Distorção dentária na cementação e têmpera de engrenagens: prevenção e soluções

Vamos direto ao assunto e vamos direto à pergunta:

A Figura 1 mostra a engrenagem paralela de um modelo de megawatt de uma empresa. A engrenagem é feita de aço 18CrNiMo7-6 e requer cementação e têmpera. O módulo do dente da engrenagem é de 10 mm.

Com diâmetro externo de 1680 mm, largura de dente de 180 mm e diâmetro de furo interno de 500 mm, a engrenagem é projetada com uma alma fina.

Consulte a Tabela 1 para obter as especificações técnicas do processo de tratamento térmico.

Fig. 1 Dimensão Geral da Engrenagem

Tabela 1 Requisitos Técnicos para Tratamento Térmico de Engrenagens de Aço 18CrNiMo7-6

1. Rota do processo

O fluxo do processo de processamento de engrenagens é forjamento → normalização → torneamento de desbaste → fresamento → chanframento → cementação e têmpera → shot peening → torneamento de semiacabamento → torneamento de acabamento → rasgo de chaveta → montagem → mandrilamento → retificação de engrenagens → armazenamento.

Durante o processo de produção experimental, a engrenagem passou por cementação, revenido em alta temperatura, têmpera, revenido em baixa temperatura e shot peening. Porém, durante a fase de retificação da engrenagem, descobriu-se que a engrenagem apresentava distorção significativa.

Além disso, após a retificação experimental, a normal da peça ficou abaixo do valor exigido.

Além disso, havia marcas visíveis de retificação na raiz da engrenagem, levando à decisão de descartar a peça.

2. Processo de produção experimental e análise do mecanismo de deformação

No início da fase de produção experimental, foi determinado que as peças com número de série H1 seriam utilizadas para produção experimental com base nas condições reais no local. Isso se deveu ao fato de a engrenagem ter uma relação diâmetro-largura de 9,3, a placa da alma ser fina, os orifícios de redução de peso serem grandes e as peças serem propensas a deformações empenadas.

O processo de tratamento térmico para a produção experimental é ilustrado na Figura 2. O processo utilizado foi “cementação – alta recuperação – têmpera – baixa recuperação”. A temperatura foi elevada usando um método de aquecimento escalonado e a têmpera foi realizada usando um método de banho de sal.

Fig. 2 Processo de Tratamento Térmico de Peças H1 (Processo Original)

As peças são instaladas de forma plana utilizando o ferramental de um forno de cementação tipo poço de 2 metros de profundidade. Para facilitar a operação, foi selecionado um ferramental de chassi com 8 intervalos e 4 placas alveolares em forma de leque foram posicionadas em intervalos, conforme ilustrado na Figura 3.

Após o revenido em alta temperatura, o método de têmpera foi alterado para suspensão, sendo a posição de suspensão o furo interno da peça, conforme mostrado na Figura 4.

Fig. 3 Carregamento de Carburização de Peças H1

Fig. 4 Carregamento de têmpera de peças H1

Após passarem por tratamento térmico, as peças passaram por testes de seus indicadores físicos e químicos, que foram considerados conformes com as qualificações.

Durante o processo de retificação das engrenagens, foi relatado que houve distorção significativa nos dentes.

A média normal das peças após a retificação experimental foi de 604,74 mm, o que fica abaixo do limite inferior exigido de 605,014 mm.

Devido à presença de etapas de retificação em algumas raízes de engrenagens, essas peças foram consideradas sucata.

Para identificar a causa da deformação nas peças, foram coletados e analisados ​​os dados de alinhamento da peça H1 durante a retificação das engrenagens.

1）Revise o relatório de tolerância de alinhamento da engrenagem de retificação para a seção do dente. Certifique-se de que vários perfis de dentes se cruzam corretamente na direção do dente e que a direção geral do dente não esteja significativamente distorcida.

2）Compare os pontos altos e baixos do alinhamento dos dentes retificados nas superfícies dos dentes esquerdo e direito. Apresente as descobertas usando um gráfico de radar, conforme ilustrado na Figura 5.

A análise revela que a maior quantidade de distorção ocorre nas posições dos dentes 57 a 82, enquanto a deformação nas outras posições está dentro dos limites aceitáveis.

Fig. 5 Deformação das superfícies dos dentes esquerdo e direito da peça H1

3）Ao comparar a distribuição da tolerância de retificação das superfícies dos dentes esquerdo e direito, nenhuma excentricidade significativa foi encontrada durante o retificação das engrenagens. Os requisitos para tornear o furo interno e o ponto de referência da face final foram atendidos.

4） Os dados de alinhamento dos dentes retificados das superfícies dentárias esquerda e direita foram calculados, conforme mostrado na Fig. 6. A análise revelou uma forma elíptica evidente no círculo primitivo da peça, com uma tendência em forma de pêra e uma quantidade elíptica de aproximadamente 0,18 mm.

