控制内花键变形的热处理方法及其内花键变形补偿工装
阅读说明：本技术 控制内花键变形的热处理方法及其内花键变形补偿工装 (Heat treatment method for controlling deformation of internal spline and internal spline deformation compensation tool thereof ) 是由 杨扬 严鉴铂 刘义 车永平 王文婷 贺尔康 王冰 于 2021-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种控制内花键变形的热处理方法及其内花键变形补偿工装,方法包括：将内花键零件平放,零件薄壁内花键处垂直于料盘平面；高温下渗碳处理；内花键零件在保护气氛的热处理炉内缓冷后,出炉冷却至室温；将心轴类补偿工装放入内花键零件中,再重新入炉淬火；淬火后清洗、回火,取下内花键零件中的心轴类补偿工装,得到热处理的内花键成品。补偿工装包括锥形心轴、内凹心轴、中部开槽心轴和中部开槽+端面打孔心轴。该方法能够同时满足内花键零件的硬化层深与变形精度(跨棒距、齿向偏差、径节线跳动等)技术要求,提高零件整体合格率。(The invention discloses a heat treatment method for controlling deformation of an internal spline and an internal spline deformation compensation tool thereof, wherein the method comprises the following steps: the internal spline part is horizontally placed, and the thin-wall internal spline of the part is vertical to the plane of the material tray; carburizing at high temperature; after the internal spline part is slowly cooled in a heat treatment furnace in a protective atmosphere, discharging and cooling to room temperature; putting the mandrel compensation tool into the internal spline part, and then putting the mandrel compensation tool into the furnace again for quenching; and cleaning and tempering after quenching, and taking down the mandrel compensation tool in the internal spline part to obtain a heat-treated internal spline finished product. The compensation tool comprises a conical mandrel, an inwards concave mandrel, a middle slotting mandrel and a middle slotting and end face punching mandrel. The method can simultaneously meet the technical requirements of the depth of a hardened layer and the deformation precision (cross-rod distance, tooth direction deviation, radial pitch line jumping and the like) of the internal spline part, and the integral qualification rate of the part is improved.)
