CN110283978A - 一种用于磨损失效渗碳齿轮修复的等材再制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于磨损失效渗碳齿轮修复的等材再制造方法，属于等材再制造技术领域。本发明利用齿轮的设计裕度，对其轮毂进行加热并在轴向上挤压，使其沿径向产生塑性流动充型恢复尺寸。而后对其轮齿进行加工及热处理，从而获得与原齿轮性能相同的等材再制造齿轮。本发明的等材再制造法不受齿轮材料的限制，只需对齿轮进行加热冲压，通过塑性变形和再加工来达到恢复齿轮工作尺寸和性能的目的。这种等材再制造的方法不仅能够解决渗碳齿轮难以修复的难题，而且能够节约大量资源能源、降低制造成本，对于我国构建循环经济，实现可持续发展具有重要的意义。

Description

一种用于磨损失效渗碳齿轮修复的等材再制造方法
技术领域
本发明属于等材再制造技术领域，具体涉及一种用于磨损失效渗碳齿轮修复的等材再制造方法。
背景技术
渗碳齿轮再制造一直是世界性的难题，传统常规的修复方法都存在一定的缺陷，如调整换位法只能适用于单向运动齿轮，镶齿法和热喷涂法只能用于受载不大的齿轮，刷镀法仅适合于微量磨损失效齿轮，堆焊法存在热影响区大，容易产生应力集中的问题。
热冲压等材再制造法只需对零部件进行加热挤压，通过塑性变形达到恢复零部件工作尺寸，实现失效渗碳齿轮的再制造修复，其原理是：通过设计合适的模具，限制齿轮在轴向的自由度，保留其在径向的自由度，对轮毂和轮齿部分进行加热冲压，使其沿径向产生塑性流动变形充型，从而使整个轮齿外形略大于新齿轮的外形尺寸，如图1所示。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种通过优化热处理工艺，获得一种用于磨损失效渗碳齿轮修复的等材再制造方法，特别是针对重型机械设备的重载齿轮磨损修复，具有良好的修复效果。
本发明的技术方案是：待修复齿轮脱碳→热冲压充型→粗加工→渗碳→半精加工→热处理→精加工。
具体地，本发明提供一种用于磨损失效渗碳齿轮修复的等材再制造方法，包括以下步骤：
(1)将磨损失效的渗碳齿轮脱碳；
(2)脱碳后的渗碳齿轮热冲压充型；
(3)机械粗加工后进行渗碳热处理；
(4)热处理，精加工。
具体地，本发明的用于磨损失效渗碳齿轮修复的等材再制造方法中，步骤(1)所述脱碳是在770℃-800℃，存在大量脱碳气氛条件下脱碳50-70min，所述脱碳气氛包括氧气、二氧化碳、水蒸气。
优选地，脱碳是在780℃，存在大量脱碳气氛条件下脱碳60min。
本发明中，脱碳的目的是为了增加待修复材料的塑韧性，降低硬度，以利于进行冲压充型，确保在齿轮冲压后冷却过程中减少裂纹的萌生。
本发明的方法中，步骤(2)的热冲压充型是在冲压模具中进行，所述冲压模具的材料为耐压强度高、刚度高的热稳定性材料；
所述冲压模具的规格根据待修复齿轮的齿数、模数、压力角和变位大小，确定齿轮径向变化量与齿轮面法向量之间的关系，以及齿轮磨损失效情况制备得到。冲压模具单边预留挤压变形量为1.8-2.3mm。在本发明的一个实施例中，冲压模具单边预留挤压变形量为2mm。
本发明的实施例中，所述冲压模具的材料为5CrNiMo钢。该钢制得的模具在加热过程中，不随着齿轮的受热膨胀而产生热变形；具有足够的耐压强度和刚度，保证模具受到齿轮塑性流动充型挤压时不变形，将轮齿向径向方向挤压，补充被磨损的材料。
本发明提供的等材再制造方法中，步骤(2)热冲压是指选用压力机在齿轮锻压温度下对齿轮沿轴向进行挤压，使其在径向方向向外扩张充满模具。
本发明的方法中，步骤(3)是将机械加工后的齿轮装入渗碳炉升温至900-950℃，在炉内碳势为1.00％-1.30％的条件下保温15-18h，降低碳势到0.80％-0.95％保温2-3h，空冷。
所述机械加工是去掉热冲压过程中产生的氧化皮及变形不规则的部分。
优选地，步骤(3)是将机械加工后的齿轮装入渗碳炉升温至930℃，在炉内碳势为1.15％的条件下保温16h，降低碳势到0.85％保温2h，空冷。