Fig. 6 Desgaste médio das superfícies dos dentes esquerdo e direito das peças H1

Com base na análise dos dados de retificação e centralização das peças H1, atualmente é impossível determinar se a deformação dos dentes das peças é devido ao empenamento da face final ou à distorção dos dentes.

As peças apresentam tendência elíptica e perfil em formato de pêra.

Embora não seja possível determinar se uma posição específica está relacionada ao enforcamento, pode-se inferir do enforcamento em um único ponto que a posição do cabo da pêra (perto do 148º dente) é onde a ferramenta entra em contato e onde a protuberância está o maior.

A posição da deformação máxima das superfícies dos dentes esquerdo e direito não segue um padrão significativo, mas a tendência de deformação é maior perto da cauda elíptica em forma de pêra (isto é, a parte inferior da suspensão).

Com base na análise acima, as principais causas da deformação da peça são:

1）A distribuição aleatória da deformação dentária nas peças está relacionada ao processo de cementação, incluindo fatores como taxa de aquecimento, temperatura de cementação e outros.

2）Durante a cementação, apenas quatro discos alveolados são colocados em intervalos. A fluência pode ocorrer durante a cementação, resultando em deformação da face final, o que pode fazer com que a direção do dente se cruze.

3) Durante a têmpera suspensa, pode ocorrer fluência durante o aquecimento da têmpera, causando deformação que se manifesta principalmente como uma elipse causada pela suspensão durante a têmpera.

4）Quando as peças são temperadas em banho de sal, a primeira posição de contato apresenta maior tendência à deformação. Esta posição entra em contato primeiro com o banho de sal e fica mais próxima do agitador inferior, resultando em uma velocidade relativa de fluxo de fluido mais rápida.

3. Melhoria de processos

Com base na análise da peça H1, o fator chave que causou a deformação da peça não pôde ser identificado.

Como primeiro passo para a melhoria, o processo de tratamento térmico foi modificado. A deformação da engrenagem após a cementação foi rastreada para determinar se ocorreu deformação significativa no tratamento térmico durante o estágio de cementação.

O número de série da peça de teste é H2 e o método de carga de cementação é o mesmo usado para H1.

3.1 Melhoria do processo de cementação

Para minimizar o estresse térmico e a distorção causada durante a carburação, o processo foi atualizado conforme ilustrado na Fig. 7. A nova abordagem envolve diminuir a temperatura inicial das peças à medida que elas entram no forno, estendendo o período isotérmico em 650°C e 880°C. ℃, expandindo a faixa isotérmica em 770 ℃ e diminuindo a temperatura de cementação na seção altamente cementada.

Fig. 7 Processo de Tratamento Térmico de Peças H2 (Processo Melhorado)

3.2 Melhoria da carga de cementação

Para analisar o empenamento da face da extremidade da engrenagem durante a carburação e seu impacto no perfil do dente para posterior alinhamento de retificação da engrenagem, as peças H2 replicaram o método de carregamento das engrenagens H1 na produção inicial. Eles marcaram a face final após o revenido em alta temperatura e pré-tornaram o ponto de referência da face final antes de retificar o alinhamento da engrenagem na retificadora de engrenagens.

No entanto, durante o torneamento de referência, eles descobriram um desvio significativo na face final, como mostrado na Fig. 8. Todas as posições suportadas do painel alveolar exibiram pontos altos, enquanto aquelas sem preenchimento mostraram pontos baixos. A diferença entre os pontos altos foi de aproximadamente 0,2 mm e a diferença entre os pontos baixos foi de cerca de 0,25 mm.

Fig. 8 Excentricidade circular axial de peças H2 após a cementação

Os dados de alinhamento dos dentes da engrenagem indicam que a direção dos dentes da peça se cruzou significativamente, mas não há elipses visíveis. A diferença máxima entre os pontos altos e baixos nas superfícies dentárias esquerda e direita ocorre onde a placa alveolar não é acolchoada.

Uma exploração mais aprofundada do modo de carga de cementação para peças H2 revelou que o desvio circular axial excessivo causado pela fluência durante a cementação é um fator importante que contribui para a deformação da peça. Para minimizar o desvio circular axial da engrenagem após a cementação, o número de placas alveoladas de suporte inferior foi aumentado de 4 para 8, conforme ilustrado na Fig.

Esta modificação permitiu o controle do desvio circular axial das peças após a cementação e têmpera para menos de 0,52 mm.

