CN105945536A - 一种汽车变速箱中间轴用三档齿轮锻压工艺 - Google Patents

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甘元
张添鑫
陆以春
陈波
易立
王正国
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Abstract

本发明提供一种汽车变速箱中间轴用三档齿轮锻压工艺，包括如下步骤：1)制坯；2)正火；3)车削加工；4)热处理；5)磨削加工；6)磷皂化处理、清理、抛光、涂防锈油。所述锻压工艺步骤设计合理，通过特别设计的热处理步骤对齿轮坯件进行处理，所得三档齿轮硬度高，耐磨性好，耐腐性高，锻压成本低，锻压工艺对环境友好。

Description

一种汽车变速箱中间轴用三档齿轮锻压工艺
技术领域
本发明涉及一种汽车变速箱中间轴用三档齿轮锻压工艺。
背景技术
汽车变速箱分为手动、自动两种，手动变速箱主要由齿轮和轴组成，通过不同的齿轮组合产生变速变矩；而自动变速箱AT是由液力变扭器、行星齿轮和液压操纵系统组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。
手动变速箱主要由齿轮和轴组成，通过不同的齿轮组合产生变速变矩；而自动变速箱AT是由液力变扭器、行星齿轮和液压操纵系统组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。
自动变速箱是相对于手动变速箱而出现的一种能够自动根据汽车车速和发动机转速来进行自动换挡操纵的变速装置。目前汽车自动变速箱常见的有四种型式，分别是液力自动变速箱(AT)、机械无级自动变速箱(CVT)、电控机械自动变速箱(AMT)和双离合自动变速箱。
而不论是手动变速箱还是自动变速箱，其内的中间轴用齿轮均为重要组成部分，中间轴齿轮根据档位不同，共分一档～五档齿轮，而三档齿轮作为中间档位，其性能的优劣，将直接影响汽车变速箱的正常、安全的运转。现有汽车变速箱用中间轴三档齿轮均采用锻造工艺，锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法，锻压(锻造与冲压)的两大组成部分之一。通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。相关机械中负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊接件外，多采用锻件。
其中，锻造用料主要是各种成分的碳素钢和合金钢，其次是铝、镁、铜、钛等及其合金。材料的原始状态有棒料、铸锭、金属粉末和液态金属。金属在变形前的横断面积与变形后的横断面积之比称为锻造比。正确地选择锻造比、合理的加热温度及保温时间、合理的始锻温度和终锻温度、合理的变形量及变形速度对提高产品质量、降低成本有很大关系。
对于汽车变速箱用齿轮的锻造，目前国内主要存在如下文献：
专利公开号：CN105312585A，公开了一种叉车变速箱齿轮的粉末锻造方法，其包括配料及混料、压制、烧结、锻造、热处理、表面喷丸强化处理等步骤。与现有技术相比较，采用本发明粉末锻造方法制得的叉车变速箱齿轮具有较好的综合性能，不仅具有较高的强度和硬度，还具有优良的韧性、耐磨性、耐疲劳性和抗冲击性，适合用于叉车变速箱齿轮这样的受到较大的冲击力和磨损的环境中长期工作的要求。然而该专利采用粉末锻造工艺制造齿轮，由于粉末粒径细小，容易堵塞锻件模具，影响锻造效率。
发明内容
为解决上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种汽车变速箱中间轴用三档齿轮锻压工艺，所述锻压工艺步骤设计合理，通过特别设计的热处理步骤对齿轮坯件进行处理，所得三档齿轮硬度高，耐磨性好，耐腐性高，锻压成本低，锻压工艺对环境友好。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种汽车变速箱中间轴用三档齿轮锻压工艺，包括如下步骤：
