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重载齿轮单件渗碳热处理技术-案例分享

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随着重型卡车司机对变速器质量要求的提高,变速箱齿轮加工精度的提高和零件加工的一致性成为齿轮加工工艺目前需要解决的首要问题。目前的渗碳淬火热处理设备均为批量处理设备,但因批量处理时存在渗碳室温度、气氛均匀性差异,淬火室的冷却均匀性差异均会引起零件变形的不一致性。对于中型以下的汽车或轿车齿轮均可采用热后磨齿工艺对热处理变形齿部精度进行修形,但对于重型卡车齿轮采用热后磨齿会大大减少齿部的疲劳抗力。单件渗碳热处理设备成为解决齿轮件渗碳热处理变形小、重复性好的必备手段。

 

1.齿轮零件受力状态和司机朋友的追求

变速箱中的齿轮及齿轮轴零件在使用中的主要应力状态为齿面受接触疲劳应力,齿根受弯曲疲劳应力。但司机对不同类车型的要求有着巨大的差异。对于小型车,因受力较小,追求加工精度,减少噪声、提高运行平稳舒适成为其零件加工中的侧重点;对于重型车在追求承受大的疲劳抗力的同时也最求小的噪声和运行的平稳舒适性。


2.目前重型变速器齿轮零件齿部加工现状

对于承受小负荷的中型以下齿轮,目前工艺普遍采用热后磨齿的加工工艺来提高零件的尺寸符合性,满足产品设计的尺寸要求和强度要求。对于重型变速器齿轮,不仅要有高的强度要求,而且还要高的尺寸符合性。以便保证承受大的接触应力的同时,齿部有好的啮合状态。


(1)滚剃工艺

齿轮加工的工艺为:下料→锻造→锻热→粗车→精加工→齿部滚齿→齿部剃齿→热处理渗碳处理→热后精加工(配合尺寸的精加工)。


滚剃工艺加工的齿轮由于热处理变形,热后齿部不加工,齿部没有得到热后矫正,齿部质量存在齿形齿向的差异,齿轮啮合时会以点接触或线接触,造成齿面点蚀导致齿轮早期接触疲劳失效。如图1为齿轮齿面齿形齿向符合性好的一对齿轮副正常啮合疲劳失效的零件照片,图2为齿面齿形齿向符合性差的一对齿轮副疲劳失效的零件照片。


图1  符合性好的零件疲劳失效的零件

图2  符合性差的零件疲劳失效的零件

(2)滚剃+热后磨齿工艺

齿轮加工的工艺为:下料→锻造→锻热→粗车→精加工→齿部滚齿→齿部剃齿→热处理渗碳处理→热后精加工(磨齿及配合尺寸的精加工)。


滚剃+热后磨齿工艺滚剃工艺加工的齿轮由于热处理磨齿,齿部变形得到热后修正,齿形齿向状态符合设计啮合形态,齿轮啮合时状态良好。但渗碳淬火齿轮的磨削量(齿的单侧)一般在0.2~0.6mm范围内,过深的磨削量不仅会将最佳的硬度、金相组织磨去,而且还会丧失表面起良好作用的残余压应力,削弱了齿面的接触疲劳抗力,导致早期接触疲劳失效。


3.目前重型变速器齿轮零件热处理设备及装料

目前的重型汽车齿轮渗碳热处理设备按设备结构大体分为连续炉和周期炉,按工艺分为渗碳淬火、碳氮共渗、真空渗碳淬火(油淬)。


但不管哪种设备下的工艺均为批量热处理,装料如图3、图4所示。批量热处理的优点显而易见,但零件之间存在热处理变形的差异化,主要在于渗碳室炉温均匀性差异(目前合资热处理企业能够做到的炉温均匀性±5℃)、气氛均匀性差异,淬火室介质流动的均匀性差异、介质搅拌均匀性的差异等等,这些差异加上零件处于料盘不同区域的差异均会导致整盘零件加热、渗碳、淬火的差异并从而导致零件变形不一致性。零件变形的差异化随批量处理零件量的增加而增加。


图3 批量生产时的装量照片

图4 批量生产时的装量照片

图5为零件设计要求的齿形、齿向图示,图6为批量热处理的齿轮齿形、齿向图例。这样的零件符合性不仅噪音大,更是抗点蚀能力下降,使用寿命大大缩短。

图5  零件要求的齿形、齿向框图图示


图6  零件批量热处理后的齿形、齿向框图图例

4.单件热处理的发展前景

单件热处理设备设计为连续炉、加热区域较小,加热元件布置合理,如图7所示。零件在移动的每个工位温度均匀性和气氛均匀性差异会极小。淬火区域也很小 ,实现单件淬火,如图8所示,还可以实现批量处理不能实现的气体淬火工艺,零件冷却状态重复性、一致性好。实现零件变形量小,变形一致性、重复性好的目标。如图9零件热处理后的齿向框图图例,尽管齿向不符合设计要求,但一致性好、每个零件重复性好。

图7 单件渗碳热处理设备炉膛模拟图例

图8单件渗碳热处理设备淬火室模拟图例


图9 零件热处理后的齿向框图图例

只有热处理实现了变形规律性好、一致性好、重复性好的前提条件,零件变形基本上都能通过热前工艺修形的冷热配合方法进行调整、矫正。图10、图11为零件热前的齿向齿形框图。用滚剃工艺热后不需要进行磨齿加工的工艺而实现高的齿形、齿向符合性和高强度的齿面质量。

图10零件热前加工的齿向框图图例

图11 零件热前加工的齿形框图图例

5.单件渗碳热处理的优点

(1)零件变形小、变形规律、一致性、重复性好,齿部变形可以通过冷热配合工艺调整,实现高的符合性。

(2)同一零件热处理质量一致性好(目前的批量热处理设备,合资热处理炉企业能保证的有效硬化层公差:满载,(0.2~1.1)mm±0.1mm;有效硬化层大于1.1mm时,公差为有效硬化层的10%)。

(3)还可以实现和机加工并线的精益生产制造的单线流。

(4)气体淬火后零件表面洁净,省去热后清洗工序和清理抛丸。

(5)无淬火油烟和清洗整齐排放实现洁净生产。

(6)减少零件多次搬运造成的零件磕碰和人力、运输成本。

(7)零件变形小,热后不需要修形,综合了目前两种加工工艺期望得到的零件齿形齿向符合性好和保留了齿面最好的热处理状态,达到了抗接触疲劳性能好的目的。

(8)单件加热可以进行辐射加热曲线计算和淬火时冷却曲线的计算,可以在零件试制前预知零件的变形情况,并进行热前加工时的调整。

 

本文是作者在如何提高重型变速器齿轮疲劳抗力从工艺方面对热处理设备的企求。

文:  闫京芳,陕西法士特汽车传动集团公司

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