Fig. 9 Carregamento de cementação após melhoria

3.3 Melhoria de carregamento de extinção

Em resumo, a rápida velocidade de resfriamento em aproximadamente 1/4 da parte inferior da engrenagem é um dos fatores que contribuem para a deformação da engrenagem. Portanto, o processo de extinção precisa ser ajustado. Para o teste, foram utilizadas peças H2 carburizadas e uma ferramenta de amortecimento de malha foi adicionada à bandeja inferior para reduzir a velocidade relativa do fluxo de fluido na extremidade inferior da engrenagem durante a têmpera.

Para verificar se os indicadores físicos e químicos relevantes foram afetados, amostras em formato de dente da mesma especificação foram transportadas com o forno. A Tabela 2 mostra os resultados dos testes para a amostra em formato de dente transportada com o forno após a têmpera, que foram aceitáveis.

Em comparação com H1, a deformação das peças H2 após a têmpera foi reduzida até certo ponto, e o normal comum das peças após a retificação das engrenagens foi 0,03 mm menor que o limite inferior do valor padrão. Portanto, as peças podem ser utilizadas com algumas concessões.

Tabela 2 Resultados do tratamento térmico de peças H2

3.4 Verificação de otimização

Durante a produção de peças com números de série H3 e H4, são utilizados tanto o processo de cementação mostrado na Fig. 8 quanto o método de carregamento plano de colocação completa de placas de favo de mel na parte inferior durante a cementação (como mostrado na Fig. 9). Além disso, durante o carregamento de têmpera suspensa, ferramentas de amortecimento de malha são adicionadas ao chassi para melhorar a deformação das peças após a cementação e a têmpera.

A Figura 10 e a Figura 11 mostram o gráfico de radar dos dados de alinhamento dos dentes retificados das peças H3, com a posição do dente nº 109 sendo a posição de fulcro quando pendurado. Pode-se ver na figura que a elipse é basicamente consistente com as partes H1. Além disso, a deformação global e a deformação da primeira área de contacto com o nível do líquido durante a têmpera são significativamente reduzidas.

Fig. 10 Superfícies dentárias esquerda e direita das peças H3 deformadas

Fig. 11 Desgaste médio das superfícies dos dentes esquerdo e direito das peças H3

A Tabela 3 e a Figura 12 mostram o resumo da deformação das peças após tratamento térmico com diferentes processos de cementação e métodos de carregamento.

Pode-se observar pela comparação que a distorção dentária da peça é reduzida em cerca de 40% após a adoção do processo de cementação aprimorado, do modo de cementação otimizado e do modo de carregamento de têmpera.

Tabela 3 Influência de Diferentes Processos de Carregamento e Tratamento Térmico na Deformação das Engrenagens

Fig. 12 Diagrama de caixa e linha de diferentes métodos de carregamento e deformação do processo de tratamento térmico

3.5 Produção em massa

Com base na experiência adquirida durante a fase de protótipo, as ferramentas para têmpera e suspensão foram reotimizadas do suporte original de ponto único para um sistema de suporte de dois pontos. Além disso, a elipse da peça foi reduzida da faixa original de 0,14-0,18 mm para 0,05-0,10 mm.

Em relação ao ajuste para processamento a frio e a quente, o normal comum da peça encolhe aproximadamente 0,25mm após a cementação e têmpera. Portanto, uma margem normal comum de fresagem de 0,25 mm deve ser compensada antes do tratamento térmico.

Como resultado destas melhorias, todas as 30 engrenagens produzidas num pequeno lote estão agora qualificadas.

4. Conclusão

1）Para engrenagens planas, é importante garantir que todos os pontos na face final sejam apoiados uniformemente durante a cementação. Para reduzir a deformação da face final causada pela fluência durante a cementação horizontal, o espaçamento dos quatro discos alveolados originais pode ser alterado para a colocação completa de oito placas alveoladas.

2) As ferramentas suspensas são utilizadas para têmpera. Ao adicionar uma ferramenta de amortecimento de malha na parte inferior da bandeja de têmpera, a vazão relativa do meio de resfriamento de têmpera e das peças é reduzida. Isto resulta numa redução significativa da deformação dos dentes na área inferior da ferramenta suspensa.

3) Para reduzir o estresse e a fluência em alta temperatura durante o tratamento térmico de engrenagens planas, a temperatura de cementação pode ser reduzida, a etapa de aumento de temperatura pode ser aumentada, o tempo isotérmico pode ser estendido e a temperatura de cementação pode ser reduzida.

4）Ao melhorar a carga e o processo de tratamento térmico, a deformação da dobra da face final da engrenagem foi reduzida de 1,06 mm para 0,52 mm. O desvio do círculo primitivo foi reduzido de 0,18 mm para 0,1 mm e a distorção do dente foi reduzida em aproximadamente 40%. Essas melhorias resultaram em uma taxa de qualificação de 100% para produção de pequenos lotes.