一种渗碳淬火大内齿齿圈加工方法

摘要

本发明公开了一种渗碳淬火大内齿齿圈加工方法，包括在开齿完成后，依次进行去除机械加工应力、半精车、铣齿、渗碳、感应淬火、精车和磨齿步骤；其中，渗碳按设定淬硬层深度进行；感应淬火采用仿形方式进行逐齿感应淬火；精车采用立式车床装夹和加工包括磨齿装夹基准的加工内容；精车的找正过程包括初步找正和精确找正，初步找正按找正齿轮中心和找平端面进行，并通过在齿宽方向检测多个截面的齿轮分度圆跳动值获得齿轮变形数据；精确找正依据获得的齿轮变形数据，按磨齿余量均匀分布原则找正；磨齿通过磨削齿面获得成品。本发明的有益效果是，齿轮可利用低碳合金钢制造，且使用寿命长，能源消耗低，加工成本低，生产效率高。

权利要求

1.一种渗碳淬火大内齿齿圈加工方法，其特征在于，在开齿工序完成后，依次进行去除机械加工应力、半精车和铣齿工序；还包括以下步骤：S1、渗碳：按设定淬硬层深度的要求进行淬火前的渗碳处理；

S2、感应淬火：按仿形方式进行逐齿感应淬火；

S3、精车：采用立式车床装夹和加工包括磨齿装夹基准的加工内容；其中，找正过程包括初步找正和精确找正，初步找正按找正齿轮中心和找平端面进行，并在初步找正装夹固定状态下，在齿宽方向检测多个截面的齿轮分度圆数据，并将该数据作为齿轮变形数据；精确找正依据获得的齿轮变形数据，按磨齿余量均匀分布原则找正；

S4、磨齿：以精车形成的磨齿装夹基准装夹固定后，通过磨削齿面获得大内齿齿圈成品；

其中，在所述精车步骤的数据采集过程中，包括，首先，在齿宽方向按两端和中间三个截面的圆周方向多个点位，通过量棒法检测节圆径向跳动值，分别进行齿轮分度圆数据采集，并标记在对应齿位上；然后，根据检测数据推算变形趋势，并依据该变形趋势确定模拟变形量对应的磨齿加工余量推算分布情况；或者，将该变形趋势对应的磨齿加工余量推算分布情况与通过磨齿机验证的磨齿加工余量验证结果相结合后，综合确定磨齿加工余量实测分布情况；最后，根据所述磨齿加工余量推算分布情况，或者，磨齿加工余量实测分布情况，按磨齿余量均匀分布的原则进行精确找正，以在找正状态下进行磨齿装夹基准的精车加工。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变形趋势的推算借助计算机并依据预先构建的数学模型进行，以获得对应的磨齿加工余量推算分布情况。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述感应淬火采用仿齿槽形状的仿形感应器进行感应加热。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述仿形感应器具有喷射循环冷却水冷却齿轮的喷水孔。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述感应淬火采用专用数控感应淬火设备进行，且该专用数控感应淬火设备由废旧立式数控机床改造获得。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在开齿工序中，按去除齿槽80%‑90%加工量的要求加工。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在铣齿工序中，按照预留磨齿加工余量条件和ISO1382标准的9级精度要求进行铣齿加工。

8.根据权利要求1～7中任意一项所述的方法，其特征在于，在所述开齿工序前，还包括依次进行的锻造、正火、粗车和超声波探伤的步骤；其中，锻造步骤中，包括按要求控制锻造比，和，带样检测本体晶粒度、机械性能和锻造缺陷；

