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m_n=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m_n≤10的齿轮轴，使用情况基本良好，但模数m_n≥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。
1. 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m_n≤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。
2. 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。
1. 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。
2. 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。
3. 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m_n≥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。