1)制坯
将用于制造三档齿轮的齿轮钢放入热模锻压力机中进行锻造，锻造压力为800～1000MPa，锻造比为2～3，始锻温度1100～1200℃，终锻温度950～1050℃，得所述三档齿轮坯件，坯件高度与坯件直径之间比值为1.5～2.5；
2)正火
将所述坯件置于正火炉中，以1.5～2℃/min的速率升温至680～700℃，再以1.0～1.5℃/min的速率升温至960～1050℃，保温2～2.5小时出炉，空冷至室温，冷却速度10～15℃/min；
3)车削加工
采用数控车床对正火处理后的毛坯进行车削加工，进行切边、冲孔，同步完成坯件孔径、端面及外圆的加工，孔径、端面及外圆分别预留1～2mm的加工余量，整体表面粗造度为Ra5～6μm；
4)热处理
将步骤3)处理后的坯件放入渗碳炉内，在渗碳剂的作用下进行多次渗碳处理，先将坯件温度升至800～850℃，均温10～15min，进行第一次渗碳，使得渗碳炉中碳势达1.0～1.1C％，炉内温度升至850～900℃，保温5～10min后，进行第二次渗碳，并向炉内通入氮气、丙烷及甲醇的混合气体，使得炉内碳势达1.1～1.2C％，降温至750～800℃，保温5～10min后，进行第三次渗碳，使得炉内碳势降至0.8～0.9C％，将750～800℃的坯件送入淬火炉，再80～100℃的淬火油中进行淬火，淬火时长30～40min，淬火完成后静置10～15min去除坯件表面的淬火油，淬火后的坯件降温至180～200℃，送入回火炉中进行1～1.5h的回火，完成坯件的热处理；
5)磨削加工
对回火处理后的坯件的孔径、端面及外圆进行磨削加工，磨削去除外圆加工余量至表面粗造度为Ra0.6～0.8μm，磨削去除孔径加工余量至表面粗糙度为Ra0.6～0.8μm，磨削去除端面加工余量至表面粗糙度为Ra0.6～0.8μm；
6)磷皂化处理、清理、抛光、涂防锈油
将磨削加工处理后的坯件进行磷皂化处理，清理去除表面氧化皮，送入齿轮抛光机抛光，涂覆防锈油，干燥，得所述汽车发动机用三档齿轮。
进一步，所述三档齿轮用齿轮钢其化学成分质量百分比为：C：0.16～0.21％，Si：0.10～0.12％，Mn：0.80～1.15％，Cr：1.20～1.21％，P：0.015～0.018％，Al：0.05～0.07％，Ni：0.01～0.25％，Mo：0.15～0.35％，W：0.08～0.15％，Nb：0.08～0.15％，N≤0.002％，O≤0.0015％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
另，所述三档齿轮用齿轮钢生产方法包括如下步骤：
1)冶炼、铸造
按下述化学成分采用电炉进行冶炼、铸造：C：0.16～0.21％，Si：0.10～0.12％，Mn：0.80～1.15％，Cr：1.20～1.21％，P：0.015～0.018％，Al：0.05～0.07％，Ni：0.01～0.25％，Mo：0.15～0.35％，W：0.08～0.15％，Nb：0.08～0.15％，N≤0.002％，O≤0.0015％，余量为Fe和不可避免的杂质；按上述成分进行冶炼并浇铸成铸坯；
2)铸坯加热
将所得铸坯送至加热炉加热，铸坯在炉时间1.2～1.5min/mm，铸坯出炉温度1230～1265℃；
3)轧制、冷却
将所得铸坯保温后轧制，终轧温度1000～1050℃，轧后待温至830～860℃，然后水冷至室温、酸洗，得所述三档齿轮用齿轮钢。
另有，步骤1)所用热模锻压力机为1600T热模锻压力机或4000T热模锻压力机。
再，步骤1)中所述锻造采用闭式热模锻。
再有，步骤4)所用渗碳剂为煤油。
且，步骤4)所述渗碳步骤中，第一次渗碳时长为0.5～0.8小时，第二次渗碳时长为1.2～2.5小时，第三次渗碳时长为0.3～0.7小时。
