薄壁硬齿面内齿圈加工怎么保障齿部精度和稳定性

　通过对薄壁硬齿面内齿圈的工艺研究和试制，从零件锻造、加工和热处理等全过程采取措施，提高了零件的齿部精度和稳定性，提高了产品合格率。

　 图 1 所示矿山工程用内齿圈零件外径为 570mm，最大内径为 509mm，壁厚为 30mm。其壁厚为外径的 1/20，属于薄壁类零件。零件材料为 35CrMo，热处理方式为调质+渗氮，要求齿部硬度≥500HV，深度≥0.5mm，加工困难，热处理变形严重。

　图 1 内齿圈零件结构

　零件的试制包括锻造毛坯、机械加工、设计专用工装、热处理及生产运输等多道工序，经多次减小加工应力、热处理应力，使零件获得了较好的齿部精度和稳定性，同时大幅提高了产品合格率。

　加工工艺

　针对零件易变形的特点，确定内齿圈加工的主要工序为：锻坯→正火→粗车→探伤→调质→半精车→粗插齿→低温时效→精车→组合磨→精插齿→钳工→氮化→检测。

　毛坯锻造

　毛坯锻造工艺过程为：下料→加热→镦粗→压平→冲孔→辗环→正火。毛坯的制造采用钢锭镦粗冲孔后碾环的方式，改进了金属的致密度，细化了粗大的晶粒，可获得均匀的壁厚。锻后及时正火处理，可获得较小的毛坯热应力，提高了切削性能。同时，碾环工艺使材料利用率提高 12%左右，降低了生产成本。

　粗车、探伤

　粗车工序切除加工表面的大部分加工余量，保证外圆、内孔留余量 8mm ，端面单边留余量 4mm，表面粗糙度值达 Ra=6.3μm，为后续探伤做准备。通过探伤工序，对零件内部质量进行检验。

　调质

　通过调质作为预备热处理工序，减少渗氮的畸变，使零件既获得较高的强度，又获得优良的韧性、塑性及切削性能。

　调质采用的工艺为：850℃加热×1.5h→油淬火→600℃回火×1.5h→炉冷→空冷。

　调质时应注意全程起吊为平装，采用分段加热，淬火转移时间控制在 30s 内，炉冷至 400℃等温一段时间再空冷。通过调质可达调质硬度 217～250HBW。

　半精车、粗插齿

　 半精车工序底部端面向上找正、夹紧，对自由公差的外圆、内孔和齿顶圆车削至设计尺寸，其余外圆留余量 2mm，并保证齿外圆表面粗糙度值达Ra=3.2μm，作为插齿工序找正基准；零件翻面车其余尺寸至设计要求。

　粗插齿工序，顶部端面向上，按已车齿顶圆找正、夹紧，找正误差≤0.05mm，采用 B 级插齿刀进行插齿，公法线留余量 1mm 左右。

　 热处理时效

　 高温时效是由室温缓慢均匀加热到 550℃进行去应力退火，保温 6h，再严格控制降温速度至温度 150℃以下时出炉（要求炉内温度差在±25℃内，升温速度≤50℃/h，降温速度≤20℃/h，避免产生二次应力）。

　 通过该工序去除前期应力，消除工件的内应力，稳定组织和尺寸，改善力学性能。

　精车、插齿

　精车工序对称找正齿顶圆 8 个点，180°方向公差≤0.04mm，90°方向公差≤0.08mm，夹紧，采用专用扇形车削夹具可增大夹具与工件的接触面积，车各部尺寸至图样要求。上止口车削一段表面粗糙度值达 Ra=3.2μm，作为插齿工序找正基准。零件调头按相同工艺车削至图样要求。

　插齿工序，顶部端面向上，按已车找正带找正，采用 A 级插齿刀插齿。其中，第一次插削后余量为公法线 0.2mm，切削速度采用 16 次/min；磨刀后插削到位，切削速度采用 12 次/min，加工至图样要求后，为避免齿部锥度，在径向进给量为 0mm/z 的情况下走一圈。

　氮化

　氮化采用的工艺为：清洗→烘炉→升温→保温→升温→保温→降温→空冷。

　氮化前应清洗干净。氮化装炉采用平装，摆放要平稳，无倾斜悬空。采用二段气体氮化处理，先进行 200℃烘炉和 300℃预氧化，再采用 520℃×15h，氨气分解率 25%左右；二段渗氮 560℃×12h，氨气分解率 50%左右；最后以 40℃/h 的降温速度炉冷至 160℃出炉空冷。满足渗氮深度≥0.5mm 的要求。经对试块检验分析，渗层和硬度均符合技术要求，工件变形≤0.02mm。

　 结语

　内齿圈材料为常见的 35CrMo 渗氮钢。由于零件结构属薄壁类，故对生产技术要求较高。零件畸变是个系统工程，前期的毛坯制造、预备热处理、加工制造、生产转运及热处理过程衔接直接影响最后的结果。加工过程采用统一基准，以减小加工应力。齿圈氮化处理通过合理的装炉方式、气压和温升，来保证渗氮变形。通过对多工序的严格控制，试制零件最终达到工件直径变形≤0.02mm、径向圆跳动≤0.02mm 及齿部精度 7 级，完全满足图样和使用要求。

　该文针对薄壁齿圈的加工难点，在工艺试制过程中，从锻造毛坯、机械加工、专用工装及热处理工艺等方面采取措施，以减小变形应力，提高了零件的齿部精度和稳定性，为薄壁齿圈的加工和质量控制积累了经验。

　文章的亮点是工艺过程的完整性。工序内容简明扼要，无一句冗词赘语。精车和插齿工艺基准一致，热处理过程衔接合理，通过对多工序的严格控制，试制零件的齿部精度完全满足图样要求。