CN103302464B - 轿车变速器齿轮抗疲劳制造方法 - Google Patents

Abstract

轿车变速器齿轮抗疲劳制造方法，依次进行锻造制坯，预先热处理（等温正火），齿坯加工，滚齿，齿部强韧化处理（齿部2次感应加热循环淬火），修正基准至图纸要求，滚齿，剃齿，气体渗氮工艺方法。应用本发明可以廉价高效地批量生产6级乃至6级以上的精密轿车齿轮，且承载能力可以和合金渗碳钢相媲美。采用本发明方法制造的轿车变速器齿轮可以取代现有技术中的渗碳淬火齿轮。

Description

轿车变速器齿轮抗疲劳制造方法

技术领域

本发明属于齿轮制造领域，轿车变速器齿轮制造方法，特别涉及的一种轿车变速器齿轮抗疲劳制造方法。

背景技术

现在世界年产轿车约4000万辆以上，变速器齿轮生产总量占齿轮生产总量的90%以上，这是一个产量相当可观的领域。现有技术中轿车变速器齿轮（本发明主要涉及圆柱齿轮）统统采用渗碳淬火工艺，也曾采用过碳氮共渗工艺，由于该工艺存在内氧化的金相组织缺陷，故而碳氮共渗工艺已转向渗碳和负压渗碳。目前轿车变速器齿轮的精度一般规定为7-6-6（GB10095-88），但渗碳淬火后齿轮的精度均达不到这个精度级别。修正热处理变形的方法只有采用蜗杆磨齿机磨齿，这是一项投资大、效率低、维护成本高的权宜之计。有些经验丰富的齿轮厂对噪声提出悦耳的要求，他们通过人工修正齿轮的局部齿面从而减少齿轮碰撞噪音，但这种修正热处理变形的作业方法很难加以推广。很明显齿轮噪声就是由于齿轮的形状误差产生齿轮间碰撞的结果。随着轿车发动机转速的不断提高，现在达8000r·P·m以上，伴随功率的加大，齿轮的噪声就愈加突出。以上状况是人们已经采用了淬透性控制钢种，优质的专用淬火油品，装备精良的箱式多用炉或无马弗贯通式气体渗碳炉，并且采用高精度碳势测量仪（氧探头）等等措施后依然解决不了7-6-6级齿轮的精度。

为了应对渗碳淬火的变形，人们转向负压渗碳（解决内氧化缺陷），高压高流率氮气淬火，淬火的气压已从20bar升到40bar，对于模数稍大和轮毂较厚的齿轮就淬不上火了，结果仍回到油淬，即便如此，这种昂贵的设备和昂贵的作业方式依然保不住7-6-6级精度。

以上便是当今轿车齿轮行业普遍面临的现状，技术进步在此出现了停滞。

此外，我们还应关注轿车变速器自己的技术进步，那就是双离合变速器的逐步普及，这要求齿轮行业提供更加精密的修形齿轮，如6-6-6级或5级精度或者创造出一种热处理变形离散度小甚至趋于零的新工艺。

齿轮的质量主要由两方面的指标来评定的，一是形状精度，二是疲劳寿命，二者彼此即独立又相关。现在高档次的滚齿机已能批量高效地生产出第一公差组为4级的超高精度齿轮，与之配套的滚齿刀具已达AAA级，剃前滚刀和剃齿刀均已能生产AA级，而且粉末冶金高速钢刀具已能批量供货。以上内容表明，齿轮机床和刀具已能保证滚—剃制齿工艺高效率地生产6-6-6级精度的齿轮，甚至是5级精度，而用昂贵的蜗杆磨齿机去生产6级精度的齿轮则是极不经济的。

