[发明专利]曲齿锥齿轮的抗疲劳制造方法

说明书

技术领域

本发明属于齿轮的制造方法，特别涉及的一种曲齿锥齿轮抗疲劳制造方法。

背景技术

现有技术中，由于航空、航天、汽车、风电、高铁、船舶等高端领域对长寿命、高可靠性齿轮的迫切需求，人们从抗疲劳的逆向思维出发，提出并构建出一个以材料科技为核心，以热处理为手段，以获取高疲劳性能量化指标为目标的一项齿轮抗疲劳制造方法体系。

现有技术中，曲齿锥齿轮的生产技术虽历经百年，但在实际生产中，尤其是汽车工业这一应用曲齿锥齿轮数量最大的领域，其制造方法仍停留在成型制造阶段。这一阶段的显著特征是齿轮材料、热处理的发展远远滞后于齿形加工，或者说现行曲齿锥齿轮制造工程体系与材料的抗疲劳性能相脱节。现在高端的曲齿锥齿轮切削机床已能够在热前高效率的生产出了3级精度的齿轮、但经渗碳淬火后精度将会损失三级以上，由于螺旋角度的变化，且数值离散从而造成齿轮接触区的变化。对曲齿锥齿轮而言，保证正确的接触区是其实现高强度、高寿命、高可靠性的关键所在。

为获得高精度的且处于理论接触区的曲齿锥齿轮副，人们不惜成本的采用昂贵的磨齿机进行热后磨齿，但磨齿只能用于格里森齿制的弧齿锥齿轮，而对于汽车工业普遍采用的“克”制和“奥”制的摆线齿锥齿轮则不能磨齿。为此，人们只有寻求减少热处理变形的方法。

现有技术中，曲齿锥齿轮对热处理变形格外重视，为此这一领域几乎应用了全部的减少热处理的方法。现罗列如下：淬透性钢种、高性能淬火油、淬火压床、精确碳势控制仪器、负压渗碳，以上方法只能改善热处理变形，但在控制齿轮螺旋角的变化方面均无明显效果。由于研齿并不具有误差修正能力，因此对于现行渗碳淬火齿轮的热处理变形修正只有进行磨齿。但是磨齿又存在以下弊端，即设备十分昂贵，生产效率低，造成表面硬化层的不完整，在齿根过度曲线处产生引发应力集中的台阶等等。

针对无法摆脱的渗碳淬火热处理变形，又避免磨齿，三种齿制都有自己的回授加工法。举例讲，奥利康采用全数控铣齿机和三坐标测量机，大论不修正，只通过对小轮的误差分析并通过修正小轮误差来实现接触位置的调整加工，这只能部分地改善接触区，而非实现理论接触区。只有经过无畸形表面硬化技术才能真正实现各种齿制的曲齿锥齿轮的理论接触区啮合，这是锥齿轮制造方法的最高境界。

现有技术中，齿面硬化工艺主要有三种，即感应加热淬火，渗氮和渗碳淬火，但在高端齿轮制造领域只有渗氮和渗碳淬火两种工艺。尽管感应加热技术已出现同步双频淬火、多频淬火、多能级脉冲的短周期而精确的淬火工艺，但在曲齿锥齿轮上应用还有待开发，由于这一工艺采用中碳钢或低淬透性钢种，因而表面接触疲劳强度与耐磨性均难以达到其他两种工艺的水平。

现有技术中，渗氮齿轮的经典生产流程如下：

锻造制坯—预先热处理（正火、正火+回火）粗车齿坯—调质（220～280HB）—精车制坯—齿部粗、精加工至图纸要求—渗氮—修正基准—研齿配对。

渗氮工艺在热处理变形方面较之渗碳淬火与感应加热淬火有明显优势，但渗氮齿轮的承载能力取决于基体强韧化水平，大量实践表明基体硬度在220～280HB的渗氮齿轮的承载能力大大低于渗碳淬火齿轮，因此这种低心部硬度的渗氮齿轮不能取代渗碳淬火齿轮。传统渗氮齿轮这种低调质硬度（220～280HB）、高的表面硬度（700～1000HV）的组合对于抵御交变应力是不合理的。现在我国在渗氮齿轮的技术标准中推荐基体硬度不低于310～330HB。这样的调质硬度，切齿将会遇到困难，对于大批量生产的汽车齿轮而言，这是绝不能接受的，而且这一调质硬度对于键槽的推削加工和拉削加工都将是难题。

以上对曲齿锥齿轮采用的常规表面硬化工艺的现状进行了简要分析，此外在决定齿轮疲劳性能的技术指标的给定上也存在问题，如渗碳淬火齿轮的心部硬度均标注33～43HRC，实践中表明当心部硬度低35HRC时，齿轮的弯曲疲劳寿命很低，只有心部硬度为37～39HRC时才具有高的疲劳寿命，现行生产工艺体系难以保证100%优级品的产出。从抗疲劳制造方法的角度着眼，这些关键的技术指标的给定范围不应将不合格品也规划在内，显然现有技术体系做不到这个层次。

现行渗碳淬火曲齿锥齿轮在疲劳寿命方面存在的弊端是其技术体系所造成的，因此只有创建新的技术体系才能将曲齿锥齿轮制造方法提升到抗疲劳制造的水平。

此外，美国能源部提出的工业现代化发展规划中（又称美国热处理技术线路图），以2000年为基础，到2020年热处理主要达到七项目标：

1、能耗降低80%。

2、工艺周期缩短50%。

3、生产成本降低75%。