正火步骤，用以细化晶粒，消除锻造应力；

粗车步骤中，按粗糙度为Ra3.2和保留最大实体尺寸的原则，通过车削加工方式去除黑皮；

超声波探伤步骤，用以探测齿坯内部缺陷，以便剔除内部缺陷超差的齿轮坯件。

说明书

一种渗碳淬火大内齿齿圈加工方法

技术领域

[0001] 本发明涉及齿轮加工技术，特别是一种渗碳淬火大内齿齿圈加工方法。

背景技术

[0002] 机械行业齿轮箱的发展趋势是轻量化，大型化，高功率密度化，20年寿命甚至是无限寿命。行星齿轮箱作为齿轮箱十分重要的一种形式，在国民经济发挥的作用尤其明显。目
前，风电齿轮箱已经发展到了5兆瓦、7兆瓦甚至是10兆瓦以上。作为行星齿轮箱关键零件的
内齿圈，要求也随之提高。内齿圈不仅仅要求低碳合金渗碳钢渗碳淬火，心部组织要求较高
机械性能，包括高强度和高韧性、耐冲击，还要求齿面具有高的硬度，通常洛氏硬度要求为
HRC58‑63，并要求其淬硬层内部组织的一致性，硬化层深均匀性，齿面磨削加工后，齿轮精
度要达到GB/T10095国标5级以上。

[0003] 直径3米模数30以上的内齿圈，在渗碳淬火过程中，变形复杂，变形量大，造成后续磨齿余量极大、各部位不均，最终成品齿面硬度变化大，硬化层深差异大，齿面各部位接触
强度波动大，重量不稳定，导致频繁出现废次品。利用多年收集的传统渗碳淬火工艺数据，
模拟计算一设计中的大型内齿圈φ3500Xφ3000X700外圆3500内孔3000齿宽700模数31的
内齿圈渗碳淬火变形，得出变形数据为，渗碳过程直径变形2.5mm，锥度1.3mm，采用传统整
体加热盐浴冷却淬火直径变形8.5mm，锥度1mm。其中还包括椭圆、扭曲、翘曲变形。预估轮齿
表面单边磨削余量差异量超过2.3mm。以此常规方法组织生产，势必造成磨齿时间长，磨齿
成本高昂，齿面硬化层深波动大，齿面硬度因为渗碳淬火的梯度降差异明显，表面抗磨损高
低不一，整个齿轮齿面接触强度不均，引起早期疲劳点蚀、脱落、极难达到预计的20年寿命，
更别提无限寿命了。

[0004] 这必然造成，为解决硬度差异与齿面硬化层深波动无法按期交检的尴尬局面，设计不得不向制造工艺让步，变更设计方案，如改为中碳渗氮合金结构钢，在齿轮机加工成品
后进行氮化。但是，氮化工艺不仅不可避免地产生变形，导致已经机加工成品的齿轮精度降
低，更严重的是氮化工艺硬化层深有限，超过2mm以上，就极为困难甚至是无能为力了，过低
的硬化层，无法满足大功率密度，高寿命需要的齿面疲劳强度。

发明内容

[0005] 本发明的目的就是针对现有大内齿齿圈加工方法不能达到设计精度和寿命的不足，提供一种渗碳淬火大内齿齿圈加工方法，该方法采用采用渗碳加仿形感应淬火方式确
保淬硬层深度和硬度，以便采用低碳合金制造齿轮，从而使齿轮心部具有良好的综合机械
性能，齿面具有足够强度、硬度和耐磨特性，从而确保使用寿命；同时，在精车装夹过程中，
通过两次找正使加工后的磨齿余量分布均匀，通过磨齿保证齿轮精度，以有确保齿轮啮合
精度，延长使用寿命。

[0006] 为实现前述目的，本发明采用如下技术方案。

[0007] 一种渗碳淬火大内齿齿圈加工方法，在开齿工序完成后，依次进行去除机械加工应力、半精车和铣齿工序；还包括以下步骤：

[0008] S1、渗碳：按设定淬硬层深度的要求进行淬火前的渗碳处理；

[0009] S2、感应淬火：按仿形方式进行逐齿感应淬火；

[0010] S3、精车：采用立式车床装夹和加工包括磨齿装夹基准的加工内容；其中，找正过程包括初步找正和精确找正，初步找正按找正齿轮中心和找平端面进行，并在初步找正装
夹固定状态下，在齿宽方向检测多个截面的齿轮分度圆数据，并将该数据作为齿轮变形数
据；精确找正依据获得的齿轮变形数据，按磨齿余量均匀分布原则找正；