现有技术告知我们三件事，其一通过热处理及相关手段进一步减少变形并期盼不磨齿而获得7-6-6级精度的渗碳淬火齿轮已是无望的；其二高级别轿车变速器亟待提供物美价廉的5-6级精度的高精度齿轮；其三机床、工具行业已能提供滚齿精度为4-5级和加工中硬齿面的滚刀和剃齿刀。这为我们创新轿车变速器齿轮的制造方法提供了有利的技术条件和物质条件。

发明的内容

本发明的目的在于提供一种轿车变速器齿轮抗疲劳制造方法，以滚、剃制齿为齿部精加工方法的高疲劳强度精密渗氮齿轮制造方法，本发明的目的还在于提供一种低能耗，对环境零污染的复合热处理工艺，本发明的目的还在于用此工艺取代轿车齿轮现行的渗碳淬火工艺，从而实现齿轮的高精度（5～6级）和长寿命（精度保持性超过渗碳淬火）。

为了实现上述目标，本发明的轿车变速器齿轮抗疲劳制造方法由以下工序组成：

（一）模锻制坯。（无须淬透性控制钢）

（二）等温正火，硬度为HB170～197，平均晶粒度为6级。

（三）齿坯精加工，预留基准修正量0.3～0.5mm。

（四）半精滚齿，按8级精度加工，公法线留余量1～1.5mm。

（五）齿部强韧化热处理，采用大功率感应加热电源（单频或双频），对齿部进行2次循环加热淬火，使其晶粒度达到10～12级，在齿根以下2mm范围内及其齿廓处4～5mm深度范围内获得全马氏体，其超细板条马氏体须在电子显微镜下评定，其评定的原则应服从各档位齿轮的设计寿命要求。淬火后须及时回火，回火后硬度应在32～35HRC范围为最佳。

（六）按5～6级齿轮精度要求修正基准。

（七）按5～6级精度精滚齿，采用高精度剃前滚刀，公法线长留剃量0.06～0.12mm。刀具材料为超硬高速钢或粉末冶高速钢。

（八）径向剃齿，齿向修形成鼓形，鼓形量小于10μm。剃刀采用普通高速钢+渗氮提高表面硬度至HRC70时，剃齿效果优于正火态组织。

（九）气体渗氮，轿车变速器圆柱齿轮模数均小于3.5，此时渗氮层深度（硬度法）0.5～0.6mm，表面硬度750～850HV均可满足工况要求。

本发明的创新点归纳如下：

（一）轿车变速器齿轮在百余年的技术发展中是以渗碳淬火为主线的。本发明则以感应加热淬火与气体渗氮组成复合热处理取代渗碳淬火工艺，从而形成一条轿车变速器齿轮全新的齿面硬化技术发展路线，这是一次重大的技术突破。

（二）现有技术中轿车变速器齿轮疲劳强度的提高主要是通过合金化的途径实现的，如Mn-Cr系钢的共析点降至0.65%左右，而SAE8620H,8622H钢的共析点则接近0.9%，而我国普遍使用的Cr-Mn-Ti钢的共析点则在0.8%附近，此外还通过增加合金元素的量来调整齿轮渗碳淬火后的疲劳强度，等等。本发明则专注于齿轮基体的强韧化，或者说通过实现中碳合金结构钢板条马氏体的超细化手段来实现齿轮的超高疲劳强度的。这种通过感应加热工艺手段及第二相质点的纳米化来提高齿轮承载能力显然是一项技术与经济俱佳的方法。

