Verzahnungsverzug beim Aufkohlen und Abschrecken von Zahnrädern: Prävention und Lösungen

Bringen wir es auf den Punkt und gehen wir direkt zur Frage über:

Abbildung 1 zeigt das Parallelgetriebe eines Megawattmodells eines Unternehmens. Das Zahnrad ist aus 18CrNiMo7-6-Stahl gefertigt und muss aufgekohlt und abgeschreckt werden. Der Zahnradmodul beträgt 10 mm.

Mit einem Außendurchmesser von 1680 mm, einer Zahnbreite von 180 mm und einem inneren Lochdurchmesser von 500 mm ist das Getriebe mit einem dünnen Steg ausgestattet.

Die technischen Spezifikationen des Wärmebehandlungsverfahrens finden Sie in Tabelle 1.

Abb. 1 Gesamtabmessungen des Getriebes

Tabelle 1 Technische Anforderungen an die Wärmebehandlung von 18CrNiMo7-6 Stahlgetriebe

1. Prozessweg

Der Prozessablauf der Zahnradbearbeitung ist Schmieden → Normalisieren → Schruppdrehen → Abwälzfräsen → Anfasen → Aufkohlen und Abschrecken → Kugelstrahlen Hämmern → Semi-Finishing-Drehen → Finishing-Drehen → Keilnut → Montage → Bohren → Zahnradschleifen → Lagerhaltung.

Während der Versuchsproduktion wurde das Zahnrad aufgekohlt, bei hoher Temperatur gehärtet, abgeschreckt, bei niedriger Temperatur gehärtet und kugelgestrahlt. Beim Schleifen des Zahnrads wurde jedoch festgestellt, dass das Zahnrad erhebliche Verformungen aufwies.

Außerdem wurde nach dem Probeschleifen festgestellt, dass die Normale des Teils unter dem erforderlichen Wert lag.

Außerdem gab es deutliche Schleifspuren an der Wurzel des Zahnrads, was zu der Entscheidung führte, das Teil zu verschrotten.

2. Analyse des Produktionsprozesses und des Verformungsmechanismus

Zu Beginn der Versuchsproduktionsphase wurde festgelegt, dass Teile mit der Seriennummer H1 für die Versuchsproduktion verwendet werden sollten, die auf den tatsächlichen Bedingungen vor Ort basierte. Dies war darauf zurückzuführen, dass das Getriebe ein Durchmesser-Breiten-Verhältnis von 9,3 hatte, die Stegplatte dünn war, die Löcher zur Gewichtsreduzierung groß waren und die Teile anfällig für Verformungen waren.

Das Wärmebehandlungsverfahren für die Versuchsproduktion ist in Abbildung 2 dargestellt. Es wurde das Verfahren "Aufkohlen - hohe Ausbeute - Abschrecken - geringe Ausbeute" angewandt. Die Temperatur wurde durch stufenweises Erhitzen erhöht, und das Abschrecken erfolgte im Salzbadverfahren.

Abb. 2 Wärmebehandlungsverfahren für H1-Teile (Originalverfahren)

Die Teile werden mit Hilfe der Werkzeuge eines 2 m tiefen Aufkohlungsofens flach eingebaut. Zur Erleichterung des Vorgangs wurde ein Fahrgestell mit 8 Intervallen gewählt und 4 fächerförmige Wabenplatten wurden in den Intervallen positioniert, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Nach dem Anlassen bei hoher Temperatur wurde die Methode des Abschreckens auf hängend umgestellt, wobei die hängende Position das innere Loch des Teils ist, wie in Abbildung 4 dargestellt.

Abb. 3 H1 Teile Aufkohlen Aufladung

 Abb. 4 H1 Teile Abschrecken Aufladen

Nach der Wärmebehandlung wurden die Teile auf ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften geprüft, die den Anforderungen entsprachen.

Es wurde berichtet, dass sich die Zähne während des Schleifvorgangs stark verzogen haben.

Der durchschnittliche Normalwert der Teile nach dem Probeschleifen beträgt 604,74 mm und liegt damit unter der erforderlichen Untergrenze von 605,014 mm.

Aufgrund der Schleifstufen an einigen Zahnradwurzeln wurden diese Teile als Schrott betrachtet.

Um die Ursache für die Verformung der Teile zu ermitteln, wurden die Ausrichtungsdaten des H1-Teils während des Zahnradschleifens erfasst und analysiert.