[0011] S4、磨齿：以精车形成的磨齿装夹基准装夹固定后，通过磨削齿面获得大内齿齿圈成品。

[0012] 采用前述技术方案的本发明，齿轮在单独渗碳后采用仿形感应淬火，然后，再进行精车和磨齿加工，渗碳与仿形感应淬火的结合，可获得设计要求的淬硬层深度和硬度，以便
齿轮采用低碳合金钢制造，从而使齿轮具有良好的综合机械性能，心部具有高强度和高韧
性、耐冲击，齿面具有足够强度、硬度和耐磨特性，从而确保使用寿命；另外，淬火后再进行
精车和磨齿加工，可有效保证齿轮精度，以及磨削余量的均匀性，不仅能够确保磨削后淬硬
层厚度的均匀性和深度尺寸要求，还可减少因余量不均匀而导致增加渗碳层和淬硬层深度
的补救措施，从而有效降低渗碳和淬火高耗能工序的能源消耗。

[0013] 优选的，在初步找正装夹固定状态下的数据检测过程中，包括，首先，在齿宽方向按两端和中间三个截面的圆周方向多个点位，通过量棒法检测节圆径向跳动值，分别进行
齿轮分度圆数据采集，并标记在对应齿位上；然后，根据检测数据推算变形趋势，并依据该
变形趋势确定模拟变形量对应的磨齿加工余量推算分布情况；或者，将该变形趋势对应的
磨齿加工余量推算分布情况与通过磨齿机验证的磨齿加工余量验证结果相结合后，综合确
定磨齿加工余量实测分布情况；最后，根据所述磨齿加工余量推算分布情况，或者，磨齿加
工余量实测分布情况，按磨齿余量均匀分布的原则进行精确找正，以在找正状态下进行磨
齿装夹基准的精车加工。以通过实测和模拟分析相结合的手段确定齿轮的淬火变形量，从
而使安装在磨齿上的齿轮齿面的磨齿加工余量形成均匀分布状态，保证磨削后的齿面淬硬
层深度得到保证，为达到设计使用寿命提供保障。

[0014] 进一步优选的，所述变形趋势的推算借助计算机并依据预先构建的数学模型进行，以获得对应的磨齿加工余量推算分布情况。以利用计算机等先进手段，加快磨齿加工余
量分布情况的推算速度，提高效率。

[0015] 优选的，所述仿形淬火采用仿齿槽形状的仿形感应器进行感应加热。以确保每个齿的淬硬层深度达到设定深度要求。

[0016] 进一步优选的，用于所述仿形淬火的仿形感应器具有喷射循环冷却水冷却齿轮的喷水孔。以将加热器和喷水器合为一体，紧凑结构，并确保淬火效果。

[0017] 优选的，所述感应淬火采用专用数控感应淬火设备进行，且该专用数控感应淬火设备由废旧立式数控机床改造获得。通过对废旧立式数控机床的改造，并搭配专用感应淬
火电源，以便利用数控立车刀架装夹专用齿形仿形感应器上下运动，完成感应淬火动作，在
上一齿槽感应淬火完成后，进入下一齿槽前，利用数控立车的工作台A轴执行分度，以适应
内直齿逐齿淬火需要。当需要淬火的齿轮为斜齿时，数控车床工作台A轴与刀架上下Z轴差
补联动，适应斜齿感应淬火需要。从而充分利用废旧设备，降低齿轮加工成本。

[0018] 优选的，在开齿工序中，按去除齿槽80％‑90％加工量的要求加工。以通过合理的加工内容安排，确保后续加工效率和加工精度，达到各工序加工效率平衡目的。

[0019] 优选的，在铣齿工序中，按照预留磨齿加工余量条件和ISO1382标准的9级精度要求进行铣齿加工。以确保后续磨齿余量合理，达到各工序加工效率平衡目的。

[0020] 优选的，在所述开齿工序前，还包括依次进行的锻造、正火、粗车和超声波探伤的步骤；其中，

[0021] 锻造步骤中，包括按要求控制锻造比，和，带样检测本体晶粒度、机械性能和锻造缺陷；

[0022] 正火步骤，用以细化晶粒，消除锻造应力；

[0023] 粗车步骤中，按粗糙度为Ra3.2和保留最大实体尺寸的原则，通过车削加工方式去除黑皮；

[0024] 超声波探伤步骤，用以探测齿坯内部缺陷，以便剔除内部缺陷超差的齿轮坯件。

[0025] 以通过多个前序工序的安排，确保齿轮坯件良好，为齿轮成品合格率提供保障，避免造成后续工序浪费。

[0026] 本发明的有益效果是，齿轮可利用低碳合金钢制造，且使用寿命长，能源消耗低，加工成本低、生茶效率高。

附图说明

[0027] 图1是用于本发明方法的仿形感应器结构示意图。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图对本发明作进一步说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