（三）现有技术中轿车齿轮的精密化几乎已全部走上了渗碳淬火磨齿的低效高成本的工艺路线。本发明采用的滚剃制齿工艺本来是轿车齿轮的主导工艺，由于发动机的高速化以及自动变速器和双离合变速器的应用，对齿轮的精度和噪声提出了日益苛刻的要求，原有滚、剃、渗碳淬火的传统工艺已不能满足7-6-6级精度的要求，不得已只好转向用蜗杆磨齿机床磨齿，但应指出，磨齿只能以7级精度为限，如磨6级精度齿轮则会大幅度降低生产率，提高生产成本。本发明在开齿后对齿部采用感应加热强韧化处理后，面对中硬齿面的下限硬度（32-35HRC）进行再一次微切削量的滚剃加工，则无须顾及感应加热淬火产生的变形，这样即充分发挥现代齿轮机床高精密加工的技术价值（滚齿可达到4级，剃齿可达6级），又可收获轿车齿轮精密化立竿见影的效果。应当看到，轿车齿轮今后的发展方向不是无休止的发展高疲劳强度，而是要实现高精密化（5-6级精度）。本发明在疲劳强度方面的优势将能满足轿车变速器齿轮以及电动汽车齿轮中长期的发展需求。本发明这一创新点恰好满足轿车齿轮廉价、高效、稳定地实现齿轮精密化的迫切需求。

（四）本发明的又一创新点就是不再使用淬透性控制钢种，而将材料的质量控制转向纯净度的提高和氧含量的降低，这将有利于齿轮疲劳寿命的大幅度提高。对轿车齿轮而言，节圆和齿根处的淬硬深度一般不超过5mm，这对于任何一种合金结构钢都不成问题，淬硬层的深度通过电源频率的选择就可以方便地调节，这与现有技术中齿轮整体加热淬火迥然不同。这一创新方便了工厂的材料管理，同时也减少了轿车齿轮钢种的数量。这将充分体现材料科学是齿轮行业科技进步的核心。

（五）本发明的又一创新点是将齿轮表面基体金相组织的强韧化通过感应加热完成的，它实现了齿轮的逐件生产模式，通过感应加热设备的数值模拟技术，极大地实现了大批量生产中的齿轮质量的一致性，并可实现在线淬火质量检测，这与现行的渗碳淬火工艺相比是一次生产模式的飞跃，并由此实现热处理作业的零污染，零排放，以及设备的高水平智能化。

总之，本发明的各项举措最大限度地包容了汽车工作者对轿车齿轮技术发展的期盼。这项发明突出了一个巧字，它虽然实现了轿车齿轮天翻地覆地技术转型，但实施这一发明却无须大动干戈，另有相应装备与之配套。

本发明具有明显的经济技术优势。其一，齿部精加工采用滚剃工艺+渗氮后，将可稳定地获得6-7级精度，这比磨齿工艺节约工时2倍以上，成本下降2倍以上，甚至更多。其二，与渗碳淬火工艺相比，能耗将下降60%以上。其三，由于采用感应加热和气体渗氮，因此实现了零排放，零污染的热处理作业。其四，该发明可以满足轿车变速器齿轮及广泛领域的圆柱齿轮中长期强度和精度的需求。

采用本发明工艺，促成热处理装备的智能化与零污染，有利于冷热设备的直接衔接，因此可去消独立的热处理车间。

附图说明

附图1现有技术中渗碳淬火齿轮典型工艺路线。

附图2本发明中轿车变速器圆柱齿轮抗疲劳制造工艺路线。

附图3应用本发明工艺制造的齿轮渗氮前齿向（F_β），齿形（F_f）检测曲线。

附图4应用本发明工艺制造的齿轮渗氮后齿向（F_β），齿形（F_f）检测曲线。

附图5应用本发明方法制造的复合渗氮齿轮与ZF7、20CrMnTi钢两种渗碳淬火齿轮的单齿高频脉动R-S-N曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明应用实例作详细说明。

首先，结合附图1给出现有技术中渗碳淬火齿轮的典型工艺过程。这条典型渗碳淬火工艺流程至今仍是汽车变速器齿轮的主导工艺，从中可以看到滚、剃制齿方式是汽车工业中的一项成熟且经济的生产方式。但这一传统工艺只能生产7级或7-8级精度的齿轮，此外这种工艺还存在能耗高、污染较重的缺陷，因此多种催生变革的因素都在助推新技术的诞生。

