（机械工程专业论文）斜齿圆柱齿轮渗碳淬火过程的建模和计算机仿真.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文以n 1 9 0 8 1 斜齿圆柱齿轮为研究对象，采用a n s y s 有限元分析计算软件， 利用温度场一应力场的耦合、温度场、应力分布和应变的仿真计算，仿真结果与测 量结果基本吻合，间接验证了理论模型和计算的可行性。期间完成了以下工作： 斜齿圆柱齿轮渗碳淬火过程热力学模型； 斜齿圆柱齿轮渗碳淬火过程的计算机仿真； 大模数斜齿圆柱齿轮渗碳淬火变形分析； 斜齿圆柱齿轮渗碳淬火工艺的改进建议； 仿真结果的验证与分析 经过分析结果发现； 渗碳后分度圆齿厚和齿顶圆直径适量增加；淬火后齿顶圆径向尺寸增加较大，分 度圆齿厚变化波动较大，但基本呈增加趋势。 在释放残余应力同时，轮齿形状会发生不同程度的改变，分度圆区域膨胀，轮齿 径向收缩，进行回火处理可降低淬火残余应力，减少变形量。 测量结果与仿真结果产生一定程度的差异经过反复测量验证，揭示了齿轮渗碳及 淬火过程的应变原因及规律，提出了对毛坯工艺、渗碳工艺处理、淬火设旌的改进，为 今后同类齿轮设计和加工提供参考依据。 通过此次对大模数传动齿圈的渗碳淬火过程的计算机仿真研究，所揭示的规律和 结果对以后的深入研究都有一定的参考价值和意义。 关键词：斜齿圆柱齿轮渗碳淬火热应力仿真 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 l ep a p e rt e l l sa b o u tf e aw o r kf o rt h eh e l i c a lg e a rw h o s ec o d ei sn 1 9 8 0 - 1 t h ep a p e r u s e ss o m ef u n c t i o n sf r o ma n s y ss o f t w a r es u c ha st e m p e r a t u r ef i e l d ，s t r e s sf i e l d ，c o u p l i n g b e t w e e ns t r e s sa n dt e m p e r a t u r e ，s t r e s sa r r a n g e m e n ta n di n c r e m e n ts i m u l a t i o nc a l c u l a t i o nt o f i n dt h a tt h ef m a lr e s u l t sa r ea ss a u 3 ea st h et e s t i n gd a t a i tp r o v e st h a tt h e o r ym o d e la n d c a l c u l a t i o nm e t h o da r er e a s o n a b l ea n da c c e p t a b l e 1 h ed e t a i lw o r k sa r ea st h ef o l l o w i n g ： t h e r m a lm o d e lf o rt h eq u e n c h i n ga n dc a r b o nh a r d e n i n gp r o c e s sf o rt h eh e l i c a l ；g e a r ； s i m u l a t i o no f q u e n c h i n ga n dc a r b o nh a r d e n i n gf o r t h eh e l i c a lg e a r a n a l y s i sf o ri n c r e m e n tf r o mq u e n c h i n ga n dc a r b o nh a r d e n i n gp r o c e s so fb i gm o d e l h e l i c a lg e a r ； s n g g e s t i o n so fi m p r o v e m e n tf o rt h eq u e n c h i n ga n dc a r b o nh a r d e n i n gp r o c e s so fb i g m o d e lh e l i c a lg e a r ； a f t e ra n a l y s i sf o rt h er e s u l t sf m ms i m u l a t i o n , s o m ei m p o r t a n ti n f o r m a t i o ni sf o u n d ： a f t e rc a r b o n i z a t i o n , t h eg e a rt h i c k n e s sa tp i t c hc i r c l ea n dt h ed i a m e t e ra tg e a rt o pa l e g e t t i n gb i g g e r ；a f t e rq u e n c h i n g ，t h ed i