技术领域
本发明涉及变速箱内部传动齿轮的热处理方法，特别是一种控制内花键变形的热处理方法及其内花键变形补偿工装。
背景技术
随着变速箱产品的不断更新升级，内部传动齿轮的结构开始越来越复杂精密，对尺寸波动、变形控制的要求也越来越细致严谨。其中，部分变速箱的特殊齿轮件开始逐渐带有加工过程中必须能够精确控制偏差范围的内花键结构。众所周知，大部分齿轮类零件在机加工完成后均需要进行渗碳热处理，但由于某些特殊结构的齿轮中所带内花键各段壁厚不同，渗碳后淬火时淬火烈度不一致，导致这些薄壁部位的相变及冷却速率不一致，使得内花键在经过热处理后各段尺寸有所偏差，较难实现精确的变形控制。
为了保证内花键各段变形趋于同步，热处理后整体尺寸一致，通常会使用心轴类补偿工装针对内花键部位进行特定的热处理补偿。但为了能在淬火过程中起到补偿作用，所用的心轴类工装直径需要与零件的内花键尺寸十分接近，若按照目前使用的常规渗碳方法加上心轴类工装直接进行热处理，将会很容易在心轴类工装与内花键齿顶接触的部位产生阻渗，也会降低零件半齿高处气氛与炉内渗碳气氛的交换效率，即该位置无法实现碳原子的充分渗入，最终导致渗碳热处理后零件的内花键硬化层深与外齿硬化层深之间差异较大，难以符合零件整体硬化层深的范围要求。
随着变速箱产品的不断更新升级，内部传动齿轮的结构开始越来越复杂精密，对尺寸波动、变形控制的要求也越来越细致严谨。除了常规生产的能够通过普通渗碳热处理就实现所需性能的一般零件外，逐渐出现了众多带有精细内花键结构的特殊变速箱齿轮。这些带有特殊内花键的齿轮同样需要在机加工完成后进行渗碳热处理，但由于其内花键部位各个分段的壁厚不同，渗碳完成后淬火时会因为冷却条件不同而各个部位淬火烈度不同，最终导致相变过程及冷却速率不一致，使得内花键薄壁区域在经过热处理后各段尺寸有所偏差。
为了保证内花键各段薄壁部位的变形趋于同步，热处理后尺寸一致，目前通常使用心轴类补偿工装针对内花键部位进行热处理补偿。其原理是在渗碳前给零件内花键孔隙处提前放入心轴类补偿工装，待渗碳完成后进行淬火时，零件薄壁区域虽然依旧会由于淬火过程中的快速冷却产生收缩，但却会凭借着内花键中间所放心轴类补偿工装的限位和支撑作用，不会收缩幅度过大，变形波动更小，由此来控制零件薄壁部位的整体变形。但另一方面，为了能够起到充分的补偿作用，心轴类工装的直径设计需要与零件内花键尺寸十分接近。这是因为只有当两者间直径尺寸相差很小时，心轴类工装才能够在内花键薄壁部位淬火过程中向内收缩时，由于自身的实心结构和其尺寸变化不大的特点而与内花键互相接触、挤压，从而产生足够的限位与支撑作用。
当前这种在常规的渗碳热处理方法中使用心轴类工装进行补偿的操作，虽然能够在一定程度上优化薄壁内花键部位的淬火变形，但由于心轴类工装的直径尺寸与内花键处直径尺寸几乎一致，两者之间极小的间隙使得渗碳过程中心轴类工装与内花键齿顶部位处于几乎接触的状态，渗碳气氛无法顺畅的在内花键处流通，严重的阻碍了渗碳工序中碳原子在该处的渗入。由于心轴类工装的存在与阻碍，零件内花键处的渗碳气氛与炉内气氛的循环交换明显不足，尤其是内花键的齿顶部位，很难在渗碳完成后达到常规渗碳零件表面所需要的碳浓度，而半齿高处的层深也会由于内花键与心轴类工装之间的间隙较小、交换较少而深度有所降低，最终导致的结果为内花键硬化层深与外齿硬化层深差异较大。
在当前的常规热处理工艺下，心轴类工装的使用虽然能够使得薄壁内花键位置的变形更加可控，但却会影响内花键部位的硬化层深。倘若不解决本问题，零件的硬化层深与内花键的变形精度(跨棒距、齿向偏差、径节线跳动等)很难同时合格，势必要靠牺牲其中一个来求得让步，这会导致携带精密内花键结构的零件整体合格率明显降低，最终造成资源的浪费与品质的流失。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种控制内花键变形的热处理方法及其内花键补偿工装，该方法能够解决内花键零件的硬化层深与变形精度同时满足技术要求，提高零件整体合格率。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种控制内花键变形的热处理方法，包括：
