一种用于薄壁内圆弧齿轮零件的淬火模具和热处理方法

技术领域

本发明涉及金属热处理技术领域，尤其涉及一种用于薄壁内圆弧齿轮零件的淬火模具和热处理方法。

背景技术

航空发动机齿轮对精度、产品热处理质量要求严格。如图1所示，某型号发动机齿轮零件为薄壁件，内孔为圆弧结构(内凹形圆弧)，热处理要求外齿与内圆弧面渗碳淬火，技术指标要求为：渗碳有效硬化层深度为0.9～1.15mm，表面硬度≥63HRC，心部硬度为48～52HRC。淬火后要求齿顶外圆直径

现有常规技术方案采用自由淬火(无淬火模具)时齿顶外圆及内圆弧面严重缩小，为了保证内孔尺寸需进行加工，导致渗碳深度偏浅，而齿顶外圆尺寸缩小导致齿顶和齿面没有磨削余量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种装配便捷、变形量和渗碳深度均达到技术指标要求的用于薄壁内圆弧齿轮零件的淬火模具及热处理方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于薄壁内圆弧齿轮零件的淬火模具，包括垫板和位于垫板上的心模、滑块，所述心模外圆与滑块中心孔内壁相配合，所述滑块外壁与齿轮零件的内圆内壁相配合。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述滑块包括多个滑块单元，多个滑块单元沿滑块周向间隔布置。

所述滑块单元包括环形块和位于环形块外壁上的凸起，所述凸起的外壁与齿轮零件的内圆内壁相贴合。

所述凸起间隔设置，相邻凸起之间设有贯穿滑块单元上下表面的通槽，所述通槽和齿轮零件的内圆内壁相联通。

还包括定位件，所述滑块底部开设有定位孔，所述垫板开设有定位槽，所述定位槽和定位孔一一对应设置，所述定位件两端分别位于定位孔和定位槽内。

所述垫板中部开设有沉台，所述心模设置在沉台内，所述滑块设置在沉台外圆周外侧。

所述心模与滑块过盈配合。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种薄壁内圆弧齿轮零件的热处理方法，包括以下步骤：

S1、将齿轮零件整体镀保护层，机加工待渗碳区域；

S2、采用真空渗碳工艺对齿轮零件进行渗碳处理；

S3、对渗碳后齿轮零件依次进行第一次回火处理、淬火处理、冷处理及第二次回火处理，所述淬火处理时采用前述淬火模具固定齿轮零件。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述步骤S3中，所述第一次回火处理的温度为600～750℃，时间为3～6h。

所述淬火处理时的淬火温度为1000～1100℃，保温时间为150～180min。

所述冷处理的温度为-70～-90℃，时间为2～5h。

所述第二次回火处理的温度为400～600℃，时间为2～5h。

所述步骤S2中，所述渗碳处理的温度为950～1050℃，时间为30～50h。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的用于薄壁内圆弧齿轮零件的淬火模具，包括垫板和位于垫板上的心模、滑块，所述心模外圆与滑块中心孔内壁相配合，所述滑块外壁与齿轮零件的内圆内壁相配合，安装时将滑块放置在齿轮零件的内圆内，将心模放置在滑块中心孔内，滑块和垫板连接，将淬火模具安装在淬火机床上；拆卸时，所述拆将淬火模具从在淬火机床上卸载，将滑块和垫板分离，将心模从滑块中心孔内取出，将滑块从齿轮零件的内圆取出，淬火模具加工简单，装配便捷，为圆弧内孔齿轮零件淬火变形控制提供了可靠思路，采用本发明技术方案加工产品后，可使得齿轮零件内圆弧尺寸变形控制在0.1mm以内，椭圆度控制在0.1mm以内，实现渗碳指标和变形指标的双重标准。

附图说明

图1是本发明齿轮零件的剖视图。

图2是本发明淬火模具和齿轮零件的装配示意图。

图3是本发明淬火模具心模的剖视图。

图4是本发明淬火模具滑块的俯视图。

图5是本发明淬火模具滑块的剖视图(沿通槽对称轴方向)。

图6是本发明淬火模具垫板的俯视图。

图7是本发明淬火模具垫板的剖视图(沿某一个定位槽对称轴方向)。

图8是本发明淬火模具定位件的结构示意图。

图中各标号表示：

1、心模；2、滑块；21、滑块单元；211、环形块；2111、定位孔；212、凸起；213、通槽；3、垫板；31、定位槽；32、沉台；4、定位件。

具体实施方式

以下将对本发明做进一步详细说明。除非特殊说明，本发明采用的仪器或材料为市售。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

如图2至图8所示，本实施例的用于薄壁内圆弧齿轮零件的淬火模具，包括垫板3和位于垫板3上的心模1、滑块2，心模1外圆与滑块2中心孔内壁相配合，滑块2外壁与齿轮零件的内圆内壁相配合。淬火模具安装时，将滑块2放置在齿轮零件的内圆内，将心模1放置在滑块2中心孔内，滑块2和垫板3连接，将淬火模具安装在淬火机床上；拆卸时，将淬火模具从在淬火机床上卸载，将滑块2和垫板3分离，将心模1从滑块2中心孔内取出，将滑块2从齿轮零件的内圆取出。淬火模具加工简单，装配便捷，为圆弧内孔齿轮零件淬火变形控制提供了可靠思路，采用本发明技术方案加工产品后，可使得齿轮零件的内圆弧尺寸变形控制在0.1以内，椭圆度控制在0.1以内。