a m e t e ra tg e a rt o pa r eg e t t i n gm u c hb i g g e r , t h eg e a r t h i c k n e s sc h a n g e ss t r o n g l ya n di t sm a i na s p e c ti sg e n i n gb i g g e r ； a f t e rt h er e m a i n i n gs t r e s sw a sr e l e a s e d ，t h et o o t hp r o f i l ew i l lc h a n g ed i f f e r e n t l y , t h e p i t c hc i r c l ea r e ai sg e t t i n gb i g g e r , a n dt h ed i a m e t e ro ft o o t ha r eg e t t i n gs m a l l e r , a n ds o t e m p e r i n gt r e a t m e n tw a sd o n e t 0r e d u c et h er e m a i n i n gs t r e s sf r o mt h eq u e n c h i n gp r o c e s ss o a st or e d u c et h ei n c r e m e n t t h i sp a p e rc o m p l e t e st h et r a n s i e n tt h e r m a la n a l y s i sf o rn 1 9 0 8 - 1h e l i c a l s p u rg e a ra b o u t q u e n c h i n g ，i n c l u d i n gt h es i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o no f t e m p e r a t u r ef i e l d ，s t r e s sd i s t r i b u t i n g a n ds t r a i n 。s i m u l a t e dr e s u l tf i t sw i t hm e a s u r er e s u l t ，s u c hv a l i d a t e s0 1 1 1 m o d e l i n ga n d c a l c u l a f i o n k e yw o r d s ：h e l i c a l - s p u rg e a rc a r b u r i z i n gq u e n c h i n g h o ts t r e s ss i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：咎鼍妯孙 日期：z 腑6 年，口月2 莎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密曰 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：懈 日期：2 “年p 月殆日 一 指导教师签名：乡订左黜 日期：妒占年，。月参日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 绪论 1 1 1 齿轮的发展历史 齿轮传动是近代机器中最常见的一种机械传动，是传递机器动力和运动的一种主 要形式，是各种机械产品的重要基础零部件。它与带、链、摩擦、液压等机械传动相 比，具有功率范围大、传动效率高、圆周速度高、传动比准确、使用寿命长、结构尺 寸小等一系列特点。因此，它已成为许多机械产品不可缺少的传动部件，也是机器中 所占比重最大的传动形式。齿轮的设计与制造水平将直接影响到机械产品的性能和质 量。由于齿轮在工业发展中的突出地位，致使齿轮被公认为工业化的一种象征。 齿轮传动技术经历了长期的历史发展过程。公元前4 0 0 2 0 0 年，我国古代就开始 使用齿轮，在我国山西出土的青铜齿轮是迄今已发现的最古老齿轮，作为反映古代科 学技术成就的指南车就是以齿轮结构为核心的机械装置。在国外，在公元前1 5 0 年的 希腊，著名学者亚里土多德和阿基米德都研究过齿轮。希腊有名的发明家古蒂西比奥 斯在圆板工作台边缘上均匀地插上销子，使它与销轮啮合，他把这种机构应用到刻漏 上。但直到1 7 世纪末，人们才开始研究能正确传递运动的轮齿形状。在1 6 9 4 年，法 国学者p h i l i p p ed e l ah i r e ，首先提出渐开线可作为齿形曲线。1 7 3 3 年，法国人c a m u s m 提出并建立了齿轮关于接触点轨迹的概念。1 7 6 5 年，瑞士的e u l e rl 阐明了一对 齿轮啮合其齿形曲线的曲率半径和曲率中心位置的关系。后来，s a v e r y 进一步完成了 此方法，成为现在的e u l e r - - s a v e r y 方程。