将内花键零件平放，零件薄壁内花键处垂直于料盘平面；高温下渗碳处理；
内花键零件在保护气氛的热处理炉内缓冷后，出炉冷却至室温；
将心轴类补偿工装放入内花键零件中，再重新入炉淬火；淬火后清洗、回火，取下内花键零件中的心轴类补偿工装，得到热处理的内花键成品。
对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：
优选的，内花键零件渗碳处理温度为880～930℃；保护性气氛为氮气。
优选的，心轴类补偿工装包括锥形心轴、内凹心轴、中部开槽心轴和中部开槽+端面打孔心轴。
优选的，当放入内花键零件中补偿工装为锥形心轴时，再重新入炉淬火的温度为800～830℃，淬火时间为15～30min。
优选的，当放入内花键零件中补偿工装为内凹心轴时，再重新入炉淬火的温度为790～820℃，淬火时间为15～25min。
优选的，当放入内花键零件中补偿工装为中部开槽心轴时，再重新入炉淬火的温度为790～820℃，淬火时间为15～25min。
优选的，当放入内花键零件中补偿工装为中部开槽+端面打孔心轴时，再重新入炉淬火的温度为810～840℃，淬火时间为15～30min。
作为一种优选，本发明进而提供了上述方法采用的内花键变形补偿工装，包括锥形心轴，所述锥形心轴呈锥台状，由上至下直径为渐扩状；用于热处理后内花键两端直径大小有差异的零件。
作为第二种优选，本发明进而提供了上述方法采用的内花键变形补偿工装，包括内凹心轴，所述内凹心轴为侧部内弧状的圆柱结构；用于热处理后内花键两端直径尺寸缩小，而内花键中部直径尺寸增大的零件。
作为再一种优选，本发明进而提供了上述方法采用的内花键变形补偿工装，包括中部开槽心轴，所述中部开槽心轴为侧部开设凹槽的圆柱结构，上下两端面直径相等，外圆面部位中间开凹槽，用于热处理后内花键两端直径尺寸缩小，而内花键中部直径尺寸增大的零件。
作为再一种优选，本发明进而提供了上述方法采用的内花键变形补偿工装，包括中部开槽+端面打孔心轴，所述中部开槽+端面打孔心轴为在侧部开设凹槽的圆柱结构的上下翼缘上开设通孔。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
本发明工艺与零件加上心轴类工装整体渗碳后直接淬火的常规传统工艺相比，通过将内花键的渗碳步骤调整至加心轴补偿工装步骤之前，在避免内花键阻渗的同时，充分发挥了心轴补偿工装的补偿作用，可以有效的改善零件内花键齿顶与心轴类工装接触部位及半尺高处的硬化层深与金相组织，既能够保证内花键部位的变形可控，又能够保证零件整体的组织与性能均匀一致，从而进一步提高零件的整体质量符合性，降低废品率，消除由于次品产生带来的资源浪费与让步接收导致的品质流失。
本发明将花键零件进行高温下的渗碳处理，使碳原子能够均匀顺利的渗入零件表面，待渗碳结束后通入保护性气氛在热处理炉内进行缓冷，保证内花键齿顶部位和零件其他部位具有一致的碳浓度，然后将零件出炉冷却至室温并将心轴类工装放入零件内花键中，再重新入炉加热至淬火温度后进行淬火处理，得到同时满足硬化层深与变形精度的合格的内花键产品。
本发明能够在通过心轴类工装的支撑来控制内花键变形的同时，保证零件内花键与心轴类工装所接触的齿顶部位碳原子渗入充分、含量适宜，在随后的淬火过程中，可使内花键的渗碳层充分硬化，令内花键硬化层深与外齿硬化层深趋于一致，表面硬度与组织均符合设计要求。
本发明一方面仅通过改变心轴类工装在薄壁内花键类零件中的装入时机及具体结构，解决了传统热处理过程中变形控制与组织性能间的矛盾；同时，另一方面，通过控制不同内花键变形补偿工装的淬火条件，针对性地控制零件内花键的淬火烈度，优化内花键的热处理变形，提高零件整体合格率。