本发明提供的等材再制造方法步骤(4)的热处理是指步骤(3)的渗碳热处理后，在600-680℃高温回火2-4h，空冷；接着800-830℃淬火25-35秒，油冷；160-180℃低温回火20-40min，空冷；在-55～-65℃冰冷处理20-40min，空冷；最后140-160℃低温回火1.5-2.5h，空冷。
优选地，步骤(4)的热处理是指步骤(3)的渗碳热处理后，在650℃高温回火3h，空冷；接着810℃淬火30秒，油冷，170℃低温回火0.5h，空冷；在-60℃冰冷处理0.5h，空冷；最后150℃低温回火2h，空冷。
步骤(4)所述的精加工包括热处理结束后，参照齿轮常规制造加工工艺，对齿轮进行重新制齿、滚齿、车外圆内孔等，以达到与新品一样的尺寸。
本发明提供了上述等材再制造方法在修复磨损后尺寸失效的渗碳齿轮、延长渗碳齿轮寿命中的应用。
本发明的等材再制造方法，从理论上讲，热冲压等材再制造法是用轮毂材料来补充轮齿的材料，牺牲了齿轮部分的轮毂强度。但是，由于所有的齿轮在设计制造过程中，都会有充足的设计裕度。轮齿齿面被磨损的材料不到1mm，相对整个轮齿而言，所占比例很小。以变速箱中侧减速器被动齿轮为例，齿轮的直径为448mm，厚度为22mm。计算表明，齿轮轮齿经过热冲压后如果在径向方向上增加1mm，轮毂厚度的减小不到0.2mm，相对于轮毂厚度而言减少的比例不足1％，这对其强度的影响是微乎其微。
本发明解决了渗碳齿轮无法再制造的技术难题，提供了一种基于热冲压原理等材再制造的工艺方法，利用齿轮的设计裕度，对其进行加热并在轴向上进行冲压，使其沿径向方向产生塑性流动变形，以恢复尺寸。而后对其轮齿进行加工及热处理，得到与原齿轮性能相同的再制造齿轮。热冲压法对渗碳齿轮进行再制造修复采用了一条全新的技术路线，其优异效果包括：
(1)本发明的核心创新点体现在“等材”，传统的堆焊、激光等方法都要熔覆新的材料来实现齿轮面的修复，传统的堆焊、激光等方法由于存在熔覆材料与齿轮材料间的相容性问题，修复自然也比较困难。与传统的再制造技术(堆焊、激光熔覆)不同，本发明不需要额外添加材料，不受零部件材料的限制只需对零部件进行加热冲压，通过变形和再加工来达到恢复零部件工作尺寸的目的，即可实现齿轮修复自然节材节能，成本低，且促进材料循环利用。
(2)本发明方法可迅速恢复轮齿的尺寸，轮齿的加工余量小，比较适合修复盘状齿轮，也适用于重载齿轮材料的修复。
(3)采用本发明方法的热处理工艺对热胀齿轮进行后续处理后，可以发现渗碳后渗层深度为1.6～1.8mm，渗碳表面硬度达到HRC≥57，心部硬度35～45HRC；渗碳层碳化物1～3级，为均匀分布的细小颗粒状，没有连续网状分布的碳化物，马氏体和残余奥氏体1～4级，马氏体为细小针状；心部组织为低碳板条马氏体和少量铁素体，1～4级。
附图说明
图1为本发明热冲压等材再制造原理图，图中1.热冲压前的毂，2.热冲压后的毂，3.热冲压前磨损的轮齿，4.热冲压后的轮齿，5.轮毂变形量。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别说明，本发明中所使用的其他物料、原料均为可以从市场上购买得到的常规原料。所使用的设备也为本领域的常规设备。本发明中未提及的操作均为本领域的常规操作。
实施例1
本实施例的热冲压等材再制造对象：磨损失效的某型重载车辆侧减速器被动齿轮。其材料为传统的重载齿轮材料20Cr2Ni4A，渗碳后齿面硬度达到HRC57以上，渗碳层深度为1.2～1.8mm，在服役过程中由于齿面磨损而失效。
等材再制造方法：
1、渗碳齿轮表面脱碳处理：在温度为780℃、存在大量脱碳气氛(O2、CO2、水蒸气等)条件下脱碳1小时。
2、热冲压处理：根据齿轮磨损失效情况，齿轮齿数、模数、压力角和变位大小以及后续加工等情况，单边预留挤压变形量为2mm，进而设计制造出合适的热冲压模具，选用2T的压力机在830℃-850℃条件下对齿轮沿轴向进行挤压，使其在径向方向向外扩张充满模具。此处的加热温度即为齿轮锻压温度，由齿轮材料决定。
3、机械粗加工：机械加工去掉热冲压过程中产生的氧化皮及变形不规则的部分。
4、热处理工艺：将机械加工后的齿轮装入渗碳炉升温至930℃，在炉内碳势为1.15％的条件下保温16h，降低碳势到0.85％保温2h，空冷。
