CN112090975A - 一种表面挤压强化的发动机齿轮制造工艺及挤压成型模具 - Google Patents

一种表面挤压强化的发动机齿轮制造工艺及挤压成型模具 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种表面挤压强化的发动机齿轮制造工艺及挤压成型模具，涉及粉末冶金齿轮表面强化技术领域，该表面挤压强化的发动机齿轮制造方法包括：将多种粉料按照预设比例混合得到混合粉料，混合粉料的组分包括铁、碳、镍、钼、钛、锰、以及润滑剂；将混合粉料压制成齿轮毛坯，并对齿轮毛坯进行烧结得到齿轮烧结件；将齿轮烧结件放入挤压成型模具，依次经过其内部的多级挤压工作带的挤压后得到表面强化的待完成齿轮；对待完成齿轮进行热处理和精加工得到目标齿轮。本申请，可保证齿轮强化效果高、齿轮精度可控制、工艺简单、成本较低。

Description

一种表面挤压强化的发动机齿轮制造工艺及挤压成型模具
技术领域
本发明涉及粉末冶金齿轮表面强化技术领域，具体涉及一种表面挤压强化的发动机齿轮制造工艺及挤压成型模具。
背景技术
粉末冶金齿轮表面强化行业现有技术主要如下：
(1)表面喷丸强化，例如公开号为CN103071799A的专利文献公开了一种粉末冶金表面致密齿轮生产方法，其机理为采用高速钢珠撞击齿轮表面，在表层很薄(0.1mm)的范围内使粉末冶金齿轮表面致密化，其强化范围浅；
(2)表面喷涂沉积强化，例如公开号为CN109023249A的专利文献公开了一种提高粉末冶金齿轮表面耐磨性能合金层及其制备方法，其机理为表面渗入极薄(3-5μm)的Ti强化层+W-Mo-Ti扩散层+W-Mo沉积层，其主要作用为提升表面硬度和减小摩擦，该方法工艺复杂，设备投入高昂，强化成本高。
综上，目前粉末冶金齿轮表面强化行业的两种技术方向，一种为表面喷丸强化，喷丸强化致密层薄，强化效果一般，且齿轮精度无法控制，需增加表面加工工序，通常只作为去除应力和表面清理等工序；另一种为表面喷涂沉积强化，该工艺主要用于提升表面硬度提升和减小摩擦，工艺复杂，工艺设备投入高昂，强化成本高。
发明内容
针对现有粉冶齿轮表面强化技术中存在的缺陷，本发明的提供一种表面挤压强化的发动机齿轮制造工艺及挤压成型模具以解决相关技术存在的齿轮强化效果一般、齿轮精度无法控制、工艺复杂、成本较高的问题。
本申请第一方面提供一种表面挤压强化的发动机齿轮制造方法，包括：
步骤S1、将多种粉料按照预设比例混合得到混合粉料，混合粉料的组分包括铁、碳、镍、钼、钛、锰、以及润滑剂；
步骤S2、将混合粉料压制成齿轮毛坯，并对齿轮毛坯进行烧结得到齿轮烧结件；
步骤S3、将齿轮烧结件放入挤压成型模具，齿轮烧结件依次经过其内部的多级挤压工作带的挤压后得到表面强化的待完成齿轮；
步骤S4、对待完成齿轮进行热处理和精加工得到目标齿轮。
一些实施例中，所述步骤S2中，将混合粉料压制成齿轮毛坯的具体步骤如下：
采用800T压力机并保持650-720MPa压力对混合粉料进行压制得到预设尺寸的齿轮毛坯。
一些实施例中，所述步骤S2中，对齿轮毛坯进行烧结得到齿轮烧结件的具体步骤如下：
将齿轮毛坯隔绝空气，并在400-500℃下预烧1.5-2h；
将预烧后的齿轮毛坯放入真空烧结炉中，并在900-1180℃下烧结2-3h得到齿轮烧结件。
一些实施例中，所述步骤S2中，对齿轮毛坯进行烧结得到齿轮烧结件后，将齿轮烧结件置于120℃的防护油中浸泡。