对渐开线齿形应用做出突出性贡献的是英国 学者r o b e r tw i l l i s ，他提出中心距变化时，渐开线齿轮具有角速比不变的优点。1 8 7 3 年，德国工程师h o p p e 提出，对不同齿数的齿轮，在压力角改变时的渐开线齿形，从 而奠定了现代变位齿轮的思想基础。 华中科技大学顽士学位论文 齿轮传动在我国的发展是从渐开线齿廓起步的。渐开线齿轮在技术上最成熟，应 用最具备条件，因而使用也最普遍，并在机械传动设计中，占有主导地位。从建国初 期开始，在一般与重要的设备传动系统中，都是采用的渐开线齿轮。限于当时的制造 水平，多数齿轮传动采用定轴式结构，齿轮为调质处理的软齿面齿轮，精度只有8 - 9 级，在使用中极易点蚀，使用寿命较低。 解放后，在借鉴前苏联技术的前提下，我们开始研究与使用单圆弧齿轮。由于单 圆弧齿轮的啮合特点，在软齿面条件下其齿面接触强度与渐开线相比有显著提高。从 六十年代开始，国家“一五”建设的重点企业一洛阳矿山机器厂为我国提升机配套的 齿轮传动都是单圆弧齿轮，为我国采矿与齿轮事业的发展做出的突出贡献。到1 9 7 0 年 以后，我国又发展了双圆弧齿轮，它简化了切齿工艺，大大提高了轮齿的弯曲强度， 使圆弧齿轮的技术达到了更完善的程度。 到上世纪7 0 年代末，随着我国的改革开放和国民经济的快速发展，随着国外先进 机械产品的引进与齿轮制造水平的提高，齿面经渗碳淬火、氮化或感应淬火处理的所 谓硬齿面渐开线齿轮开始为人们所重视。这种齿轮由于齿面硬度高与齿轮精度好而大 大提高了齿轮承载能力和使用寿命，同时又因结构尺寸的减小使齿轮装置的成本大为 降低。到八十年代中后期，由西安重型机械研究所开发了国内第一套z d y 、z l y 、 z s y 硬齿面渐开线齿轮减速器系列，而当时的洛阳矿山机器厂等知名齿轮加工企业已 具备了硬齿面渐开线齿轮的制造能力。 国际上，动力传动齿轮装置正沿着大功率、小型化、高速化、低噪声、高可靠性 方向发展。在冶金、电力、建材、炼油等行业，对传动装置的承载能力、运行线速 度、使用可靠度、维护都提出了很高的要求。如传动功率最大达4 4 m w ，输入转速最 高达6 7 0 0 0 r p m ，齿轮圆周速度最高为1 7 0 m s ，为提高齿轮传动的承载能力，硬齿面齿 轮技术的先进技术已应用到齿轮传动上来。国外硬齿面齿轮技术日趋成熟。采用优质 合金钢锻件渗碳淬火磨齿的硬齿面齿轮，精度不低于i s 0 1 3 2 8 标准规定的6 级，综合 承载能力为中硬齿面调质齿轮的4 倍，为软齿面齿轮的5 “6 倍。一个中等规格的硬齿 2 华中科技大学硕士学位论文 面齿轮减速器的重量仅为软齿面齿轮减速器的三分之一左右。 1 1 2 课题背景 随着我国国民经济的快速发展，作为国家基础产业的机械设备也相应朝着大型化 方向发展。作为机械设备的重要元件一齿轮传动装置的传递功率也越来越大，产品规 格尺寸也越来越大。为了满足机械设备传递动力的需要，同时减少齿轮传动的结构尺 寸和重量、提高齿轮的承载能力以及克服热处理技术和加工机床带来的限制，最大化 提升齿轮装置的综合性能指标要求应用于机械中的齿轮等机械零部件具有高强度、高 可靠性。因此，为提高机械零部件的材料强度，大多数采用各种热处理及表面处理等 方法。目前，常常是通过渗碳淬火实施表面硬化处理，以取代传统的齿轮调质处理。 中信重型机械公司是我国水泥工业重点制造企业。发展2 0 0 0 4 0 0 0 吨侣的水泥成 套生产线既有利于节能又利于环保，对国内水泥行业发展具有重要意义。其所需磨机 功率在2 0 0 0 k w 4 5 0 0 k w 之间，这就需要2 0 0 0 k w 4 5 0 0 k w 的磨机传动装置与之配 套，而目前国内为水泥行业配套的设备一般都在2 0 0 0 吨日以下，2 0 0 0 4 0 0 0 吨日水 泥成套生产线装备的国产化已迫在眉睫。为抓着这一市场机遇，公司研制开发具有体 积小、重量轻、承载能力高、成本低廉的水泥磨机用m g f 系列中心驱动硬齿面减速 器。不仅能完全满足建材行业水泥磨机的配套要求，而且也标志着我公司己填补了国 内在此领域的一项空白，为我公司将来开拓国内外市场打下了坚实的基础，而且为大 型磨机传动装置的开发起到了非常重要的作用。在研制出的五台系列减速器中， m g f l l 0 0 中心驱动硬齿面减速器，用于云南昭通项目中中3 9 m 水泥磨机上作为主传 动减速器，传递功率1 0 0 0 k w ，已通过现场安装调试，运转良好，受到用户好评。 m g f l l 0 0 a 中心驱动硬齿面减速器，用于新安特种水泥厂3 9 m 水泥磨机上作为主 传动减速器，传递功率1 0 0 0 k w ，现正在公司内制造，即将装配调试。m g f l l s 0 中心 驱动硬齿面减速器，用于山西闻喜项目中3 5 1 0 m 原料磨机上作为主传动减速器，传 递功率1 4 0 0 k w ，已通过现场安装调试，运转良好，受到用户好评。m g f l 4 0 0 a 中心驱动 华中科技大学硕士学位论文 硬齿面减速器，用于山西闻喜项目巾3 8 x1 3 r a 水泥磨机上作为主传动减速器，传递功 率2 8 0 0 k w ，已通过现场安装调试，运转良好，受到用户好评。