附图2给出了本发明中轿车变速器圆柱齿轮抗疲劳制造工艺路线，其具体实施步骤详述如下：

1、锻造制坯，材料为30Cr2MoV。

2、预先热处理、等温正火，要求硬度170～197HB

3、齿坯加工，基准处留二次加工量0.5mm。

4、齿部精加工，滚齿，公法线留量1～1.5mm。

5、齿部强韧化热处理，选用50KHz超音频IGBT感应加热电源，对齿部进行2次循环加热淬火，在齿根以下1.5～2mm及全部齿廓获得全马氏体淬硬层，经550℃回火（≥3小时）索氏体硬度为33-35HRC。

6、修正基准，按6级精度齿轮要求修正基准。

7、精滚齿，采用AA级剃前滚刀精滚齿部，留剃量0.06～0.12mm，按6级精度完成滚齿加工。

8、径向剃齿，采用AA级超硬高速钢剃齿刀剃齿至6级精度。

9、气体渗氮，渗氮层深0.6mm（硬度法检验渗氮层深度），表面硬度850～900HV。

经以上9项工序即可完成精度为6级，强度与合金钢渗碳淬火齿轮相当的优质轿车齿轮。这种齿轮比渗碳淬火更加突出的优越性就是耐磨性提高近1倍，这种性能又可称为精度保持性。总之，按本发明制造的轿车变速器齿轮在技术、经济及环保方面均优于传统工艺。

附图3为应用本发明工艺制造的齿轮渗氮前齿向（F_β），齿形（F_f）的检测记录。图中为4个齿左、右两面的检测记录。

附图4为应用本发明工艺制造的齿轮渗氮后齿向（F_β），齿形（F_f）的检测记录。本图与图4曲线相对应。

由附图3和附图4可知，齿形与齿向渗氮前后的变化几乎趋于零，这表明本发明开创的齿部二次强化即九步加工方法解决了困扰多年的热处理变形难题。

附图5给出按本发明方法制造的30Cr2MoV渗氮齿轮与现行生产中常用ZF7钢与20CrMnTiH钢渗碳淬火齿轮的单齿高频脉动R-S-N曲线，存活率取99%，图中A为30Cr2MoV钢按本发明方法处理，B为ZF7钢渗碳淬火，C为20CrMnTiH钢渗碳淬火。试验循环基数为5×10⁶，结果表明，按本发明工艺制造的齿轮бFlim为440/mm²，ZF7钢渗碳淬火齿轮бFlim为360N/mm²，20CrMnTiH钢渗碳淬火齿轮бFlim为356N/mm²。

以上实例说明了本发明的工艺特点以及诸多方面的优越性。

Claims (1)

1.一种轿车变速器齿轮抗疲劳制造方法，其步骤如下：

(一)模锻制坯，无须淬透性控制钢；

(二)等温正火，硬度170～197HB，平均晶粒度为6～7级；

(三)齿坯精加工，预留基准修正量0.3～0.5mm；

(四)半精滚齿，按8级精度加工，公法线留余量1～1.5mm；

(五)齿部强韧化热处理，采用单频或双频的大功率感应加热电源，对齿部进行2次循环加热淬火，使其晶粒度达到10～12级，在齿根以下2mm范围内及其齿廓处4～5mm深度范围内获得全马氏体，其超细板条马氏体须在电子显微镜下评定，其评定的原则应服从各档位齿轮的设计寿命要求；淬火后须及时回火，回火后硬度应在32～35HRC范围；

(六)按5～6级齿轮精度要求修正基准；

(七)按5～6级精度精滚齿，刀具为剃前滚刀，公法线留剃量0.06～0.12mm；

(八)径向剃齿，按图纸要求做径向剃齿，鼓形量小于10μm；

(九)气体渗氮，轿车变速器圆柱齿轮模数均小于3.5，此时硬度法渗氮层深度0.5～0.6mm，表面硬度750～850HV均可满足工况要求。