一些实施例中，所述步骤S3中，将齿轮烧结件放入挤压成型模具前，将齿轮烧结件置于润滑油中浸泡2-3min。
一些实施例中，齿轮烧结件的基体密度范围为7.3-7.4g/cm3；
待完成齿轮的基体密度范围为7.3-7.4g/cm3，待完成齿轮的预设第一深度的齿轮表面的表面密度范围为7.6-7.7g/cm3。
一些实施例中，所述步骤S4中，对待完成齿轮进行热处理的具体步骤如下：
对待完成齿轮进行整体渗碳淬火处理，渗碳层深为0.6-1.3mm，整体渗碳淬火处理后的待完成齿轮的表面硬度大于600HV0.2，整体渗碳淬火处理后的待完成齿轮的预设第二深度的齿轮表面的表面硬度不小于550HV0.2。
一些实施例中，所述步骤S4中，对待完成齿轮进行精加工的具体步骤如下：
对完成热处理后的待完成齿轮依次进行端面和内孔铣削、齿形倒角加工、内孔压配衬套、以及镗孔得到目标齿轮。
本申请第二方面提供一种表面挤压强化的挤压成型模具，适用于上述表面挤压强化的发动机齿轮制造方法；所述模具包括：
凹模，其内部从上到下依次设置有多级模芯，每个模芯内部均设有内齿状的挤压工作带，且从上到下挤压工作带的内径依次减小，凹模底部设有与位于最下方的挤压工作带连通的物料出口，凹模内部还设有从内到外依次包裹所有模芯的多级预应力圈；
凸模，其设置在凹模上方，凸模的底部对准位于最上方的挤压工作带的顶部；
凸模用于将多个齿轮烧结件顺序推入凹模最上方的挤压工作带内，后一个进入凹模的齿轮烧结件推动前一个进入凹模的齿轮烧结件继续向下行进，直至前一个进入凹模的齿轮烧结件经过所有挤压工作带后通过物料出口排出凹模。
一些实施例中，所述装置还包括：
模架，其用于安装凹模的下模架和用于安装凸模的上模架，上模架连接液压设备上端移动工作台，下模架连接液压设备下端固定工作台，液压设备上端移动工作台带动上模架及其连接部分在竖直方向运动，以改变凸模和凹模之间的相对距离；
限位装置，其包括设置下模架顶部且位于凹模一侧的第一凸起和设置在上模架底部且位于凸模一侧的第二凸起，第一凸起和第二凸起相对设置，用于对凸模进行竖向限位；
导向装置，其包括设置在下模架顶部且位于凹模一侧的导柱和设置在上模架底部且位于凸模一侧的导套，导柱和导套相对设置，用于对凸模和凹模进行模具上下运动导向。
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：
(1)一般粉冶发动机齿轮密度为7.1-7.3g/cm3，而采用本发明的制造工艺加工的目标齿轮，基体密度达到7.3-7.4g/cm3，表面密度达到7.6-7.7g/cm3，不仅实现了基体的高密度粉冶，更重要的是表面密度更高(接近钢材本体密度)，具备独特的密度梯度优势。
(2)经过表面挤压强化的目标齿轮齿形部分精度经检测达到整体7级，且均匀性较好，完全满足发动机齿轮产品的精度等级要求，无需二次加工，成本低廉。
(3)由于目标齿轮表面经过挤压，得到机械强化，同时挤压产生表面加工硬化，使目标齿轮的强度得到大大提高，与一般粉冶发动机齿轮相比，单齿断裂静强度提升20％以上，单齿弯曲疲劳强度提升25％以上。
附图说明
图1为本申请实施例提供的表面挤压强化的发动机齿轮制造方法的流程图；
图2为本申请实施例提供的表面挤压强化的挤压成型模具的结构示意图。
附图标记：
1-齿轮烧结件，2-凹模，3-凸模，4-一级模芯；5-二级模芯；6-一级挤压工作带；7-二级挤压工作带；8-一级预应力圈；9-二级预应力圈；10-下模架；11-上模架；12-第一凸起；13-第二凸起；14-导柱；15-导套。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本申请作进一步详细说明。