m g f l 4 0 0 中心驱动硬齿 面减速器，用于吉林双阳水泥厂中4 2 l l m 水泥磨机上作为主传动减速器，传递功率 2 8 0 0 k w ，已通过现场安装调试，运转良好，受到用户好评。 去年，公司与海螺集团签定十台m g f 3 5 5 减速器，为了保证产品的顺利研制，输出 级渗碳淬火齿轮的制造是一项关键的技术难点。 在制造过程中，其输出级渗碳淬火齿轮模数为2 8 ，在齿轮的表面硬化处理中，预 测及控制齿轮渗碳淬火后产生的变形、应力、硬度的偏差是重要课题。本课题采用实 测与仿真来预测和控制上述偏差的具体方法，并以m g f 3 5 5 减速器的传动部件一 n 1 9 0 8 1 斜齿圆柱齿轮为研究对象( 材质为2 0 c r n i 2 m o a ) ，以此建立模型，对渗碳淬火 过程中温度、相变及应力一变形间的复合现象( 相互关系) 进行了仿真。根据实测值与仿 真值比较了各种结果，明确了齿轮渗碳淬火的变形、应力、硬度的趋势，指出了仿真 中必须考虑相交塑性变形，为齿轮的磨削加工提供合适的工艺参数。 1 2 有限元方法 a n s y s 是一个功能十分强大的有限元分析软件，不仅适用于常规工程问题的静态 或动态有限元分析，还能在诸如流体力学、热力学( 温度场) 、电磁场等方面进行有 限元计算。 在实际生产过程中，常常会遇到多种多样的热传递问题：如计算某个系统或部件 的温度分布、热量的获取或损失、热梯度、热流密度、热应力及相变等。所涉及的部 门包括：能源，化工、冶金、建筑、电子、航空航天、农业、制冷及船舶等。以机械 加工为例，往往需要估算和控制工件温度场；分析不同工件条件下，不同材料及几何 形状对温度场变化的影响；以防止加工过程中缺陷的产生。a n s y s 作为新颖的有限元 分析软件在热分析问题方面具有强大的功能，而且界面友好，易于掌握，可以随心所 欲地选择图形用户界面方式( g u i ) 或命令流方式进行计算 2 1 。 4 华中科技大学硕士学位论文 a n s y s 热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算物体内部各点 的温度、并导出其它热物理参数。运用a n s y s 软件可以进行热传导、热对流、热辐 射、相变、热应力及接触热阻等热问题的分析求解。 a n s y s 不仅能解决纯粹的热分析问题，还能解决与热相关的其它诸多问题，如 热一应力分析、热一电分析、热一磁分析等。一般称这类涉及两个或多个物理场相互 作用的问题为耦合场分析。a n s y s 提供了两种分析耦合场的方法：直接耦合法和间接 耦合法【3 l 。 直接耦合法的耦合单元包含与相应的耦合场相关的所有必须的自由度，采用耦合 单元仅仅通过一次求解就能得出耦合场的分析结果。这种方法实际上是通过计算包含 所有必须项的单元矩阵或单元载荷向量来实现的。间接耦合法又称序贯耦合法，主要 通过第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场的耦合。热一应力耦 合分析就是将热分析得到的节点温度作为载荷施加到后继的应力分析中来实现耦合。 1 3 课题意义 采用齿面硬化处理制成硬齿面齿轮，是提高齿轮强度及承载能力的有效途径，也 是齿轮传动的主要发展趋势，目前大多数齿轮制造业发达国家已普遍采用了硬齿面齿 轮。在实现硬齿面的各种热处理工艺( 渗碳淬火、氮化、表面淬火等) 中，渗碳淬火工艺 虽然比较复杂，但在传递相同功率( 扭矩) 的情况下，齿轮的减速器体积最小、重量 最轻，整机价格最低，是生产应用中最主要的工艺方法1 4 1 。为得到硬齿面齿轮，各国至 今仍然采用机械加工( 或塑性成形) 一渗碳一热处理的传统工艺存在如下问题： 齿轮表面渗碳层厚度不一致，不利于齿轮综合性能的提高。渗碳处理是在齿轮切 削或塑性成形后进行，由于没有确立渗碳层控制技术，齿根与齿面在同一渗碳氛围中 进行渗碳处理，齿面、齿顶及齿根的渗碳层浓度、梯度、厚度大致相同。然而由于齿 面与齿根的工作特性不同，要求齿面渗厚、齿根渗碳层薄。为了保证齿面的耐磨性， 使含碳量达到或超过0 1 8 。渗碳层深度与模数之比应为0 1 2 - 4 ) 1 2 5 ，而有效硬化层与 华中科技大学硕士学位论文 齿轮模数之比为0 1 时，齿曲疲劳强度最高；因此为了保证齿根弯曲强度，则渗碳层的 含碳量和渗碳层深度就满足齿面接触疲劳强度的要求嘲 6 1 。在实际生产中，很难二者兼 顾，达到理想状态。为了防止轮齿硬化层的剥落，有效硬化层深度应不小于最大剪应 力深度的1 5 倍。出于安全性等考虑，一般规定齿廓中点处的有效硬化层深度不小于 节点处最大剪应力深度的2 倍。正常工艺条件下，齿廓的硬化层深度从齿顶到齿根平 缓过渡( 减小) ，齿根处的渗层深度一般不小于齿廓中点渗层深度的8 0 左右。 n 1 9 0 8 1 斜齿圆柱齿轮属于大模数重载传动齿轮，由于传动功率大，耐磨性要求 高，普遍采用高强度的合金结构钢材料加工。基本加工工序是：锻造毛坯一正火一车 削滚齿一渗碳淬火一车削一磨齿等。渗碳深度5 0 5 6 m m ，表面硬度h r c 5 7 6 1 ， 心部硬度h r c 3 5 4 0 。