然后在650℃高温回火3h，空冷；接着810℃淬火30″，油冷，170℃低温回火0.5h，空冷；在-60℃冰冷处理0.5h，空冷；最后150℃低温回火2h，空冷。
渗层深度为1.6～1.8mm，渗碳表面硬度达到HRC≥57，心部硬度35～45HRC；渗碳层碳化物1～3级，为均匀分布的细小颗粒状，没有连续网状分布的碳化物，马氏体和残余奥氏体1～4级，马氏体为细小针状；心部组织为低碳板条马氏体和少量铁素体，1～4级。
5、机械精加工：热处理结束后，参照齿轮常规制造加工工艺，对齿轮进行重新制齿、滚齿、车外圆内孔等，以达到与新品一样的尺寸。
通过对齿轮实际的测量发现，齿轮在制造之前的设计裕度中其内缘厚度δ一般是30～35mm，按照全新制造的新齿轮的设计强度和设计经验，内缘厚度δ一般不小于15～20mm即可。对整个齿轮的磨损情况的分析和初步计算可知，以变速箱中侧减速器被动齿轮为例，内缘厚度约减小了5～10mm，对于本领域而言，不影响齿轮使用，能够达到最低厚度的水平，因此本发明方法等材再制造获得的齿轮内缘厚度完全可以满足工作强度条件下服役的需求。在轮齿的性能方面，由于材料没有发生改变，而渗碳工艺及热处理工艺也都是在原齿轮的工艺基础上稍作调整因此完全可以达到原轮齿的性能。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于磨损失效渗碳齿轮修复的等材再制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将磨损失效的渗碳齿轮脱碳；
(2)脱碳后的渗碳齿轮热冲压充型；
(3)机械粗加工后进行渗碳热处理；
(4)热处理，精加工。
2.根据权利要求1所述的等材再制造方法，其特征在于，步骤(1)所述脱碳是在770℃-800℃，存在大量脱碳气氛条件下脱碳50-70min，所述脱碳气氛包括氧气、二氧化碳、水蒸气。
3.根据权利要求1或2所述的等材再制造方法，其特征在于，步骤(2)的热冲压充型是在冲压模具中进行，所述冲压模具的材料为耐压强度高、刚度高的热稳定性材料；
所述冲压模具的规格根据齿轮齿数、模数、压力角和变位大小，确定齿轮径向变化量与齿轮面法向量之间的关系，以及齿轮磨损失效情况制备得到，单边预留挤压变形量为1.8-2.3mm。
4.根据权利要求3所述的等材再制造方法，其特征在于，所述冲压模具的材料为5CrNiMo钢。
5.根据权利要求1-4任一所述的等材再制造方法，步骤(2)热冲压是指选用压力机在齿轮锻压温度下对齿轮沿轴向进行挤压，使其在径向方向向外扩张充满模具。
6.根据权利要求1-5任一所述的等材再制造方法，其特征在于，步骤(3)是将机械加工后的齿轮装入渗碳炉升温至900-950℃，在炉内碳势为1.00％-1.30％的条件下保温15-18h，降低碳势到0.80％-0.95％保温2-3h，空冷。
7.根据权利要求1-5任一所述的等材再制造方法，其特征在于，步骤(3)是将机械加工后的齿轮装入渗碳炉升温至930℃，在炉内碳势为1.15％的条件下保温16h，降低碳势到0.85％保温2h，空冷。
8.根据权利要求1-5任一所述的等材再制造方法，其特征在于，步骤(4)的热处理是指步骤(3)的渗碳热处理后，在600-680℃高温回火2-4h，空冷；接着800-830℃淬火25-35秒，油冷；160-180℃低温回火20-40min，空冷；在-55～-65℃冰冷处理20-40min，空冷；最后140-160℃低温回火1.5-2.5h，空冷。
9.根据权利要求1-5任一所述的等材再制造方法，其特征在于，步骤(4)的热处理是指步骤(3)的渗碳热处理后，在650℃高温回火3h，空冷；接着810℃淬火30秒，油冷，170℃低温回火0.5h，空冷；在-60℃冰冷处理0.5h，空冷；最后150℃低温回火2h，空冷。
10.权利要求1-9任一所述的等材再制造方法在修复磨损后尺寸失效的渗碳齿轮、延长渗碳齿轮寿命中的应用。
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