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汽车变速箱齿轮的热处理工艺研究

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摘要:

变速箱齿轮热处理工艺一般以渗碳淬火为主,该工艺中有许多影响热处理变形的因素,如油温、渗碳温度、渗碳时间和淬火温度等。采用正交试验方法合理安排试验方案,对试验数据进行统计分析,选出最佳的渗碳淬火工艺参数,效果良好,变形稳定。通过试验比较了不同热处理设备对变形的影响规律,找到不同设备对变形的影响差异。

关键词:

变速箱齿轮;热处理工艺;正交试验;变形

变速箱是汽车的核心部件之一,是主要的受力单元。对于重型汽车,常常处于恶劣的工作环境下,其变速箱往往受到更加频繁的冲击。经过数据统计和分析发现,接触疲劳损伤和弯曲疲劳断裂是重型汽车变速箱齿轮失效的主要形式[1,2]。因此对重型汽车变速箱的力学性能要求非常高,如需具有高冲击性能、高强度、高耐磨性等。为了提高力学性能,一般对其进行以渗碳淬火为主的热处理[3]。对于齿轮制造,影响其变形的因素很多很复杂,热处理变形是其中的难点之一[4],控制和稳定热处理变形非常重要。


1热处理工艺参数对变形的影响


1.1实验材料与方法在现代机械制造工业,尤其是汽车工业中,渗碳淬火工艺被广泛应用[5]。发动机齿轮主要采用箱式渗碳炉,变速箱零件主要采用连续式渗碳生产线。图1连续式渗碳炉和箱式渗碳炉渗碳淬火工艺曲线。图2为某变速箱主轴齿轮结构示意图。齿轮材料为8620H,化学成分见表1。该材料韧性好,淬透性较20CrMnTi稍差,适用于生产重载齿轮[6]。试验采取正交试验方法,期望以最少的试验次数获得最佳工艺方案。选取3个因素来分析齿轮的热处理变形,包括渗碳温度、淬火保持温度和淬火介质温度。全部采用挂装的装夹方式,每个因素取3个水平。表2为正交试验因素水平表。综合考虑,试验选择在日本东方炉上进行。试验方案按照L9(34)正交表安排,具体方案如表3,每次试验随机抽取10件进行检验,可知,经过优化设计后,大大减少了实验次数,节省了人力物力,提高了效率。

1.2实验结果及分析对9组试验的数据进行整理,得到平均变动量和波动量如表4所示。图3和图4分别为内花键变动和齿轮M值变动柱形图。可以看出,对于内花键变形较小且波动较规律的为试验3、试验5和试验7。对于齿轮变形小且波动较规律的为试验4和试验5。综合考虑以上两种因素,与其他方案相比,试验5更优。总体来说,淬火温度越低变形波动越小,为提高热处理生产效率,不宜选择太低的渗碳温度。为进一步分析淬火温度和渗碳温度对变形的影响,还将淬火温度统一选择为80℃,安排试验如表5所示。综合以上4次试验结果与试验5的结果,再进行整理得到渗碳温度影响和淬火温度影响变形柱状图5和图6。可以看出,内花键的收缩量随着渗碳温度的提高由0.11mm减小到0.10mm,齿轮M值膨胀量和变动量随渗碳温度的提高分别由0.12mm和0.02mm增大到0.14mm和0.03mm。零件的膨胀量随渗碳温度的提高而逐渐增大。内花键的收缩量随着淬火温度的升高逐渐减小,由0.12mm减小到0.10mm。齿轮M值膨胀量随着淬火温度的升高,由0.11mm增大到0.14mm,变动量随淬火温度的升高增大了0.03mm。对于变形,淬火和渗碳温度的影响是一致的,为控制尺寸变动,不应选择过高的渗碳和淬火温度综合考虑上面的试验结果,最佳工艺参数为:淬火油温80℃、淬火温度840℃、渗碳温度920℃。

2热处理设备对变形的影响

2.1实验方法通过前面13组试验基本选定了热处理工艺参数,下面还对不同热处理设备对变形的影响进行分析,公司主要热处理生产线包括:UBE-600日本东方箱式渗碳炉、IPSEN多用箱式渗碳炉和连续式渗碳生产线等。保持工艺不变,在连续式渗碳生产线和IPSEN多用箱式渗碳炉进行对比试验,试验方案如表5。

2.2实验结果与分析图7为不同设备内花键变形柱状图。图8为不同设备内齿轮变形柱状图。可以看出,IPSEN箱式渗碳炉的变动量没有预热的情况下要比预热的情况下大,造成该差别的原因主要是装炉量大,导热容量因零件总量的增加而增大,由于零件在加热时所处的位置不同,受热情况也不一样,内部零件升温较慢,外围靠近辐射管的零件受热较早,因此产生温度差异,温差导致热应力不同,从而变形量在淬火时也就不同。预热后,零件温差较小,能减小变形。因为有预热过程,连续渗碳炉和IPSEN箱式渗碳炉的变动持平,但是内花键的收缩量因膨胀量较大而有所减小。由于连续炉除预热外,还经过两次加热过程,加热温度分别为890℃和910℃,这使得零件在整个加热过程中在炉内高温停留时间过长,导致零件的膨胀量增大,最终变形量增大。

3结论

(1)变形受淬火介质温度的影响最大,变形在高油温低冷却速度下较温和,在低油温高冷却速度下较剧烈;应合理选择冷却速度以获得更好的金相组织。(2)零件膨胀量随渗碳温度和淬火温度的升高而增大,且变形越不规则;渗碳温度决定渗碳速度,太低的渗碳温度影响生产效率。(3)对于较大尺寸零件,进行预热能使渗碳均匀度和变形稳定性得到显著改善,预热能一定程度减小热处理变形。(4)对于不同的热处理设备,热处理变形取决于作用时间,涨量变形随加热时间的增加而变大。

参考文献:

[1]廖正中.渗碳齿轮钢的冲击—弯曲性能与应用[J].重型汽车,1996,32(1):31-35.

[2]史美堂.金属材料与热处理[M].上海:科技出版社,1987.

[3]潘一凡.齿轮热处理变形控制[J].机械设计与制造工程,2002,31(5):85-90.

[4]文源康.国外齿轮渗碳淬硬工艺的研究与应用[J].国外金属热处理,1990,11(5):5-11.

[5]戴凤梅.正交试验法在热处理工艺上的应用[J].机械设计与制造,1999(6):50-51.

[6]王承槐.渗碳齿轮与花键内孔的热处理变形规律[J].金属热处理,1989(12):32-34.

作者:杨玲玲 李宇 潘杰花 单位:柳州铁道职业技术学院 汽车技术学院 广西大学 材料科学与工程学院 上汽通用五菱汽车股份有限公司
汽车变速箱齿轮的热处理工艺研究责任编辑:杨雪    阅读:人次