本发明可以应用与需要使用到心轴类工装的薄壁内花键类零件，可推广性强，生产过程稳定。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为热处理过程流程图；
图2为锥形心轴结构示意图；
图3为内凹心轴结构示意图；
图4为中部开槽心轴结构示意图；
图5(a)、(b)分别为中部开槽+端面打孔心轴结构主视图和俯视图；
图6(a)-(c)分别为部分零件与心轴类工装装配示意图；
图7为对比例1外齿半齿高硬度曲线；
图8为本发明外齿半齿高硬度曲线；
图9为对比例1内花键齿顶硬度曲线；
图10为本发明内花键齿顶硬度曲线；
图11为对比例1内花键半齿高硬度曲线；
图12为本发明内花键半齿高硬度曲线；
图13为对比例1内花键齿顶金相组织；
图14为本发明内花键齿顶金相组织。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明提供一种控制内花键变形的热处理方法，包括：
S1，首先进行零件备料：将带有精细内花键结构的特殊零件平放备料，其中内花键垂直于料盘平面；保证零件的薄壁内花键处垂直于料盘平面，以便后续更容易平稳的放置心轴类工装；
S2，将备料完成的零件装入热处理炉中，根据图纸要求选择合适的工艺进行高温渗碳热处理，渗碳温度为880～930℃；
S3，待零件表面碳原子渗入完全、渗碳工序整体结束后，往热处理炉内通入保护性气氛(氮气)，同时对零件缓慢降温冷却；
S4，缓冷到一定温度后，将零件取出热处理炉，冷却至室温；
S5，将尺寸与内花键直径接近的心轴类工装竖直加入到零件内花键位置，具体装配放置方式如下图1所示，保证放置平稳；
S6，将带有心轴类工装的薄壁内花键零件再次装入热处理炉中，选择合适的工艺加热并保温一段时间，确保其整体加热完全；
S7，将带有心轴类工装的薄壁内花键零件在所需的淬火温度进行冷速适宜的油冷淬火；
S8，淬火完成后将带有心轴的零件整体出炉，进行常规的热后清洗，清洗过程中不拆下心轴；
S9，将清洗后带有心轴的零件整体装入回火炉中并进行常规回火处理，回火完成后整体取出；
S10，待零件冷却至室温后，取下零件内花键中的心轴，正常卸料转热后工序即可。
对于不同结构零件，由于其内花键各个位置处变形规律不一致，如使用等直径圆柱心轴，可能不具备较好的补偿效果。针对此情况，本发明提出了异于等直径圆柱结构的心轴类补偿工装，以满足不同情况下的内花键变形控制：
1.锥形心轴。
此类心轴形状特征为呈锥台状，心轴两端面直径不等，中间外圆面部位为直线过渡，主要用于热处理后内花键两端直径大小有差异的零件。其结构示意图见图2，上端面直径与下端面直径不等，心轴整体存在锥度。对于内花键小径为20～80mm，内花键长度为20～150mm的零件，心轴两端直径差的值一般为0.05～0.2mm。其结构示意图见图2。
在处理将该锥形心轴补偿工装放入内花键零件中，再重新入炉淬火时，控制淬火的温度为800～830℃，淬火时间为15～30min。
2.内凹心轴。
此类心轴形状特征为侧部内弧状的圆柱结构，两端面直径相等，中间外圆面部位为圆弧过渡，主要用于热处理后内花键两端直径尺寸缩小，而内花键中部直径尺寸增大的零件。对于内花键小径为20～80mm，内花键长度为20～150mm的零件，心轴两端与最大内凹处直径差的值一般为0.05～0.2mm。其结构示意图见图3。
在处理将该内凹心轴补偿工装放入内花键零件中，再重新入炉淬火时，控制淬火的温度为790～820℃，淬火时间为15～25min。
3.中部开槽心轴。
此类心轴形状特征为侧部开设凹槽的圆柱结构，上下两端面直径相等，外圆面部位中间开凹槽，与内凹心轴的作用类似。对于内花键小径为20～80mm，内花键长度为20～150mm的零件，心轴两端与最大内凹处直径差的值一般为0.5～5.0mm。中部凹槽高度为H1，心轴总高度为H2，H1：H2的比值一般为0.4～0.8。其结构示意图见图4。
在处理将该中部开槽心轴补偿工装放入内花键零件中，再重新入炉淬火时，控制淬火的温度为790～820℃，淬火时间为15～25min。
4.中部开槽+端面打孔心轴。