1）Prüfen Sie das Toleranzprotokoll zur Ausrichtung des Zahnrads für den Zahnabschnitt. Vergewissern Sie sich, dass sich mehrere Zahnprofile korrekt in der Zahnrichtung schneiden und dass die Gesamtzahnrichtung nicht wesentlich verzerrt ist.

2）Vergleichen Sie die Hoch- und Tiefpunkte der Schleifzahnausrichtung auf der linken und rechten Zahnfläche. Stellen Sie die Ergebnisse in einem Radardiagramm dar, wie in Abbildung 5 gezeigt.

Die Analyse zeigt, dass die größte Verformung an den Zahnpositionen 57 bis 82 auftritt, während die Verformung an anderen Positionen innerhalb akzeptabler Grenzen liegt.

Abb. 5 Verformung der linken und rechten Zahnflächen von Teil H1

3）Bei einem Vergleich der Schleifaufmaßverteilung der linken und rechten Zahnflächen wurde keine signifikante Exzentrizität beim Zahnradschleifen festgestellt. Die Anforderungen für das Drehen der Innenbohrung und des Stirnseitennullpunkts wurden erfüllt.

4）Die Schleifzahnausrichtungsdaten der linken und rechten Zahnflächen wurden gemittelt, wie in Abb. 6 dargestellt. Die Analyse ergab eine offensichtliche elliptische Form im Teilkreis des Teils, mit einem birnenförmigen Trend und einem elliptischen Betrag von etwa 0,18 mm.

Abb. 6 Durchschnittliche Abnutzung der linken und rechten Zahnoberflächen der H1-Teile

Anhand der Analyse der Schleif- und Zentrierdaten von H1-Teilen lässt sich derzeit nicht feststellen, ob die Zahnverformung der Teile auf Stirnflächenverzug oder Zahnverzug zurückzuführen ist.

Die Teile weisen einen elliptischen Verlauf auf und haben ein birnenförmiges Profil.

Obwohl es nicht möglich ist, festzustellen, ob eine bestimmte Position mit der Aufhängung zusammenhängt, lässt sich aus der Einpunktaufhängung ableiten, dass die Position des Birnengriffs (in der Nähe des 148. Zahns) der Ort ist, an dem die Werkzeuge anliegen und die Ausbeulung am größten ist.

Die Position der maximalen Verformung der linken und rechten Zahnoberfläche folgt keinem signifikanten Muster, aber der Verformungstrend ist in der Nähe des elliptischen birnenförmigen Schwanzes (d. h. des unteren Teils der Aufhängung) am größten.

Ausgehend von der obigen Analyse sind die Hauptursachen für die Verformung des Werkstücks folgende:

1）Die zufällige Verteilung der Zahnverformung in den Teilen hängt mit dem Aufkohlungsprozess zusammen, einschließlich Faktoren wie Heizrate, Aufkohlungstemperatur und andere.

2）Bei der Aufkohlung werden nur vier Wabenscheiben in Abständen angeordnet. Während des Aufkohlens kann es zu Kriechvorgängen kommen, die zu einer Verformung der Stirnfläche führen, wodurch sich die Zahnrichtung ändern kann.

3）Beim Aufhängen kann es während der Erwärmung zum Kriechen kommen, was zu einer Verformung führt, die sich hauptsächlich in Form einer Ellipse äußert, die durch das Aufhängen beim Abschrecken verursacht wird.

4）Wenn Teile in einem Salzbad abgeschreckt werden, zeigt die erste Kontaktposition eine größere Tendenz zur Verformung. Diese Position kommt zuerst mit dem Salzbad in Berührung und liegt näher am unteren Rührwerk, was zu einer höheren relativen Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit führt.

3. Prozessverbesserung

Auf der Grundlage der Analyse des H1-Teils konnte der Hauptfaktor, der die Verformung des Teils verursacht, nicht ermittelt werden.

Als erster Schritt zur Verbesserung wurde das Wärmebehandlungsverfahren geändert. Die Verformung des Zahnrads nach dem Aufkohlen wurde verfolgt, um festzustellen, ob während der Aufkohlungsphase eine wesentliche Verformung durch die Wärmebehandlung stattgefunden hatte.

Das Testteil hat die Seriennummer H2, und die Aufkohlungsmethode ist die gleiche wie bei H1.