[0029] 一种渗碳淬火大内齿齿圈加工方法，包括以下步骤：

[0030] 第一步，锻造：包括按要求控制锻造比，和，带样检测本体晶粒度、机械性能和锻造缺陷；

[0031] 第二步，正火：用以细化晶粒，消除锻造应力；

[0032] 第三步，去黑皮粗车：按粗糙度为Ra3.2和保留最大实体尺寸的原则，通过车削加工方式去除黑皮；

[0033] 第四步，探伤：利用超声波探伤机进行超声波探伤，用以探测齿坯内部缺陷，以便剔除内部缺陷超差的齿轮坯件。

[0034] 第五步，粗车：车削各外圆、内孔、台阶等，并将开齿工序用定位基准和夹持部车削到位，其余部位保留留半精车和精车加工余量；

[0035] 第六步，开齿：采用齿轮切削机床在齿坯上加工出齿槽，并按去除齿槽80％‑90％加工量的要求加工；

[0036] 第七步，去应力：通过热处理或机械去应力消除机加工应力；

[0037] 第八步，半精车：按留精车余量加工内容进行半精车加工外圆、内孔、台阶等部位；

[0038] 第九步，铣齿：按照预留磨齿加工余量条件和ISO1382标准的9级精度要求进行铣齿加工；

[0039] 第十步，渗碳：按4.25mm～5.50mm的设定淬硬层深度要求进行淬火前的渗碳处理；

[0040] 第十一步，感应淬火：按仿形方式进行逐齿感应淬火；

[0041] 第十二步，精车：采用立式车床装夹和加工包括磨齿装夹基准的加工内容；其中，找正过程包括初步找正和精确找正，初步找正按找正齿轮中心和找平端面进行，并在初步
找正装夹固定后，在齿宽方向检测多个截面的齿轮分度圆数据，并将该数据作为齿轮变形
数据；精确找正依据获得的齿轮变形数据，按磨齿余量均匀分布原则找正；

[0042] 第十三步，磨齿：以精车形成的磨齿装夹基准装夹固定后，通过磨削齿面获得大内齿齿圈成品。

[0043] 其中，在初步找正装夹固定状态下的数据检测过程中，包括，首先，在齿宽方向按两端和中间三个截面的圆周方向多个点位，通过量棒法检测节圆径向跳动值，分别进行齿
轮分度圆数据采集，并标记在对应齿位上；然后，根据检测数据推算变形趋势，并依据该变
形趋势确定模拟变形量对应的磨齿加工余量推算分布情况；或者，将该变形趋势对应的磨
齿加工余量推算分布情况与通过磨齿机验证的磨齿加工余量验证结果相结合后，综合确定
磨齿加工余量实测分布情况；最后，根据所述磨齿加工余量推算分布情况，或者，磨齿加工
余量实测分布情况，按磨齿余量均匀分布的原则进行精确找正，以在找正状态下进行磨齿
装夹基准的精车加工。变形趋势的推算借助计算机并依据预先构建的数学模型进行，以获
得对应的磨齿加工余量推算分布情况。

[0044] 另外，仿形淬火采用仿齿槽形状的仿形感应器进行感应加热。用于所述仿形淬火的仿形感应器如图1所示，其具有喷射循环冷却水冷却齿轮的喷水孔，而且感应淬火采用专
用数控感应淬火设备进行，且该专用数控感应淬火设备由废旧立式数控机床改造，并搭配
专用感应淬火电源。以便利用数控立车刀架装夹专用齿形仿形感应器上下运动，完成感应
淬火动作，在上一齿槽感应淬火完成后，进入下一齿槽前，利用数控立车的工作台A轴执行
分度，以适应内直齿逐齿淬火需要。当需要淬火的齿轮为斜齿时，数控车床工作台A轴与刀
架上下Z轴差补联动，适应斜齿逐齿感应淬火需要。

[0045] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本
发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变
化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其
等效物界定。