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动力钳中渗碳淬火齿轮内花键孔的加工工艺

石油钻井和修井动力钳(以下简称动力钳)是我公司的主要产品。

齿轮加工在动力钳的制造过程中占据了很大比例，因此我们在加工过

程中会经常遇到各种齿轮加工方面的问题。其中，渗碳淬火齿轮内花

键孔的加工就是比较有代表性的问题。我们公司经过多年实践，摸索

了一些比较成熟的加工工艺，取得了良好的效果。

在齿轮加工中，为解决低碳合金钢渗碳齿轮淬火后内花键孔加工

问题，一般采取以下方法。对于花键孔硬度要求不高的齿轮，可在渗

碳前。内孔及孔口两端面上留2mm余量，渗碳后车去内孔及端面上的

碳渗层余量，使内孔及端面达到最终或工艺尺寸。内孔及端面处的硬

度低于刀具硬度，可直接用拉刀拉削内花键。如动力钳上CMN齿轮马

达配对齿轮的渐开线内花键就采用了这种加工工艺。这类齿轮也可以

在渗碳前，按常规工艺精加工孔。渗碳时，在内孔及孔口两端面上涂

上防渗涂料，渗碳后拉削内花键。由于防渗涂料在实际运用时效果不

是很好，淬火时还要采用闷头闷内孔，以延缓内孔的冷却速度，降低

内孔的淬火硬度，便于淬火后修整键槽。这些方法均是通过降低内花

键孔的淬火硬度以便加工，从实际运用上来看，效果不是很理想。

我公司在对动力钳输出齿轮等要求硬齿面花键孔的加工时，通过

摸索和借鉴，找出一种比较符合我公司实际情况的加工方法。这就是

在渗碳前拉出内花键，渗碳后直接淬火，热处理后在压机上用花键推

刀推挤修正内花键。这种加工方法必须控制齿轮内花键孔渗碳淬火后

的收缩变形量，以便于下道工序修整内花键。

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为了能稳定渗碳淬火后齿轮内花键孔的变形量,我们首先在齿轮材

料以及热加工工艺上采取了一些措施。钢材内部组织疏松是导致内孔

收缩量大的原因之一。我们严格按照国家标准精选材料，同时加大锻

造比，使组织紧密，以减少内孔收缩量。在锻件中如有魏氏组织与带

状组织等缺陷，常温的正火难以消除，组织不均匀使冷加工后残余应

力增加。齿轮渗碳淬火后，内孔变形量增大。因此，严格控制锻造工

艺，是减小齿轮内孔变形的重要一环。对于正火温度，我们经过多次

试验，将其控制在940-950℃，高于渗碳温度，比较符合我们的实际要

求。齿坯充分正火后得到均匀的珠光体与铁素体，晶粒度为7-8级，

齿轮内孔变形变小。

动力钳具有花键孔的齿轮形状典型的有图示两种情况。

齿轮形状不同，加热与冷却时，各截面的塑性变形抗力不一。同

一材料的齿轮经渗碳淬火后，花键尺寸相同的内径径向收缩量也不

同。根据我们多次实际试验摸索，这两种形状的齿轮渗碳淬火后变形

规律如下：图一所示的齿轮(如配对齿轮等)，孔的两端结构对称，在

渗碳淬火后内孔呈反腰鼓形，即孔中部收缩大，两端收缩较小，且产

生椭圆。对于图二所示的齿轮（如输出齿轮等），其结构特点是孔两

端壁厚不对称。此类零件的花键孔热处理收缩变形规律主要是：除孔

收缩变形产生椭圆外，还明显形成锥度。这是因为孔壁薄的一端收缩

变形量比孔壁厚的一端收缩变形量大所致。

由此可见，花键孔的热处理收缩变形规律及变形量大小与齿轮的

结构形状有关。要得变形量小就应尽量使花键孔的两端结构对称且壁

厚均匀，并尽量增加孔的壁厚尺寸。对于图一所示的齿轮，在设计许

可的前提下，将孔中部一段花键切削掉，其尺寸比花键大径深0.3-

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0.4(如图一)。对于图二所示的齿轮，台阶一端内花键切削掉一段。这

样齿轮内花键孔将不受台阶一端收缩的影响，而可基本保持孔径相

同。这类齿轮，如以台阶端面为基准进行拉削，由于该端壁薄，易产

生弹性变形。拉削后，此台阶部分孔径往往偏小（壁薄时可达0.03以

上）。加上渗碳淬火后，该端孔径收缩又较大，从而产生锥形孔。如

以齿轮端面为基准进行拉削，则可克服上述缺点。

对于内花键孔收缩量较大的齿轮，根据花键孔的变形规律，适当

加大花键拉刀径向尺寸，尽量使渗碳淬火后，花键孔尺寸在合格范围

内，这种方法既经济，效果又好。我们根据实际积累的经验，相应制

定了花键孔的拉削尺寸，拉削公差0.021，加工后较好地控制了内孔变

形。为了弥补不对称壁厚的热处理缩孔变形，我们还采用了涨孔工

艺。壁薄端孔涨量稍大于淬火后两端孔缩量的差值，使热处理后花键

孔具有了一个正确的形状。可用带锥度的外花键或涨芯套涨孔，使花

键大径产生塑性变形。此时，大径的内应力较大，热处理后应力恢复