参见图1所示，本申请实施例提供一种表面挤压强化的发动机齿轮制造方法，包括：
步骤S1、将多种粉料按照预设比例混合得到混合粉料，混合粉料的组分包括铁、碳、镍、钼、钛、锰、以及润滑剂。混合粉料中的组分固定，但各组分的质量百分比可调。
步骤S2、将混合粉料压制成齿轮毛坯，并对齿轮毛坯进行烧结得到齿轮烧结件1。不同组分的混合粉料经压制后得到相同尺寸的齿轮毛坯，针对不同组分的混合粉料可采用不同的烧结条件。组分和烧结条件决定齿轮烧结件1的基体密度和基体强度。
步骤S3、将齿轮烧结件1放入挤压成型模具，齿轮烧结件1依次经过其内部的多级挤压工作带的挤压后得到表面强化的待完成齿轮。不同组分的混合粉料得到的齿轮烧结件1在经过挤压成型模具的挤压后，其表面强化后的表面强度和表面密度均符合预设值。
步骤S4、对待完成齿轮进行热处理和精加工得到目标齿轮。
本实施例中，将混合粉料压制、烧结得到齿轮烧结件1后，将齿轮烧结件1放入挤压成型模具，利用挤压成型模具内部的多级挤压工作带对齿轮烧结件1进行多次挤压从而使其表面得到强化，表面强化后的待完成齿轮经过热处理和精加工后得到目标齿轮。
一般粉冶发动机齿轮密度为7.1-7.3g/cm3，采用本方法得到的目标齿轮，基体密度达到7.3-7.4g/cm3，表面密度达到7.6-7.7g/cm3，不仅实现了基体的高密度粉冶，更重要的是表面密度更高(接近钢材本体密度，钢材密度一般为7.85g/cm3)，具备独特的密度梯度优势。
经过表面挤压强化的目标齿轮齿形部分精度经检测达到整体7级，且均匀性较好，完全满足发动机齿轮产品的精度等级要求，无需二次加工，成本低廉。
由于目标齿轮表面经过挤压，得到机械强化，同时挤压产生表面加工硬化，使目标齿轮的强度得到大大提高，与一般粉冶发动机齿轮相比，单齿断裂静强度提升20％以上，单齿弯曲疲劳强度提升25％以上。
优选的，上述步骤S2中，将混合粉料压制成齿轮毛坯的具体步骤如下：
采用800T压力机并保持650-720MPa压力对混合粉料进行压制得到预设尺寸的齿轮毛坯。通常采用800T压力机即可满足本方法要求，但是对于特殊情况，例如对齿轮基体密度要求更高时，也可采用更大功率的压力机，但是相应的成本也会升高，因此，实际使用时优选800T压力机。
优选的，上述步骤S2中，对齿轮毛坯进行烧结得到齿轮烧结件1的具体步骤如下：
将齿轮毛坯隔绝空气，并在400-500℃下预烧1.5-2h。可通过将齿轮毛坯置于氮气保护气氛中实现隔绝空气，也可将齿轮毛坯直接置于真空烧结炉中进行预烧。
将预烧后的齿轮毛坯放入真空烧结炉中，并在900-1180℃下烧结2-3h得到齿轮烧结件1。
优选的，上述步骤S2中，对齿轮毛坯进行烧结得到齿轮烧结件1后，将齿轮烧结件1置于120℃的防护油中浸泡。浸泡时间根据实际需要调整，防护油浸入齿轮烧结件1的孔隙内以避免后续发生生锈问题。
优选的，上述步骤S3中，将齿轮烧结件1放入挤压成型模具前，将齿轮烧结件1置于润滑油中浸泡2-3min。浸泡时间优选2-3min，也可根据实际需要调整。将齿轮烧结件1置于润滑油中浸泡有利于后续齿轮烧结件1在挤压成型模具中的挤压操作。
优选的，齿轮烧结件1的基体密度范围为7.3-7.4g/cm3。