3.1 Verbesserung des Aufkohlungsprozesses

Um die thermischen Spannungen und den Verzug während der Aufkohlung zu minimieren, wurde das Verfahren wie in Abb. 7 dargestellt aktualisiert. Der neue Ansatz umfasst die Senkung der Anfangstemperatur der Teile beim Eintritt in den Ofen, die Verlängerung der isothermen Phase bei 650℃ und 880℃, die Ausweitung des isothermen Bereichs bei 770℃ und die Senkung der Aufkohlungstemperatur im hoch aufgekohlten Bereich.

Abb. 7 Wärmebehandlungsprozess von H2-Teilen (verbessertes Verfahren)

3.2 Verbesserung der Aufkohlungsladung

Um den Verzug der Zahnradstirnfläche während der Aufkohlung und seine Auswirkungen auf das Zahnprofil für die anschließende Ausrichtung des Zahnradschleifens zu analysieren, wurde für die H2-Teile die Beschickungsmethode der H1-Zahnräder im ersten Produktionslauf wiederholt. Sie markierten die Stirnfläche nach dem Hochtemperaturanlassen und drehten den Stirnflächenbezugspunkt vor dem Schleifen der Zahnradausrichtung auf der Zahnradschleifmaschine vor.

Während des Benchmark-Drehens entdeckten sie jedoch einen signifikanten Rundlauf an der Stirnseite, wie in Abb. 8 dargestellt. Die Positionen mit Wabenplattenunterstützung wiesen alle hohe Punkte auf, während die Positionen ohne Unterfütterung niedrige Punkte aufwiesen. Der Unterschied zwischen den hohen Punkten betrug etwa 0,2 mm und der Unterschied zwischen den niedrigen Punkten etwa 0,25 mm.

Abb. 8 Axialer Rundlauf von H2-Teilen nach dem Aufkohlen

Die Ausrichtungsdaten der Verzahnung zeigen, dass sich die Zahnrichtung des Teils deutlich gekreuzt hat, aber es sind keine Ellipsen sichtbar. Der maximale Unterschied zwischen den Hoch- und Tiefpunkten auf der linken und rechten Zahnoberfläche tritt dort auf, wo die Wabenplatte nicht gepolstert ist.

Weitere Untersuchungen des Aufkohlungsmodus für H2-Teile ergaben, dass ein übermäßiger axialer Rundlauf, der durch Kriechen während der Aufkohlung verursacht wird, ein Hauptfaktor für die Verformung der Teile ist. Um den axialen Rundlauf des Zahnrads nach der Aufkohlung zu minimieren, wurde die Anzahl der unteren Stützwabenplatten von 4 auf 8 erhöht, wie in Abb. 9 dargestellt.

Durch diese Änderung konnte der axiale Rundlauf der Teile nach dem Aufkohlen und Abschrecken auf unter 0,52 mm begrenzt werden.

Abb. 9 Aufkohlungsladung nach Verbesserung

3.3 Verbesserung der Abschreckungsladung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die schnelle Abkühlgeschwindigkeit bei etwa 1/4 des unteren Teils des Zahnrads einer der Faktoren ist, die zur Verformung des Zahnrads beitragen. Daher muss das Abschreckverfahren angepasst werden. Für die Tests wurden aufgekohlte H2-Teile verwendet, und die untere Schale wurde mit einem Dämpfungswerkzeug versehen, um die relative Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit am unteren Ende des Zahnrads während des Abschreckens zu verringern.

Um zu überprüfen, ob die relevanten physikalischen und chemischen Indikatoren beeinträchtigt wurden, wurden zahnförmige Proben der gleichen Spezifikation mit dem Ofen befördert. Tabelle 2 zeigt die Prüfergebnisse für die zahnförmige Probe, die nach dem Abschrecken mit dem Ofen befördert wurde und die akzeptabel waren.

Im Vergleich zu H1 wurde die Verformung der H2-Teile nach dem Abschrecken in gewissem Maße reduziert, und die gemeinsame Normale der Teile nach dem Zahnradschleifen lag 0,03 mm unter der Untergrenze des Normwerts. Daher können die Teile mit einigen Zugeständnissen verwendet werden.