另，所述磷皂化处理时间为1～2小时。
本发明的有益效果在于：
所述锻造工艺结合汽车变速箱中间轴用三档齿轮结构专门设计，不需要剃齿等工序，工艺步骤设计合理，针对性强，所述三档齿轮采用特制齿轮钢锻压而成，配合特殊的热处理工艺，使得三档齿轮齿表面硬度为60～65HRC；有效硬化层深HV550；芯部硬度40～45HRC，适应汽车发动机高速运转的特性，抗拉强度高达900～1000MPa，屈服强度高达800～900MPa，在解除疲劳循环基础N＝5×107时，三档齿轮弯曲疲劳极限σflim高达490～510MPa，通过磷皂化处理、清理、抛光、涂防锈油处理，三档齿轮表面光泽度高，美观实用，且耐腐蚀能力强。
附图说明
图1为本发明所提供的一种汽车变速箱中间轴三档齿轮锻压工艺所得惰齿轮的结构示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据厂家的条件作进一步调整，未说明的实施条件通常为常规实验条件。
参见图1，本发明所提供的一种汽车变速箱中间轴三档齿轮锻压工艺所得惰齿轮包括一圆环100，圆环100开口101处沿开口101周向凸设一圆环102。
本发明提供一种汽车变速箱中间轴用三档齿轮锻压工艺，包括如下步骤：
1)制坯
将用于制造三档齿轮的齿轮钢放入热模锻压力机中进行锻造，锻造压力为800～1000MPa，锻造比为2～3，始锻温度1100～1200℃，终锻温度950～1050℃，得所述三档齿轮坯件，坯件高度与坯件直径之间比值为1.5～2.5；
2)正火
将所述坯件置于正火炉中，以1.5～2℃/min的速率升温至680～700℃，再以1.0～1.5℃/min的速率升温至960～1050℃，保温2～2.5小时出炉，空冷至室温，冷却速度10～15℃/min；
3)车削加工
采用数控车床对正火处理后的毛坯进行车削加工，进行切边、冲孔，同步完成坯件孔径、端面及外圆的加工，孔径、端面及外圆分别预留1～2mm的加工余量，整体表面粗造度为Ra5～6μm；
4)热处理
将步骤3)处理后的坯件放入渗碳炉内，在渗碳剂的作用下进行多次渗碳处理，先将坯件温度升至800～850℃，均温10～15min，进行第一次渗碳，使得渗碳炉中碳势达1.0～1.1C％，炉内温度升至850～900℃，保温5～10min后，进行第二次渗碳，并向炉内通入氮气、丙烷及甲醇的混合气体，使得炉内碳势达1.1～1.2C％，降温至750～800℃，保温5～10min后，进行第三次渗碳，使得炉内碳势降至0.8～0.9C％，将750～800℃的坯件送入淬火炉，再80～100℃的淬火油中进行淬火，淬火时长30～40min，淬火完成后静置10～15min去除坯件表面的淬火油，淬火后的坯件降温至180～200℃，送入回火炉中进行1～1.5h的回火，完成坯件的热处理；
5)磨削加工
对回火处理后的坯件的孔径、端面及外圆进行磨削加工，磨削去除外圆加工余量至表面粗造度为Ra0.6～0.8μm，磨削去除孔径加工余量至表面粗糙度为Ra0.6～0.8μm，磨削去除端面加工余量至表面粗糙度为Ra0.6～0.8μm；
6)磷皂化处理、清理、抛光、涂防锈油
将磨削加工处理后的坯件进行磷皂化处理，清理去除表面氧化皮，送入齿轮抛光机抛光，涂覆防锈油，干燥，得所述汽车发动机用三档齿轮。
进一步，所述三档齿轮用齿轮钢其化学成分质量百分比为：C：0.16～0.21％，Si：0.10～0.12％，Mn：0.80～1.15％，Cr：1.20～1.21％，P：0.015～0.018％，Al：0.05～0.07％，Ni：0.01～0.25％，Mo：0.15～0.35％，W：0.08～0.15％，Nb：0.08～0.15％，N≤0.002％，O≤0.0015％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
另，所述三档齿轮用齿轮钢生产方法包括如下步骤：