待完成齿轮的基体密度范围为7.3-7.4g/cm3，待完成齿轮的预设第一深度的齿轮表面的表面密度范围为7.6-7.7g/cm3。不同组分、不同加工参数下得到的待完成齿轮在经过表面挤压强化后，其上不同预设第一深度的表面得到强化，例如，下述具体实施例中提到的待完成齿轮表面0.5mm深度范围内受到强力挤压提升密度至7.6-7.7g/cm3。
优选的，上述步骤S4中，对待完成齿轮进行热处理的具体步骤如下：
对待完成齿轮进行整体渗碳淬火处理，渗碳层深为0.6-1.3mm，整体渗碳淬火处理后的待完成齿轮的表面硬度大于600HV0.2，整体渗碳淬火处理后的待完成齿轮的预设第二深度的齿轮表面的表面硬度不小于550HV0.2。不同组分、不同加工参数下得到的待完成齿轮在经过表面挤压强化后，其上不同预设第二深度的齿轮表面的表面硬度大于等于550HV0.2，例如，下述具体实施例中提到的待完成齿轮表面0.3-0.6mm深度处硬度不小于550HV0.2。
优选的，上述步骤S4中，对待完成齿轮进行精加工的具体步骤如下：
对完成热处理后的待完成齿轮依次进行端面和内孔铣削、齿形倒角加工、内孔压配衬套、以及镗孔得到目标齿轮。
本申请实施例提供一种适用于上述表面挤压强化的发动机齿轮制造方法的挤压成型模具，上述模具包括：
凹模2，其内部从上到下依次设置有多级模芯，每个模芯内部均设有内齿状的挤压工作带，且从上到下挤压工作带的内径依次减小，凹模2底部设有与位于最下方的挤压工作带连通的物料出口，凹模2内部还设有从内到外依次包裹所有模芯的多级预应力圈。
凸模3，其设置在凹模2上方，凸模3的底部对准位于最上方的挤压工作带的顶部。
凸模3用于将多个齿轮烧结件1顺序推入凹模2最上方的挤压工作带内，后一个进入凹模2的齿轮烧结件1推动前一个进入凹模2的齿轮烧结件1继续向下行进，直至前一个进入凹模2的齿轮烧结件1经过所有挤压工作带后通过物料出口(图中未示出)排出凹模2。
模架，其用于安装凹模2的下模架10和用于安装凸模3的上模架11，上模架11连接液压设备上端移动工作台(图中未示出)，下模架10连接液压设备下端固定工作台(图中未示出)，液压设备上端移动工作台带动上模架11及其连接部分在竖直方向运动，以改变凸模3和凹模2之间的相对距离；
限位装置，其包括设置下模架10顶部且位于凹模2一侧的第一凸起12和设置在上模架11底部且位于凸模3一侧的第二凸起13，第一凸起12和第二凸起13相对设置，用于对凸模3进行竖向限位。
导向装置，其包括设置在下模架10顶部且位于凹模2一侧的导柱14和设置在上模架11底部且位于凸模3一侧的导套15，导柱14和导套15相对设置，用于对凸模3和凹模2进行模具上下运动导向。
参见图2所示，为设有两级模芯和两级预应力圈的挤压成型模具，一级模芯4和二级模芯5上下设置，一级模芯4内部设有一级挤压工作带6，二级模芯5内部设有二级挤压工作带7，一级模芯4和二级模芯5外侧由内到外依次包裹有一级预应力圈8、二级预应力圈9、以及其他用于将两级模芯和两级预应力圈固定在凹模2的构件。
在一个具体实施例中，表面挤压强化的发动机齿轮制造方法包括：
将不同粉料按照一定比例均匀混合，得到各组分质量百分比如下的混合粉料：铁，质量百分比95-96.7％；碳，质量百分比0.4-0.7％；镍，质量百分比0.6-0.8％；钼，质量百分比0.6-0.8％；钛，质量百分比1-1.5％；锰，质量百分比0.3-0.5％；润滑剂，质量百分比0.4-0.7％。
在800T压力机上，保持650-720MPa压力，将混合粉料压制为齿轮毛坯。将齿轮毛坯置于氮气保护气氛中，在400-500℃温度下预烧1.5-2h。