经过对其热处理前后检测数据的对比表明：热处理后齿轮的齿 向、齿形、端面、外圆、内孔都存在不同程度的变形，其变形又相互影响，内孔的变 形会加大端面的变形，端面的变形又会加大齿向和齿形的变形，对后道工序加工造成 了很大的影响 7 1 。 齿轮经渗碳淬火后，其外径变形可达到2 5 m m 以上，端面变形3 m m 以上，齿轮 精度因齿圈全跳动、齿向、齿形的变化，致使加工余量不好确定，余量太大则工效太 低，余量太小则导致废品【钔。因此，寻找出渗碳淬火变形的规律，以求在冷加工中进行 工艺改进和优化热处理工艺有很大的现实意义。 其淬火变形量难以计算，使得必须提前留有充分的加工余量，保证淬火后、磨削 前有足够的磨削量，实际生产中的磨削量过多、磨削难度较大，直接影响到生产成 本。故有必要建立轮齿的数学分析模型，计算热处理过程中的渗碳层厚度和加工余量 问题，以此为生产工艺的参数设定提供参考。 1 4 研究内容及创新点 1 4 1 本论文的主要研究内容如下： 1 1 选择n 1 9 0 8 1 斜齿圆柱凿轮为研究对象，获取其工艺尺寸参数，为建立数学模 6 华中科技大学硕士学位论文 型提供参考； 2 ) 查阅必要的资料，获取齿轮材质2 0 c r n i 2 m o a 在2 0 1 0 0 0 c 的热、力学参数， 绘制必要的变化曲线，为后继的热、力学分析提供依据； 3 ) 通过实验测量统计渗碳过程斜齿圆柱齿轮法面的尺寸增量，主要测量内园、齿 顶圆径向尺寸增量及分度圆齿厚增量a d l 、a d 2 、a q ； 4 ) 建立淬火过程中齿面及齿形的数学模型，主要测量内圆、齿顶圆径向尺寸增量 及分度圆齿厚增量。d l 、。d 2 、。4 , ； 5 ) 建立斜齿圆柱齿轮实体在淬火过程中的应力应变模型及计算机仿真，。 大模数斜齿圆柱齿轮渗碳淬火变形分析及斜齿圆柱齿轮渗碳淬火工艺的改进建议。 1 4 2 本论文的主要创新点： 1 ) 大型渗碳淬火齿轮的变形控制与研究，需要受到条件的限制、较高的成本和较 长的实验时间，通过计算机的仿真，可以大大提高研究效率，降低实验费用，还可以 在计算机仿真不同工艺参数下的实验，已获得合理可行的最佳的工艺参数。 2 ) 淬火过程齿轮的冷却速度及温度无法确定，为了研究需要，设置了o 5 秒、 o l o 秒、o 1 5 秒、o 2 0 秒、0 2 5 秒、0 3 0 秒等不同的时间区段内逐一进行温度 场仿真设置了不同的时间区段内，逐一进行温度场、应力分布、应变的仿真。分析了 在o 5 秒和o 1 5 秒的温度场、应力场以及x 、y 向的应变情况。 7 华中科技大学硕士学位论文 2n 19 0 8 - 1 斜齿圆柱齿轮的几何特征和制造工艺 2 1 n 19 0 8 - 1 斜齿圆柱齿轮的几何特征 n 1 9 0 8 一l 斜齿圆柱齿轮是3 5 5 0 k w 水泥磨机传动装置主减速器的输出级大齿轮，其 输出力矩3 2 0 0 k n m ，必须承载很大的载荷。因此其采用材料2 0 c r n i z m o a 进行渗碳淬 火工艺使齿面渗碳深度5 o 5 6 m m ，表面硬度h r c 5 7 6 1 。1 9 0 8 1 斜齿圆柱齿轮的几 何特性如下： 图2 - 1n 1 9 0 8 1 斜齿圆柱齿轮示意图 华中科技大学硕士学位论文 表2 - 1n 1 9 0 8 - 1 斜齿圆柱齿轮参数及技术要求 渐开线圆柱齿轮特性表 序号项目名称 代号数值 l 齿数 z8 7 2基本 模数 m n2 8 3 参数 齿形角q n 2 0 4 齿高系数 h “h f1 1 4 5 分度圆柱螺旋角 1 38 5 6 螺旋线方向 l r 左 7 变位系数 x0 2 2 4 8 精度等级 g b l 0 0 9 5 8 86 k l 9i 齿距累积公差 f p o 1 6 1 0 齿形公差 矗 o 0 4 2 1 1 齿距极限偏差f p t 0 0 3 6 1 2i i i 齿向公差厶 0 0 2 8 1 3 公法线跨越齿数 k1 0 1 4 公法线理论长度w k 8 1 5 8 0 5 1 5 公法线平均长度极限偏差e w j e w l o 4 2 0 5 l 技术要求 1 齿面渗碳淬火处理，有效硬化层深度5 巧6 m m ；齿面硬度h r c 5 7 + 4 ；齿芯硬 度h r c 3 5 4 0 2 机械性能ob 1 0 8 0 m p a ；os 一 7 8 5 m p a ；6g 8 ；1 l r 3 5 ；& ，4 7 j c r a 2 ： 3 淬火后对齿部进行喷丸处理； 4 进行探伤检查，齿部进行磁粉探伤，不允许存在线性磁痕显示，整体进行超 声波探伤，内部不允许有白点、裂纹，同时内部质量应符合g b f r 5 0 0 0 1 5 9 华中科技大学硕士学位论文 1 9 9 8 标准规定得i i i 级要求； 5 齿形两端棱边及齿顶沿齿长棱边倒角2 x 4 5 ； 6 棱边倒角2 x 4 5 2 1 1 法面齿廓采样点的理论计算 由于斜齿轮的齿面为渐开螺旋面，故其端面齿形与法面( 垂直于轮齿方向的截 面) 齿形是不同的，因此端面和法面的参数也不同。斜齿轮切齿刀具的选择及轮齿的 切制是以法面为准，其法面参数取标准值。为了能够准确和方便建立几何模型，将建 立以法面参数为基准的齿轮齿面模型1 9 1 。