1)冶炼、铸造
按下述化学成分采用电炉进行冶炼、铸造：C：0.16～0.21％，Si：0.10～0.12％，Mn：0.80～1.15％，Cr：1.20～1.21％，P：0.015～0.018％，Al：0.05～0.07％，Ni：0.01～0.25％，Mo：0.15～0.35％，W：0.08～0.15％，Nb：0.08～0.15％，N≤0.002％，O≤0.0015％，余量为Fe和不可避免的杂质；按上述成分进行冶炼并浇铸成铸坯；
2)铸坯加热
将所得铸坯送至加热炉加热，铸坯在炉时间1.2～1.5min/mm，铸坯出炉温度1230～1265℃；
3)轧制、冷却
将所得铸坯保温后轧制，终轧温度1000～1050℃，轧后待温至830～860℃，然后水冷至室温、酸洗，得所述三档齿轮用齿轮钢。
另有，步骤1)所用热模锻压力机为1600T热模锻压力机或4000T热模锻压力机。
再，步骤1)中所述锻造采用闭式热模锻。
再有，步骤4)所用渗碳剂为煤油。
且，步骤4)所述渗碳步骤中，第一次渗碳时长为0.5～0.8小时，第二次渗碳时长为1.2～2.5小时，第三次渗碳时长为0.3～0.7小时。
另，所述磷皂化处理时间为1～2小时。
其中，表1为本发明各个实施例所提供的一种汽车变速箱中间轴用三档齿轮锻压工艺中所用齿轮钢的成分列表。表2为本发明各个实施例所提的一种汽车变速箱中间轴用三档齿轮锻压工艺所得三档齿轮的机械性能列表。
表1(单位：wt％)
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
C 0.18 0.16 0.20 0.21 0.17
Si 0.05 0.18 0.10 0.11 0.12
Mn 1.08 1.05 0.80 1.12 1.15
Cr 1.20 1.21 1.21 1.20 1.20
P 0.016 0.018 0.017 0.015 0.016
Al 0.06 0.05 0.07 0.07 0.05
Ni 0.08 0.05 0.01 0.20 0.25
Mo 0.20 0.18 0.35 0.15 0.33
W 0.10 0.15 0.12 0.08 0.13
Nb 0.12 0.09 0.15 0.08 0.10
N 0.001 0.002 0.002 0.0015 0.002
O 0.0012 0.001 0.0013 0.0015 0.0014
表2
本发明所提供的一种汽车变速箱中间轴用三档齿轮锻压工艺，所述锻造工艺结合汽车变速箱中间轴用三档齿轮结构专门设计，不需要剃齿等工序，工艺步骤设计合理，针对性强，所述三档齿轮采用特制齿轮钢锻压而成，配合特殊的热处理工艺，使得三档齿轮齿表面硬度为60～65HRC；有效硬化层深HV550；芯部硬度40～45HRC，适应汽车发动机高速运转的特性，抗拉强度高达900～1000MPa，屈服强度高达800～900MPa，在解除疲劳循环基础N＝5×107时，三档齿轮弯曲疲劳极限σflim高达490～510MPa，通过磷皂化处理、清理、抛光、涂防锈油处理，三档齿轮表面光泽度高，美观实用，且耐腐蚀能力强。
需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (8)

1.一种汽车变速箱中间轴用三档齿轮锻压工艺，其特征在于，包括如下步骤：
1)制坯
将用于制造三档齿轮的齿轮钢放入热模锻压力机中进行锻造，锻造压力为800~1000MPa，锻造比为2~3，始锻温度1100~1200℃，终锻温度950~1050℃，得所述三档齿轮坯件，坯件高度与坯件直径之间比值为1.5~2.5；
2)正火
将所述坯件置于正火炉中，以1.5~2℃/min的速率升温至680~700℃，再以1.0~1.5℃/min的速率升温至960~1050℃，保温2~2.5小时出炉，空冷至室温，冷却速度10~15℃/min；
3)车削加工
