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          齒輪加工熱處理分析

          2020-11-27 08:44:15 峰茂傳動 0

          一、齒輪加工變形問題


            齒輪加工熱處理變形是一個不可逆的塑性變形,首先應該從應力與應變的關系入手。從金屬材料應力-應變曲線知道,金屬材料在外力作用下先有一個彈性變形,在彈性可逆變形過程中應力與應變保持單值線性關系,服從胡克定侓。當外力增加到一定程度的時候,外力大于屈服極限材料發生塑性變形,塑性變形的的實質是晶體內部產生滑移,外力大于斷裂極限時材料就會斷裂。塑性變形的主要方式是滑移和孿生,主要特征是各晶粒變形的不同時性、不均勻性和各晶粒變形的相互協調性。熱處理變形因產生原因不同而有所不同,主要有復雜應力作用下應力值超過材料的屈服強度而產生的塑性變形,組織轉變時相變發生體積變形和淬火后回火不穩定組織的時效變形。熱處理變形的影響因素歸類總結如圖1,根據圖1結合具體條件,大致可以分析出影響熱處理變形問題的主要因素。

          二、齒輪加工熱處理


            討論熱處理過程中內應力,要先從簡單的零件含碳量內外均勻相同情況下非滲碳淬火件的常規整體淬火時的零件內應力狀況說起,零件在加熱和保溫階段產生熱應力,奧氏體化階段由于奧氏體塑性好,珠光體與奧氏體的體積差較小,產生的組織應力也不大。零件在進行冷卻淬火時會產生兩種不同的內應力: 熱應力和相變應力?;ㄩ_兩朵,各表一枝, 先談熱應力,表層與心部只是一種相對簡化的表述方式,工件在加熱和冷卻過程中的真實狀況遠比這個簡單描述復雜得多,實際上由表及里是連續性的物體空間,表層與心部并沒有明確的分界。在熱應力的作用下冷卻淬火時最終使工件表層呈壓應力狀態,而心部呈拉應力狀態。在冷卻開始的時候表層是正的拉應力,心部是負的壓應力,圖2為圓柱純鐵試樣快冷過程中熱應力變化示意圖,圖2(a) 顯示表層與心部溫差最大在W點出現,心部冷卻開始快于表面冷卻,表面拉應力開始下降,心部壓應力開始上升,在某一時刻U點,表里熱應力相交居于0值即此 時此刻熱應力為零; 隨后由于心部冷卻速度繼續快于表面,熱應力方向出現反向,表面呈負的壓應力, 心部呈現正的拉應力,最后到某一時刻V點及以后工件溫度很低,鋼的屈服強度升高,熱應力不再引起塑性變形,這樣應力分布就保留下來,成為殘留應力使得工件發生熱處理變形甚至開裂。圖2(b) 曲線1是試樣完全彈性狀態下表層應力變化示意圖,曲線2是表層實際應力變化示意圖,曲線3是心部實際應力變化示意圖 。圖2(c) 、2(d) 、2(e) 圖分別表示 W、U、V 點時刻表面與中心的應力狀態。

          三、齒輪不同材料情況發生


            不同應力狀態下材料屈服強度不同,并非材料性質變化而是材料在不同條件 下表現的力學行為不同。只有當內應力遠遠小于鋼的脆斷強度時,才可能不會產生開裂。在淬火冷卻過程中,Ms點以上的冷卻主要是受熱應力影響,因為此時沒有馬氏體相變,只有極少的珠光體或貝氏體轉變,所以相變組織應力很小,熱應力越大,變形也越大,這是因為此時材料基體處在奧氏體狀態,塑性較好,一般不會出現開裂現象,但對熱變形影響較大。開裂主要發生在Ms點以下溫度,內因是馬氏體塑性較差,外因是此時的內應力總和(即熱應力與組織應力疊加) 大于材料脆斷強度。如果零件截面較大,淬透性又很好,能夠使零件內部也發生馬氏體相變,冷卻一段時間后心部開始轉變的時候,表層馬氏體轉變早已完成,由于馬氏體轉變有體積膨脹傾向, 隨著轉變量增加,心部對表層施加的應力越來越大, 將表層脆性的馬氏體層脹開形成裂紋源,繼而擴展造成斷裂。然而,心部馬氏體轉變滯后于表層馬氏體轉變,兩者不同步往往是開裂產生的主要原因。理論上講在Ms點以下冷卻速度極快,表層和心部馬氏體轉變幾乎同步,一起發生體積膨脹反而不容易開裂。而冷卻速度較慢時,心部馬氏體轉變量較低, 組織應力不大,反而不容易開裂。然而,介于兩者之間的中間冷卻速度,表層與心部均會先后發生馬氏體轉變,且轉變又不同步時,這種情況最容易引起開裂。因此,淬透性越好,且截面厚度又處在一個危險尺寸范圍內的零件,特別容易出現淬火開裂,其淬火后的殘余應力狀態是表面受拉應力,心部受壓應力。


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