另外，由于轮齿参数相同，热处理的边界条件 相同，相邻轮齿接触区域为对称边界约束，故选取齿轮的1 8 7 部分( 1 轮齿+ l 轮齿根 部内圈部分) 为研究对象。这样可以简化计算模型，节省内存空间，提高运算速度， 其仿真结果与实际完整齿轮基本一致。 2 1 2 法面齿廓特征 渐开线齿廓k 点的压力角： e o s a , = 生 ( 2 1 ) 渐开线齿廓上k 点的极径： 珞= 屹c 0 5 口k ( 2 - 2 ) 渐开线齿廓上k 点的展角： o k = i n v 口k = t a n a k 一吼 ( 2 3 ) 渐开线齿廓上k 点的极角： i 丸= 万一+ 嚷( 吮 万，2 ) 【九= p + o k ( 纯 g 2 ) ( 2 - 4 ) 公式中为初始化角( = 0 时极径与x 轴的夹角) ，可以根据分度圆处的角度和极径值 l o 华中科技大学硕士学位论文 来计算。显然只要确定了齿廓上任意点k 的压力角就可以求出对应的极径珞、展角 o k 、极角丸。这样就可以计算出k 点的位置枷。计算流程图2 - 2 如下： l 根据齿轮特性表中数 l 据计算出基圆直径“ i 选定1 0 个点的极径r k 利用公式( 2 2 ) 计算出 对应的压力角a 。 l 利用公式( 2 3 ) ( 2 4 ) 计算出对应的展角0k 和极角由k 图2 - 2 计算渐开线齿廓参数流程图 选1 点r k = 1 1 7 1 9 7 依图可以计算出压力角c t k = 1 2 4 2 ，展角0k = o 2 0 2 3 。，极角由 k = 8 8 4 311 。其他点计算方法同上，计算结果见表2 - 2 表2 2 法面齿廓选点计算数值 序号 压力角吒( 度) 极径r k ( r a m )展角最( 度)极角纯( 度) 11 2 4 21 1 7 1 9 70 2 0 2 38 8 4 3 1 l 21 4 】1 7 9 ，5 9 o 2 8 5 4 8 8 5 1 4 2 31 5 51 1 8 7 7 50 3 8 9 5 8 8 6 1 8 3 41 71 1 9 6 8 50 5 1 7 l8 8 7 4 5 9 51 8 51 2 0 6 9 2o 6 7 0 98 8 8 9 9 7 62 01 2 1 80 8 5 3 78 9 0 8 2 5 7 2 0 7 51 2 2 3 9 40 9 5 7 48 9 1 8 6 2 82 1 5 1 2 3 1 1 51 0 6 9 4 8 9 2 9 8 2 92 2 2 51 2 3 6 6 31 1 9 0 38 9 4 1 9 1 1 02 31 2 4 3 3 91 3 2 0 68 9 5 4 9 4 1 12 3 8 l1 2 5 11 4 7 2 48 9 7 0 1 2 2 i 3 建立齿轮模型 华中科技大学硕士学位论文 利用a n s y s 软件，第一步逐级进入菜单，按照生成两个圆环面，打开面编号控 制，进行删除扇形面，显示所有实体后再进行面分解操作，删除多余的线，然后进行 线分解操作，由关键点生成线后再进行面分解操作，最后镜像复制，合并面操作和合 并线。第二步进行划分网格，先设置单元尺寸，进行对面划分网格工作后，再设置网 格拖动控制，由2 d 网格拖动生成3 d 后转换视角，显示网格后改变当前坐标系，最后 生成齿的网格，合并节点和合并关键点并压缩编号。第三步施加约束条件并求解，先 选择齿轮内源上的所有节点后，显示所选的节点，施加约束条件，指定分析类型进行 模态分析设置，选择所有实体并保存数据，最后求解运算。 2 2n 19 一1 斜齿圆柱齿轮的制造工艺流程 n 1 9 0 8 1 斜齿圆柱齿轮采用的工艺方案是一般渗碳淬火齿轮的典型加工工艺，这 种加工工艺已在公司经过近二十年的应用，证实其具有良好的工艺性、安全性、可靠 性。针对n 1 9 0 8 1 斜齿圆柱齿轮。 表2 3 斜齿圆柱齿轮的制造工艺卡片 序号 工序名称 工序主要内容说明加工，检验设备 工装 检测项目 备注 1 冶炼 采用真空冶炼 直流光谱仪化学成份、纯 客炼成份试样取自 d v 4 净度、晶粒度 呈中的钢流 2 锻造 锻造比3 ，进行初次探 水压机 外观质量、内 伤，合格后发加工u t 仪部质量 3 粗车各外圆及端面留量，全部立式车床 棱边按留量倒角 4 u t 探伤 超声波探伤检查内部质量u t 仪内部质量 5 正火 预热处理，电炉加热大、小电炉 6 生 按外睡及端面找正，凹槽立式车床 车成，齿顶圆按图车成， 内径及端面留量 华中科技大学硕士学位论文 序号工序名称工序主要内容说明加工，检验设备工装检测项目备注 7 划端面孔线 8 钻钻端面孔钻床 9 租滚齿齿形预加工，要求精度达立式滚齿机磨前滚刀公法线长度 到g b l 0 0 9 5 、8 级，采 用磨前滚刀刮削，留半精 滚及磨齿余量 1 0 钳工端面齿形及齿顶沿齿长棱角向磨光 边倒角机 1 1 渗碳电炉加热，并采用可控气奥地利渗碳炉专用吊具渗碳层深度热处理 氛气体渗碳，通过留取的工艺 试样检测渗碳层深度 1 2 车 找正齿顶圆两端截面外立式车床 百分表 圆，精车内孔及端面，粗 糙度r a 6 3 1 3 钳工端面齿形倒角 1 4 淬火电炉加热，并采用可控气大、小电炉专用吊具机械性能热处理 氛气体保护加热，通过留专用液压万能试工艺 取的试样检测机械性能验机 1 5 喷丸消除热处理氧化皮，使齿喷丸机 根产生残余压应力，提高 齿根抗弯疲劳强度 1 6 u t 探伤超声波探伤，此次探伤结u t 仪 保存探 果最终确定零件内部质量伤报告 是否合格 1 7车 按基准找正，车齿顶圆找 卧式车床百分表 正带与基准端面，车内孔 留量。