采用数控车床对正火处理后的毛坯进行车削加工，进行切边、冲孔，同步完成坯件孔径、端面及外圆的加工，孔径、端面及外圆分别预留1~2mm的加工余量，整体表面粗造度为Ra5~6μm；
4)热处理
将步骤3)处理后的坯件放入渗碳炉内，在渗碳剂的作用下进行多次渗碳处理，先将坯件温度升至800~850℃，均温10~15min，进行第一次渗碳，使得渗碳炉中碳势达1.0~1.1C%，炉内温度升至850~900℃，保温5~10min后，进行第二次渗碳，并向炉内通入氮气、丙烷及甲醇的混合气体，使得炉内碳势达1.1~1.2 C%，降温至750~800℃，保温5~10min后，进行第三次渗碳，使得炉内碳势降至0.8~0.9C%，将750~800℃的坯件送入淬火炉，再80~100℃的淬火油中进行淬火，淬火时长30~40min，淬火完成后静置10~15min去除坯件表面的淬火油，淬火后的坯件降温至180~200℃，送入回火炉中进行1~1.5h的回火，完成坯件的热处理；
5)磨削加工
对回火处理后的坯件的孔径、端面及外圆进行磨削加工，磨削去除外圆加工余量至表面粗造度为Ra0.6~0.8μm，磨削去除孔径加工余量至表面粗糙度为Ra0.6~0.8μm，磨削去除端面加工余量至表面粗糙度为Ra0.6~0.8μm；
6)磷皂化处理、清理、抛光、涂防锈油
将磨削加工处理后的坯件进行磷皂化处理，清理去除表面氧化皮，送入齿轮抛光机抛光，涂覆防锈油，干燥，得所述汽车发动机用三档齿轮。
2.根据权利要求1所述的一种汽车变速箱中间轴用三档齿轮锻压工艺，其特征在于，所述三档齿轮用齿轮钢其化学成分质量百分比为：C：0.16~0.21%，Si：0.10~0.12%，Mn：0.80~1.15%，Cr：1.20~1.21%，P：0.015~0.018%，Al：0.05~0.07%，Ni：0.01~0.25%，Mo：0.15～0.35%，W：0.08~0.15%，Nb：0.08~0.15%，N≤0.002%，O≤0.0015%，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
3.根据权利要求2所述的一种汽车变速箱中间轴用三档齿轮锻压工艺，其特征在于，所述三档齿轮用齿轮钢生产方法包括如下步骤：
冶炼、铸造
按下述化学成分采用电炉进行冶炼、铸造：C：0.16~0.21%，Si：0.10~0.12%，Mn：0.80~1.15%，Cr：1.20~1.21%，P：0.015~0.018%，Al：0.05~0.07%，Ni：0.01~0.25%，Mo：0.15~0.35%，W：0.08~0.15%，Nb：0.08~0.15%，N≤0.002%，O≤0.0015%，余量为Fe和不可避免的杂质；按上述成分进行冶炼并浇铸成铸坯；
铸坯加热
将所得铸坯送至加热炉加热，铸坯在炉时间1.2~1.5min/mm，铸坯出炉温度1230~1265℃；
轧制、冷却
将所得铸坯保温后轧制，终轧温度1000～1050℃，轧后待温至830～860℃，然后水冷至室温、酸洗，得所述三档齿轮用齿轮钢。
4.根据权利要求1所述的一种汽车变速箱中间轴用三档齿轮锻压工艺，其特征在于，步骤1)所用热模锻压力机为1600T热模锻压力机或4000T热模锻压力机。
5.根据权利要求1所述的一种汽车变速箱中间轴用三档齿轮锻压工艺，其特征在于，步骤1)中所述锻造采用闭式热模锻。
6.根据权利要求1所述的一种汽车变速箱中间轴用三档齿轮锻压工艺，其特征在于，步骤4)所用渗碳剂为煤油。
7.根据权利要求1所述的一种汽车变速箱中间轴用三档齿轮锻压工艺，其特征在于，步骤4)所述渗碳步骤中，第一次渗碳时长为0.5~0.8小时，第二次渗碳时长为1.2~2.5小时，第三次渗碳时长为0.3~0.7小时。
8.根据权利要求1所述的一种汽车变速箱中间轴用三档齿轮锻压工艺，其特征在于，所述磷皂化处理时间为1~2小时。
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