将预烧后的齿轮毛坯放入真空烧结炉中，在900-1180℃下烧结2-3h，得到齿轮烧结件1。
将完成烧结的齿轮烧结件1浸入120℃防护油中浸泡，该齿轮烧结件1为空压机惰齿轮，简称惰齿轮。
将齿轮烧结件1置于润滑油中浸泡2-3min，然后放入惰齿轮挤压成型模具中，使惰齿轮依次通过模具的两级挤压工作带，在齿形表面预设第一深度为0.5mm的深度范围内(一级挤压工作带6的挤压量为0.3mm，二级挤压工作带7的挤压量为0.2mm)进行强力挤压提升表面密度至7.6-7.7g/cm3，同时由于挤压产生的加工硬化，最终达到提升齿轮强度的目的。
挤压成型工序中，挤压成型模具是惰齿轮表面挤压强化的关键，该模具结构由凹模和凸模组成，具体结构如下图2所示。
对惰齿轮进行整体渗碳淬火处理，渗碳层深0.6-1.3mm，保证表面硬度600HV0.2以上，控制齿形表面预设第二深度为0.3-0.6mm的深度处硬度不小于550HV0.2。
对惰齿轮端面进行铣削、齿形倒角、内孔压配衬套后镗孔，最终达到产品图纸要求得到目标齿轮。
在一个具体实施例中，如图2所示，表面挤压强化的挤压成型模具包括凹模2和凸模3。
凹模2由两级挤压模芯(模芯级数可根据挤压量及密度要求调整)和模芯外的两层预应力圈组成(预应力圈级数可根据挤压量及密度要求调整)，两层预应力圈采用合金钢(例如45#钢)调质处理(调质硬度可为HRC40-45)，保证强度和韧性，模芯根据寿命要求(例如，寿命要求为可加工20000件)选用冷作模具钢(例如Cr12MoV)或者硬质合金钢，整体淬火硬度为HRC60-62。凸凹模具二者保证0.5％的径向过盈量采用红套方式压配，压合后采用慢走丝方式一体加工模芯的齿形部分。模芯的挤压工作带宽度为3-10mm，工作带入模角和出模角为30-60°(例如第一级模芯挤压工作带宽度为5mm，工作带入模角为45°，出模角为60°，第二级模芯挤压工作带宽度为3mm，入模角为45°，出模角为60°)，入模圆角处采用人工抛光处理，保证光洁度为Ra0.4。
凸模3采用普通中碳(例如45#钢)钢调质处理(调质硬度可为HRC40-45)即可，凸模3和凹模2之间设置(4套导柱式)导向装置，保证凸凹模同轴度在φ0.02mm以内，设置限位装置，确保凸模3和凹模2工作带距离在0.5mm以上。确保挤压齿轮的整体精度和防止过压。
本申请不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种表面挤压强化的发动机齿轮制造方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1、将多种粉料按照预设比例混合得到混合粉料，混合粉料的组分包括铁、碳、镍、钼、钛、锰、以及润滑剂；
步骤S2、将混合粉料压制成齿轮毛坯，并对齿轮毛坯进行烧结得到齿轮烧结件(1)；
步骤S3、将齿轮烧结件(1)放入挤压成型模具，齿轮烧结件(1)依次经过其内部的多级挤压工作带的挤压后得到表面强化的待完成齿轮；
步骤S4、对待完成齿轮进行热处理和精加工得到目标齿轮。
2.如权利要求1所述的表面挤压强化的发动机齿轮制造方法，其特征在于，所述步骤S2中，将混合粉料压制成齿轮毛坯的具体步骤如下：
采用800T压力机并保持650-720MPa压力对混合粉料进行压制得到预设尺寸的齿轮毛坯。
3.如权利要求1所述的表面挤压强化的发动机齿轮制造方法，其特征在于，所述步骤S2中，对齿轮毛坯进行烧结得到齿轮烧结件(1)的具体步骤如下：