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 序号 工序名称 工序主要内容说明 加工，检验设备工装检测项目备注 2 0 半精滚齿按基准端面与齿顶圆找正 立式滚齿机 硬质合金 公法线长度 带找正，采用硬质合金滚滚刀 刀刮削，按规范留量 2 1 磨齿按基准端面与齿顶圆找正 p 2 8 0 0 g z p 5 0 公法线长度、保存检 带找正，在磨齿过程中检 磨齿机 齿形、齿向等 测报告 查齿形、齿向等精度 2 2 检查用磁粉探伤法检查齿面是磁粉探伤仪烧伤和裂纹 保存探 否有烧伤和裂纹伤报告 2 3 钳端面齿形及齿顶沿齿长梭角向磨光 边倒角机 2 3 n | 9 0 8 - 1 斜齿圆柱齿轮齿面渗碳工艺 n 1 9 0 8 1 斜齿圆柱齿轮采用的渗碳工艺为现行的通用工艺，其对一般类的渗碳钢 齿轮具有普遍的指导意义，因此参考渗碳工艺做方案。 5 0 冷却 时间( h ) 图2 2n 1 9 0 8 - 1 斜齿圆柱齿轮齿面渗碳工艺 气体渗碳常用方法有三种：一段渗碳法、分段渗碳法和恒温变碳势渗碳法。经过 分析比较，并结合现有的实验设备( 可控气氛渗碳炉) ，本实验确定采用恒温变碳势 方法进行渗碳。此过程为强渗接扩散，即强渗期采用较高碳势( 碳势控制在1 1 1 4 华中科技大学硕士学位论文 1 4 ) ，使齿轮表面强烈增碳，造成从齿面到心部较高的碳浓度梯度。扩散期碳势控 制在0 7 5 0 8 5 ，此时介质碳势低于齿轮表层碳浓度，扩散期中，齿轮表面碳原子 在较高碳浓度梯度作用下，由表向里扩散，另一部分则离开表层进入气体介质中。扩 散期使得渗层深度增加，表层碳浓度降低，浓度梯度下降，强渗期与扩散期的时间长 短依据所要求的硬化层深度来控制f j j 】f 】2 】【j 3 】。 相变状态的渗碳过程是非稳定、非线性复杂过程。在各种分析方法中，如果要提 t 出非线性问题，则首先是指渗碳过程，此时在扩散方程式中的扩散系数将随相变而出 现差异，且随温度与碳浓度的梯度的变化而变化。其次是在温度分析时，由于考虑到 伴随相变的潜热及应力的作用，因而属非线性问题。在进行应力分析时，除了因弹塑 性结构式产生的非线性外，还有因相变膨胀、相变塑性等产生的非线性问题。特别是 渗碳时，若考虑随碳浓度变化而变化的材料物理性能值，则在材料的物理性能值中包 含的非线性因素就很多。但是，有关在运用了相变一热一力学理论的仿真中所使用的 材料参数，如综合考虑温度、碳及相交等的影响，则即使是经常使用的碳素钢，对参 数的了解也不是很清楚。 因此，在本研究课题中，为提高非线性分析的精度，对有关碳素钢2 0 c r n i 2 m o a 的潜热、热膨胀系数与相变膨胀系数对于碳浓度依赖性进行了测定。n 1 9 0 8 1 斜齿圆 柱齿轮齿面渗碳工艺如下图2 - 1 所示。0 4 其渗碳分析如下： 1 ) 首先，进行材料加热时的温度分析。由于这时产生热膨胀及热应力，所以，考虑 温度与应力应变的复合，不考虑由于加热而导致的逆相变； 2 ) 求出在渗碳过程中的碳浓度分布，渗碳过程处于高温状态且温度恒定，因而， 考虑了扩散分析与蠕变的非弹性分析，不进行综合型分析； 3 ) 为使固体内部的碳浓度稳定，与实际的渗碳一样，采用了让材料稍作冷却，再 通过保温完成固体内部的扩散过程，至于扩散过程，同样实施了扩散分析及根据蠕变 的非弹性分析。 2 4n 19 0 8 - 1 斜齿圆柱齿轮齿面淬火回火工艺 华中科技大学硕士学位论文 n 1 9 0 8 1 斜齿圆柱齿轮采用的淬火工艺为现行的通用工艺，其对一般类的渗碳 淬火钢齿轮具有普遍的指导意义，因此参考淬火工艺做方案。 时间( h ) 图2 - 3n 1 9 0 8 - 1 斜齿圆柱齿轮齿面淬火工艺 n 1 9 0 8 1 斜齿圆柱齿轮作为大模数重载传动齿轮，传动功率大，耐磨性要求高， 普遍采用高强度的合金结构钢材料加工，其淬火回火工艺如图2 3 所示。经过对其热 处理前后检测数据的对比表明：热处理后齿轮的齿向、齿形、端面、外圆、内孔都存 在不同程度的变形，其变形又相互影响，内孔的变形会加大端面的变形，端面的变形 又会加大齿向和齿形的变形，对后道工序加工造成了很大的影响。其淬火变形量难以 计算，使得必须提前留有充分的加工余量，保证淬火后、磨削前有足够的磨削量，实 际生产中的磨削量过多、磨削难度较大，直接影响到生产成本“3 1 。 2 5 本章小结 在本章研究了建立1 8 7 齿轮法面模型的可行性，计算了法面齿廓特征法面齿廓特 征和法面齿廓选点计算数值，选定了斜齿圆柱齿轮的制造工艺流程、斜齿圆柱齿轮齿面 渗碳工艺斜齿圆柱齿轮齿面渗碳工艺、斜齿圆柱齿轮齿面淬火回火工艺，对后续研究工 作的开展提供了理论依据。