(a) 显示表层与心部温差在W点出现,心部冷却开始快于表面冷却,表面拉应力开始下降,心部压应力开始上升,在某一时刻U点,表里热应力相交居于0值即此 时此刻热应力为零; 随后由于心部冷却速度继续快于表面,热应力方向出现反向,表面呈负的压应力, 心部呈现正的拉应力,到某一时刻V点及以后工件温度很低,钢的屈服强度升高,热应力不再引起塑性变形,这样应力分布就保留下来,成为残留应力使得工件发生热处理变形甚至开裂。图2(b) 曲线1是试样完全弹性状态下表层应力化示意图,曲线2是表层实际应力变化示意图,曲线3是心部实际应力变化示意图 。图2(c) 、2(d) 、2(e) 图分别表示 W、U、V 点时刻表面与中 心的应力状态。

  三、齿轮不同材料情况发生

  不同应力状态下材料屈服强度不同,并非材料性质变化而是材料在不同条件 下表现的力学行为不同。只有当内应力远远小于钢的脆断强度时,才可能不会产生开裂。在淬火冷却过程中,Ms点以上的冷却主要是受热应力影响,因为此时没有马氏体相变,只有少的珠光体或贝氏体转变,所以相变组织应力很小,热应力越大,变形也越大,这是因为此时材料基体处在奥氏体状态,塑性较好,一般不会出现开裂现象,但对热变形影响较大。开裂主要发生在Ms点以下温度,内因是马氏体塑性较差,外因是此时的内应力总和(即热应力与组织应力叠加) 大于材料脆断强度。如果零件截面较大,淬透性又很好,能够使零件内部也发生马氏体相变,冷却一段时间后心部开始转变的时候,表层马氏体转变早已完成,由于马氏体转变有体积膨胀倾向, 随着转变量增加,心部对表层施加的应力越来越大, 将表层脆性的马氏体层胀开形成裂纹源,继而扩展造成断裂。然而,心部马氏体转变滞后于表层马氏体转变,两者不同步往往是开裂产生的主要原因。理论上讲在Ms点以下冷却速度快,表层和心部马氏体转变几乎同步,一起发生体积膨胀反而不容易开裂。而冷却速度较慢时,心部马氏体转变量较低, 组织应力不大,反而不容易开裂。然而,介于两者之间的中间冷却速度,表层与心部均会先后发生马氏体转变,且转变又不同步时,这种情况容易引起开裂。因此,淬透性越好,且截面厚度又处在一个危险尺寸范围内的零件,特别容易出现淬火开裂,其淬火后的

  残余应力状态是表面受拉应力,心部受压应力。


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