Tabelle 2 Wärmebehandlungsergebnisse von H2-Teilen

3.4 Überprüfung der Optimierung

Bei der Herstellung von Teilen mit den Seriennummern H3 und H4 werden sowohl das in Abb. 8 gezeigte Aufkohlungsverfahren als auch das flache Chargierverfahren verwendet, bei dem die Wabenplatten während des Aufkohlens ganz nach unten gelegt werden (wie in Abb. 9 gezeigt). Darüber hinaus wird das Chassis während der hängenden Abschreckbeschickung mit Netzdämpfungswerkzeugen versehen, um die Verformung der Teile nach dem Aufkohlen und Abschrecken zu verbessern.

Abb. 10 und Abb. 11 zeigen das Radardiagramm der Schleifzahnausrichtungsdaten von H3-Teilen, wobei die Position des Zahns Nr. 109 die Drehpunktposition beim Aufhängen ist. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die Ellipse im Wesentlichen mit den H1-Teilen übereinstimmt. Darüber hinaus sind die Gesamtverformung und die Verformung des ersten Kontaktbereichs mit dem Flüssigkeitsspiegel während des Abschreckens deutlich geringer.

Abb. 10 Linke und rechte Zahnflächen der verformten H3-Teile

Abb. 11 Durchschnittliche Abnutzung der linken und rechten Zahnoberflächen der H3-Teile

Tabelle 3 und Abb. 12 zeigen die Zusammenfassung der Verformung der Teile nach der Wärmebehandlung mit verschiedenen Aufkohlungsverfahren und Chargiermethoden.

Aus dem Vergleich geht hervor, dass der Zahnverzug des Werkstücks nach dem verbesserten Aufkohlungsprozess, der optimierten Aufkohlung und der Abschreckladung um etwa 40% reduziert wird.

Tabelle 3 Einfluss verschiedener Chargier- und Wärmebehandlungsverfahren auf die Zahnradverformung

Abb. 12 Kasten- und Liniendiagramm der verschiedenen Chargierverfahren und der Verformung bei der Wärmebehandlung

3.5 Massenproduktion

Auf der Grundlage der in der Prototyp-Phase gesammelten Erfahrungen wurde das Werkzeug zum Abschrecken und Aufhängen von der ursprünglichen Ein-Punkt-Auflage auf ein Zwei-Punkt-Auflagesystem umgestellt. Außerdem wurde die Ellipse des Teils von ursprünglich 0,14-0,18 mm auf 0,05-0,10 mm reduziert.

Hinsichtlich der Passung für die Kalt- und Warmbearbeitung schrumpft die gemeinsame Normale des Teils nach dem Aufkohlen und Abschrecken um etwa 0,25 mm. Daher sollte vor der Wärmebehandlung ein Aufmaß von 0,25 mm für die gemeinsame Normale beim Wälzfräsen kompensiert werden.

Als Ergebnis dieser Verbesserungen sind nun alle 30 in einer Kleinserie hergestellten Zahnräder qualifiziert.

4. Schlussfolgerung

1）Bei Flachzahnrädern ist es wichtig, dass alle Punkte der Stirnfläche während des Aufkohlens gleichmäßig abgestützt werden. Um die durch Kriechen während der horizontalen Aufkohlung verursachte Verformung der Stirnfläche zu verringern, kann der Abstand der ursprünglichen vier Wabenscheiben auf die vollständige Anordnung von acht Wabenplatten geändert werden.

2）Das hängende Werkzeug wird zum Abschrecken verwendet. Durch Hinzufügen eines Netzdämpfungswerkzeugs am Boden der Abschreckwanne wird die relative Durchflussrate der Abschreckung Kühlmedium und Teile wird reduziert. Dies führt zu einer deutlichen Reduzierung der Zahnverformung im unteren Bereich des hängenden Werkzeugs.

3）Um Spannungen und Hochtemperaturkriechen während der Wärmebehandlung von Flachzahnrädern zu verringern, kann die Aufkohlungstemperatur gesenkt, die Temperaturanstiegsstufe erhöht, die isotherme Zeit verlängert und die Aufkohlungstemperatur reduziert werden.

4）Durch die Verbesserung der Wärmebehandlung und des Prozesses konnte die Verformung der Zahnradstirnfläche von 1,06 mm auf 0,52 mm reduziert werden. Der Teilkreisrundlauf wurde von 0,18 mm auf 0,1 mm reduziert, und der Zahnverzug wurde um etwa 40% verringert. Diese Verbesserungen haben zu einer Qualifikationsrate von 100% für die Kleinserienproduktion geführt.