此类心轴为在侧部开设凹槽的圆柱结构的上下翼缘上开设通孔，即在中部开槽心轴的基础上，对端面进行了打孔处理，使得零件在加心轴淬火时，淬火油具有更好的流动性，淬火效果更好。对于内花键小径为20～80mm，内花键长度为20～150mm的零件，心轴两端与最大内凹处直径差的值一般为0.5～5.0mm。中部凹槽高度为H1，心轴总高度为H2，H1：H2的比值一般为0.4～0.8。孔的直径的取值范围为其结构示意图见图5。
在处理将该中部开槽+端面打孔心轴补偿工装放入内花键零件中，再重新入炉淬火时，控制淬火的温度为810～840℃，淬火时间为15～30min。
图6(a)-(c)为部分零件与心轴类工装装配示意图。
本发明能够实现内花键变形控制的机理为：
零件经过不加心轴类工装的整体渗碳，其内花键齿顶位置已毫无阻碍的渗入了足量的碳原子，保证了该位置符合图纸要求的碳浓度，能在零件后续淬火时，表面快速的发生马氏体转变，且含碳量越高，转变成的马氏体硬度就越高。
由于零件内花键仅齿顶位置与心轴类工装相接触，其它齿槽处的齿形凹陷与心轴类工装之间存在着足够的间隙，完全可满足淬火油的流动条件，故已有碳原子渗入的条件下，内花键齿顶表面最终亦可顺利的转变为高碳马氏体组织，满足零件的热处理要求，同时，在心轴类工装的限位及支撑补偿下，零件的内花键尺寸也可满足变形要求。该方法既能保证组织性能又能控制内花键变形。
进一步，对于内花键小径为20～80mm，内花键长度为20～150mm的零件，考虑需要同时满足硬化层深与内花键的变形精度(跨棒距、齿向偏差、径节线跳动等)技术指标要求，将不同心轴类工装放入零件内花键中，分别控制再重新入炉不同的淬火温度和淬火时间，可满足内花键的跨棒距公差不大于0.04mm、齿向偏差不大于0.024mm、径节线跳动等变形偏差指标不大于0.06mm。
下面本发明按照图1中的流程，选择了1种同时具有外齿与内花键结构的低碳钢齿轮零件(零件A)，在使用内凹心轴的情况下，进行了两种方案的对比试验，结果见表1。
表1两种方案对比试验热处理指标结果展示
从上述结果可以看出，对于经过两种方案进行热处理后的零件，其外齿处的硬化层深基本不受心轴工装影响。对比例1中的零件内花键齿顶及半齿高的硬化层深均低于本发明中的零件，且两者差距较大；本发明中的零件外齿半齿高硬化层深与内花键半齿高硬化层深接近，零件整体硬化层深的一致性较好。所得的试验结果较好的印证了本发明的机理。
另外，通过控制不同内花键变形补偿工装的淬火条件，实现了内花键的热处理变形优化，使得内花键的变形精度(跨棒距、齿向偏差、径节线跳动等)满足设计要求。本发明选取4种包含外齿与内花键结构的零件(零件B、零件C、零件D、零件E)，分别使用锥形心轴、内凹心轴、中部开槽心轴和中部开槽+端面打孔心轴4种心轴，通过控制不同内花键变形补偿工装的淬火条件，按图1流程生产时加心轴与不加心轴的内花键变形对比，变形数据见表2至表5。
表2零件B使用锥形心轴后内花键变形对比
表3零件C使用内凹心轴后内花键变形对比
表4零件D使用中部开槽+端面打孔心轴后内花键变形对比
表5零件E使用中部开槽心轴后内花键变形对比
从表2至表5的数据结果对比可以看出，本发明使用心轴补偿工装进行内花键变形补偿后，并通过控制不同内花键变形补偿工装的淬火条件，零件内花键的跨棒距公差、齿向偏差及径节线跳动均优于零件不加心轴进行热处理的变形情况。
本发明中热处理方法解决了心轴类工装在保证零件变形可控时极易阻碍零件内花键部位碳原子的渗入使得零件淬火后组织性能不合格的问题，同时满足零件的硬化层深与内花键的变形精度(跨棒距、齿向偏差、径节线跳动)合格要求。所生产的带内花键类零件整体质量符合性高，操作简单，可推广性强且生产过程稳定，二次入炉所增加的少量成本相比零件各部位的热处理一致性而言完全可以接受，能够使得变形控制和组织性能取得很好的平衡，明显的优化带有复杂内花键结构零件的整体生产过程。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
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