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 3n 19 0 8 - 1 斜齿圆柱齿轮渗碳淬火过程热力学模型 2 0 c r n i 2 m o a 低碳合金钢是我公司首选的渗碳钢之一，长期以来具有稳定的化学成 分、成熟的冶炼工艺过程。其热力学性能参数已作为标准列入国家渗碳钢材料手册。 3 1 相关材料热力学参数列表 3 1 1 热学性能参数 n 1 9 0 8 1 斜齿圆柱齿轮材质选用2 0 c r n i z m o a ，其热学性能参数如下表3 1 3 1 】【3 2 】1 3 3 】。 表3 - 12 0 c r n i 2 5 4 0 a 热学性能参数 密度p ( k g m 3 ) 7 8 2 0 比熟容c ； 2 0 0 c 4 6 0 【j ( k g k ) 】 温度f o1 0 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 ( o c ) 热传导率a 1 4 71 6 61 82 0 8 2 3 5 2 6 3 2 8 2 w ( m k ) 】 3 1 2 力学参数 表3 - 22 0 c r n i 捌o a 力学性能参数 温度t弹性模量e屈服强度o切变模量g 线膨胀系数 泊松比 ( )( p a )( p a )( p a )1 ， 2 01 9 3 e 1 10 2 c 91 9 3 e 1 0 5 0 01 5 e 1 10 9 3 3 c 91 5 e l o 1 0 0 00 7 e l l0 4 3 5 e 90 7 e l oo 2 91 7 8 e 5 1 5 0 0o 1 e l l 0 0 7 e 9 0 1 e l o 2 0 0 0o 0 1 e l lo 0 0 7 e 90 0 l e l 0 1 7 华中科技大学硕士学位论文 3 2 齿面材料与介质( 油) 的热交换系数计算 3 2 1 经典对流传热计算方法 齿面材料与介质( 油) 的热交换系数是整个淬火应变模型的关键参数之一，但由 于实验条件的限制，无法现场准确测量齿面材料与介质( 油) 的热交换系数，故采用 经典对流传热方法来计算热交换系数，即对流换热系数。 流体纵掠平壁时的层流强迫对流传热是较简单的对流传热，其理论比较成熟，实 验结果也很准确，且两者符合得好。布拉修斯( b l a s i u s ) 通过相似变换将边界层动量 微分方程简化为布拉修斯常微分方程的方法，并求得边界层内的速度分布。波尔豪森 ( e p o h l h a u s c n ) 利用上述速度分布并用类似的方法求解边界层能量微分方程，得出计 算局部对流换热系数和平均对流换热系数的特征关系式【1 5 1 ： z = 竿：0 3 3 2 r e 。1 2 r k i 3 。 ( 3 1 ) n u m ：掣：0 6 6 4 r e m l 2 。k i 3 ( 3 - 2 ) 0 6 p k 5 0 ， r e 5 x 1 0 式中： 一特征温度，且0 = ( 0 + ) 2 ： x 特征尺寸； f 板长。 对于流体纵掠平壁，且从工= 0 处就形成湍流边界层的情况( 即整个平壁上都是湍 流边界层) ，科尔伯恩( c o l b u r n ) 利用热量传递和动量传递的普朗特比拟法，得出了 如下计算局部对流换热系数吃和平均对流换热系数 的特征关联式1 5 】： 虬：挈：0 0 2 9 6 r c 。4 1 5 。k 1 3 ( 3 - 3 ) 1 8 华中科技大学硕士学位论文 式中： 帆：h 1 ：o 0 3 7 r e ：5 p 0 6 睨 6 0 ， ( 3 - 4 ) ，卅一特征温度； z 特征尺寸； l - - - 板长。 工程上，流体纵掠平壁时的湍流边界层往往发生在平壁后部，前部仍为层流边界 层，常称为复合( 或混合) 边界层。此时整个平壁表面的平均对流传热系数是以) 【c 为界 分两部分积分再求平均值，即【1 5 l 幽3 1 半壁表向的对沉抉热系数 = f 红出+ k 凼 式中：k 一层流边界层局部的对流换热系数，可用( 3 - 1 ) 计算，w ( m 2 * k ) ； k 一湍流边界层局部的对流换热系数，可用( 3 3 ) 计算，w ( m 2 * k ) 。 将式( 3 1 ) 和( 3 3 ) 带x 5 j = ( 3 5 ) ，整理得到复合层平均对流换热系数： 2 争p r ( o - 6 6 4 r e 譬+ o 0 3 7 r e 警_ o 0 3 7 r e ：) 式中： r e a n - - - 临界雷诺数，n r e 。= 坠生。 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 1 9 华中科技大学硕士学位论文 一般情况下取r e 。= 5 x 1 0 5 ，运动粘度= 丝，则上式可简化为： ，一m e 帆= o 0 3 7 ( r e l 。, ；8 2 3 5 0 0 ) p r ： 3 ( 3 7 ) 粘争m 。( 3 - 8 ) 式中： 0 一特征温度； x 一特征尺寸； l - - - 板长。 值得注意的是，齿面在淬火过程中，对流换热情况比较复杂，实际上淬火初期还 存在相交，使得换热系数瞬