如图4和图5所示，滑块2包括多个滑块单元21，多个滑块单元21沿滑块2周向间隔布置。由于齿轮零件内圆端部的直径小于内圆中部的直径，因此将多个滑块单元21的组装形成滑块2，分批次安装滑块单元21，解决了滑块单元21外壁中部直径大于内圆端部直径导致滑块2安装不了的技术问题，多个滑块单元21的设置便于安装滑块2。

滑块单元21包括环形块211和位于环形块211外壁上的凸起212，凸起212的外壁与齿轮零件的内圆内壁相贴合。

凸起212间隔设置，相邻凸起212之间设有贯穿滑块单元21上下表面的通槽213，通槽213和齿轮零件的内圆内壁相联通。通槽213用于淬火油通道使用，在保证齿轮零件内圆在淬火时不变形的情况下，便于淬火油顺利流动。

淬火模具还包括定位件4，滑块2底部开设有定位孔2111，垫板3开设有定位槽31，定位槽31和定位孔2111一一对应设置，定位件4两端分别位于定位孔2111和定位槽31内。通过定位件4的设置，将淬火模具的心模1、滑块2和垫板3连接为一起。优选地，定位件4为定位销。

优选地，定位孔2111位于环形块211底部，在凸起212底部设有环形盘，便于安装在垫板3上。

如图6和7所示，垫板3中部开设有沉台32，心模1设置在沉台32内，滑块2设置在沉台32外圆周外侧。

心模1与滑块2过盈配合，过盈配合可保证滑块2和齿轮零件内圆涨紧贴合。优选地，心模1设有贯穿心模1上下表面的通孔，在心模1底部外周壁设有缺口，缺口便于淬火油流动。

本发明的一种用于薄壁内圆弧齿轮零件的热处理方法，包括以下步骤：

S1、将齿轮零件整体镀保护层，机加工待渗碳区域；

S2、采用真空渗碳工艺对齿轮零件进行渗碳处理；

S3、对渗碳后齿轮零件依次进行第一次回火处理、淬火处理、冷处理及第二次回火处理，淬火处理时采用淬火模具固定齿轮零件。

步骤S3中，第一次回火处理的温度为600～750℃，时间为3～6h。

淬火处理时的淬火温度为1000～1100℃，保温时间为150～180min。

冷处理的温度为-70～-90℃，时间为2～5h。

第二次回火处理的温度为400～600℃，时间为2～5h。

步骤S2中，渗碳处理的温度为950～1050℃，时间为30～50h。

实施例1

如图1所示某型号发动机传动齿轮渗碳热处理要求为：齿轮外齿及圆弧内孔渗碳淬火，渗碳有效硬化层深度为0.9～1.15mm，表面硬度≥63HRC，心部硬度为48～52HRC。淬火后要求齿顶外圆直径

本实施例的一种用于薄壁内圆弧齿轮零件(以下简称为工件)的热处理方法，具体实施步骤包括：

1、工件整体镀铜后机加工序加工渗碳区域，铜层厚度40μm，无起泡、脱落、针孔等缺陷；

2、工件渗碳区域吹刚玉砂，砂粒目数100目，压力为0.25MPa；

3、工件渗碳，渗碳设备为低压真空渗碳炉，渗碳温度990℃，乙炔流量2000UL/h，渗碳时间27h.

4、工件进行高温回火，高温回火温度为680℃，保温时间5.5h；

5、工件淬火，淬火温度1020℃，采用固体渗碳剂保护加热，淬火加热设备为高温箱式电阻炉，保温时间180min，油冷。采用本发明的淬火模具进行淬火，垫板3通过定位件4与滑块2固定连接，齿轮零件从滑块2上端放下后，将心模1压入滑块2内孔涨紧滑块2。

6、工件进行冷处理，冷处理温度-85℃，冷处理保温时间180min；空冷恢复至室温后1h进行回火；

7、工件进行回火，回火温度490℃,回火保温时间180min，空冷回复至室温。

8、重复步骤6、步骤7一次；

9、理化检测，组织合格，有效硬化层深度1.1mm(测至550HV处)，表面硬度65HRC、心部硬度52HRC，符合技术要求；

10、变形检查，采用本发明方案加工后产品变形检查见下表，各项指标均符合技术要求。

表1本实施例四个样品的变形检查结果

对比例1：

本对比例的薄壁内圆弧齿轮零件的热处理方法与实施例1大致相同，不同之处在于淬火时未采用淬火模具，具体实施步骤包括：

1、工件整体镀铜后机加工序加工渗碳区域，铜层厚度40μm，无起泡、脱落、针孔等缺陷；

2、工件渗碳区域吹刚玉砂，砂粒目数100目，压力为0.25MPa；

3、工件渗碳，渗碳设备为低压真空渗碳炉，渗碳温度990℃，乙炔流量2000UL/h，渗碳时间27h.

4、工件进行高温回火，高温回火温度为680℃，保温时间5.5h；

5、工件淬火，淬火温度1020℃，采用固体渗碳剂保护加热，淬火加热设备为高温箱式电阻炉，保温时间180min，淬火时采用自由淬火，油冷。

6、工件进行冷处理，冷处理温度-85℃，冷处理保温时间180min；空冷恢复至室温后1h进行回火；

7、工件进行回火，回火温度490℃,回火保温时间180min，空冷回复至室温。

8、重复步骤6、步骤7一次；

9、理化检测，组织合格，有效硬化层深度1.06mm(测至550HV处)，表面硬度64HRC、心部硬度51.5HRC，符合技术要求；

10、变形检查，本对比例采用常规方案加工后产品变形检查见下表，不合格。

表2本对比例四个样品的变形检查结果

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。