用于中小型轧钢机传动箱体中的齿轮轴，设计上一般为软齿面，即小齿轮轴硬度为280～320HB，大齿轮轴硬度为250～290HB，模数mn=8～25，技术要求一般为调质处理。这种零件在无感应加热淬火设备的工厂中加工时，其加工工艺路线为:锻毛坯→粗加工→调质→精加工→制齿→磨轴颈。按这样的工艺流程生产出来的模数mn≤10的齿轮轴，使用情况基本良好，但模数mn≥12时，使用寿命短。突出表现为轮齿不耐磨，使用半年以后，齿面已有明显磨痕，当发生较大冲击时，还会出现断齿现象。针对这种情况，我们对原有工艺进行了分析，找出工艺路线中所存在的缺陷，并提出了新的制作工艺方法。
1 原工艺路线存在的问题
原加工工艺路线中的粗加工，即粗车毛坯的外圆及轴向长度。调质后，经过精加工外圆及轴向尺寸，最后制齿。这样轮齿的硬度分布如图1所示，齿顶处的硬度最高，齿根处的硬度最低。轮齿的硬度分布显然与图2所示的实际受力要求的硬度分布不符。这种情况随着模数的增大越显突出，有时齿根接触部根本无硬化层，齿轮的耐磨性大大降低。由于齿根部的强度显著降低，这样就削弱了轮齿的弯曲强度，此时一旦发生冲击，便可能断齿。
图1 图2 图3
2 工艺改进探索
增加表面淬火工序 针对存在的问题，首先提出的解决方案是采用火焰表面淬火，即在原工艺路线的最后增加火焰表面淬火工序。从理论上讲，采用火焰表面淬火能够改善轮齿的硬度，且能显著提高轮齿的弯曲疲劳强度，延长齿轮轴的使用寿命。但实际操作中却难以控制。主要表现在以下两个方面。
模数的大小影响淬火后的表面硬度。小模数的轮齿，由于齿槽小，如图3所示，随着A面的淬火，已淬过火的B面发生了回火。这种情况常发生在mn≤16的轮齿淬火中。由于回火，轮齿表面硬度常常达不到要求，但比不经过表面淬火工序的轮齿质量要好。
淬火操作的可实施性差，且常发生局部过热及烧熔现象。由于齿轮轴的结构各不相同，甚至存在很大差异，生产中难以做到用机械自动法进行火焰表面淬火，大多数采用人工操作。造成同一齿轮上不同部位的轮齿，由于淬火的先后顺序及操作者的熟练程度不同，使淬火后的硬度也不同，且差距明显。更为严重的是常发生局部齿面过热、烧熔而生成硬度很高的凸点和凹坑，对齿轮运动精度、接触精度及工作平稳性均有严重影响。
基于以上两个难以解决的问题，于是我们把机加工与热处理结合起来，采用了下面的工艺方法。
粗制齿、后调质、精制齿工艺 原调质工艺最大的缺点在于轮齿表面的硬度沿齿高分布不合理。如果使轮齿的表面硬度沿齿高方向分布均匀，则轮齿的强度及使用寿命就会有很大提高。从这个方面考虑，我们将工艺调整为:锻毛坯→粗车外圆及端面→粗制齿→热处理→精车外圆及端面→精制齿→磨轴颈。该工艺的重点在粗制齿，让工件的轮齿成形后再热处理，从而实现硬度沿齿面的均匀分布。该工艺经详细确定各工序工艺参数后，并多次试行，逐一解决了各工序的工艺难点，但需要注意以下几个方面的问题。
热处理变形。影响热处理变形的因素有轮齿的螺旋角、齿向宽度及材质。对于螺旋角较大、齿向宽度较大的齿轮轴，粗制齿时轮齿受到较大的偏挤压力作用，齿形内部存在着较大的内应力，并有着朝减小螺旋角方向变形的趋势。正因为有内应力和变形趋势的存在，在热处理过程中会发生齿向翘曲变形，导致热处理后轮齿螺旋角变小。这种情况常发生在螺旋角b≥25°及齿向宽度B≥350mm以上的齿轮轴中。制作中遇到这类齿轮轴时，应注意粗制齿余量要偏大，否则会发生精制齿后留有黑皮的情况。在注意上述情况的同时，还要根据材料的不同，结合螺旋角的大小，调整淬火温度。通常材质为45钢的齿轮轴，其淬火温度应比正常同材质的工件低10～15℃。合金材质的齿轮轴其淬火温度应比正常同材质的同类工件低10℃左右，为避免淬裂，冷却要在油中进行。
车床断续硬车削。粗制齿热处理后的齿轮轴，其齿顶的精加工是断续的，精加工层的硬度常在290～320HB之间。要在普通车床上完成该工序(我厂在CW61100×8000车床上完成)，首先必须认真检修机床，保证主轴的回转精度好，进刀机构的刚性和精度好。其次选择既硬而结实又具有韧性的刀具。
粗加工余量的大小。粗车外圆及端面和粗制齿所留余量的大小，对热处理及其后的精加工有极大影响。如余量留大，精车外圆难度就大，精制齿费工多，且难以保证齿面的硬度分布合理：余量留小后，热处理变形控制难，可能无法实现精制齿。对此，总体上可按模数越大，螺旋角越大，齿面宽度越大，余量便留大的原则来控制余量。经我厂所加工的模数mn≥12、螺旋角b=24°～31°、齿面宽B=300～960mm的齿轮轴，粗加工最小余量为2mm，最大余量为4mm。
3 结论
模数mn≥12的齿轮轴，采用粗制齿后调质、精制齿工艺后，轮齿的表面硬度在280HB以上，完全能够满足技术要求，并经使用证明其耐磨性及寿命均较以前大大提高。