将齿轮毛坯隔绝空气，并在400-500℃下预烧1.5-2h；
将预烧后的齿轮毛坯放入真空烧结炉中，并在900-1180℃下烧结2-3h得到齿轮烧结件(1)。
4.如权利要求1所述的表面挤压强化的发动机齿轮制造方法，其特征在于，所述步骤S2中，对齿轮毛坯进行烧结得到齿轮烧结件(1)后，将齿轮烧结件(1)置于120℃的防护油中浸泡。
5.如权利要求1所述的表面挤压强化的发动机齿轮制造方法，其特征在于，所述步骤S3中，将齿轮烧结件(1)放入挤压成型模具前，将齿轮烧结件(1)置于润滑油中浸泡2-3min。
6.如权利要求1所述的表面挤压强化的发动机齿轮制造方法，其特征在于，齿轮烧结件(1)的基体密度范围为7.3-7.4g/cm3；
待完成齿轮的基体密度范围为7.3-7.4g/cm3，待完成齿轮的预设第一深度的齿轮表面的表面密度范围为7.6-7.7g/cm3。
7.如权利要求1所述的表面挤压强化的发动机齿轮制造方法，其特征在于，所述步骤S4中，对待完成齿轮进行热处理的具体步骤如下：
对待完成齿轮进行整体渗碳淬火处理，渗碳层深为0.6-1.3mm，整体渗碳淬火处理后的待完成齿轮的表面硬度大于600HV0.2，整体渗碳淬火处理后的待完成齿轮的预设第二深度的齿轮表面的表面硬度不小于550HV0.2。
8.如权利要求1所述的表面挤压强化的发动机齿轮制造方法，其特征在于，所述步骤S4中，对待完成齿轮进行精加工的具体步骤如下：
对完成热处理后的待完成齿轮依次进行端面和内孔铣削、齿形倒角加工、内孔压配衬套、以及镗孔得到目标齿轮。
9.一种表面挤压强化的挤压成型模具，适用于上述权利要求1所述的表面挤压强化的发动机齿轮制造方法；其特征在于，所述模具包括：
凹模(2)，其内部从上到下依次设置有多级模芯，每个模芯内部均设有内齿状的挤压工作带，且从上到下挤压工作带的内径依次减小，凹模(2)底部设有与位于最下方的挤压工作带连通的物料出口，凹模(2)内部还设有从内到外依次包裹所有模芯的多级预应力圈；
凸模(3)，其设置在凹模(2)上方，凸模(3)的底部对准位于最上方的挤压工作带的顶部；
凸模(3)用于将多个齿轮烧结件(1)顺序推入凹模(2)最上方的挤压工作带内，后一个进入凹模(2)的齿轮烧结件(1)推动前一个进入凹模(2)的齿轮烧结件(1)继续向下行进，直至前一个进入凹模(2)的齿轮烧结件(1)经过所有挤压工作带后通过物料出口排出凹模(2)。
10.如权利要求9所述的表面挤压强化的挤压成型模具，其特征在于，所述装置还包括：
模架，其用于安装凹模(2)的下模架(10)和用于安装凸模(3)的上模架(11)，上模架(11)连接液压设备上端移动工作台，下模架(10)连接液压设备下端固定工作台，液压设备上端移动工作台带动上模架(11)及其连接部分在竖直方向运动，以改变凸模(3)和凹模(2)之间的相对距离；
限位装置，其包括设置下模架(10)顶部且位于凹模(2)一侧的第一凸起(12)和设置在上模架(11)底部且位于凸模(3)一侧的第二凸起(13)，第一凸起(12)和第二凸起(13)相对设置，用于对凸模(3)进行竖向限位；
导向装置，其包括设置在下模架(10)顶部且位于凹模(2)一侧的导柱(14)和设置在上模架(11)底部且位于凸模(3)一侧的导套(15)，导柱(14)和导套(15)相对设置，用于对凸模(3)和凹模(2)进行模具上下运动导向。
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