CN113801982B - 一种大直径薄弧板渗碳齿轮的压淬模具及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大直径薄弧板渗碳齿轮的压淬模具及工艺，涉及热处理压力淬火模具及工艺技术领域，解决现有控制齿轮热处理变形及生产效率低的技术问题，压淬模具由芯轴底座、堵板、支板、外环支圈、导锥固定螺钉、外压环、内压环、内孔模导锥、内孔胀模、螺钉、弹簧、固定环、导锥复位弹簧、内六角圆柱头螺钉、标准型弹性垫圈、顶杆和圈簧组成，将齿轮加热至淬火温度并保温一段时间，采用专用提取辅具将齿轮从加热炉转移并套入压淬模，启动压床，压床和模具共同作用，矫正平面翘曲、限位直径和高度尺寸等，得到满足精加工要求的零件；该发明具有操作方便、模具使用寿命长、齿轮矫形效果好等特点，值得推广使用。

Description

一种大直径薄弧板渗碳齿轮的压淬模具及工艺
技术领域
本发明涉及热处理压力淬火模具及工艺技术领域，更具体的是涉及一种大直径薄弧板渗碳齿轮的压淬模具及工艺技术领域。
背景技术
转向齿轮是行星传动机构综合传动装置中一种重要零件，起传递转向功率的作用。某转向齿轮属大直径薄弧板结构，材料为20Cr2Ni4A钢，φ158内环槽及外齿要求渗碳，内花键不允许渗碳，外齿公法线直径φ435mm，弧板壁厚9mm，内环槽处悬空31mm。
该零件经济高效的制造工艺流程为：下料→模锻→预热处理→粗加工至仅留→渗碳+淬火→精加工，渗碳前外齿、内环槽及槽底均加工至仅留约单边0.3mm的磨量，弧板均加工至图纸要求尺寸。这种方法的工艺流程简单，生产效率高，但对于渗碳和淬火阶段的热处理变形控制要求相当高。由于齿轮内环槽底悬空，在渗碳时，必须在槽底增加支撑，减少≥900℃渗碳加热温度导致的变形。淬火阶段，必须设计较合理的压淬模并匹配相应的压淬参数以矫正齿轮变形。
在此前，公司针对该零件控制渗碳淬火变形的方法做了一些工作，取得了阶段性成果。随着该零件产量增加及质量提升需求，我们对渗碳和淬火的辅具、压淬模具及压淬工艺进行了改进，改进后的方法在控制齿轮热处理变形及生产效率提升方面成效显著。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决上述技术问题，本发明提供一种大直径薄弧板渗碳齿轮的压淬模具及工艺。
本发明采用的技术方案如下：一种大直径薄弧板渗碳齿轮的压淬模具，包括芯轴底座、堵板、支板、外环支圈、导锥固定螺钉、外压环、内压环、内孔模导锥、内孔胀模、螺钉、弹簧、固定环、导锥复位弹簧、M8内六角圆柱头螺钉、M8标准型弹性垫圈、顶杆、M10内六角圆柱头螺钉、M10标准型弹性垫圈和圈簧，所述芯轴底座下设有用于固定芯轴底座的堵板，所述堵板由M8内六角圆柱头螺钉和M8标准型弹性垫圈固定，所述芯轴底座外设有支板，所述支板和所述芯轴底座通过M10内六角圆柱头螺钉和M10标准型弹性垫圈固定，所述支板和所述芯轴底座上设有内孔模导锥，所述内孔模导锥设置成倒置的锥形，内孔模导锥内设有导锥固定螺钉，所述导锥固定螺钉下方设有导锥复位弹簧，所述内孔模导锥外围设有内孔胀模，所述内孔胀模与内孔模导锥磨配，接触面积不小于75％，所述内孔胀模和支板的交界处设有固定环，所述固定环设置成圆筒形，通过螺钉和弹簧将内孔胀模与支板固定，所述固定环外设有外环支圈，所述内孔胀模上设有圈簧，所述外压环、内压环和顶杆固定于淬火压床内的三个单独工作的油压机。
所述内孔模导锥外壁设置成22.5°的圆锥面，所述圆锥面的锥度与内孔胀模内壁锥度相同。
所述固定环、弹簧、螺钉和圈环组成自动复位机构，所述固定环设置在支板和内孔胀模的交界处，通过套设有弹簧的螺钉固定。
所述内孔胀模在内孔模导锥下压时和齿轮外齿内壁及内环槽处的花键接触，其过盈量约为0.05mm。
所述内孔模导锥、导锥复位弹簧和导锥固定螺钉组成自动复位机构。
所述内孔胀模和齿轮内环槽底接触部位距外环支圈的高度为31mm。
所述外压环、内压环、内孔胀模和外环支圈均设置有断续的油槽。
所述内孔胀模、内孔模导锥、外压环、内压环、支板、外环支圈、芯轴底座均由GCr15钢制成，硬度58～62HRC。
一种大直径薄弧板渗碳齿轮的压淬工艺，包括如下步骤：齿轮采用模锻成形，经预热处理后进行粗加工，外齿、内环槽及槽底均加工至仅留约单边0.3mm的精加工量，弧板加工至图纸要求尺寸，内孔其余部位刷水溶性防渗涂料，渗碳后去除；渗碳时，齿轮正扣于料板上，在其中心位置放置垫块，防止中心塌陷；淬火前，将压淬模具安装于格里森NO.537淬火压床，完成淬火前的准备工作；根据仿真计算结果，设置A/B/C段脉动压淬参数：A段设置5秒，油流量1041L/min；B段设置10秒，油流量0L/min；C段设置喷油85秒，油流量189L/min；外压环和内压环脉动频率为20HZ，顶杆恒力施压；淬火时，将齿轮正扣单层平放于电阻炉中，800±10℃保温40-60min后出炉，采用辅具取出红热状态零件套入内孔胀模，启动压床，内压环、外压环直接作用于零件，顶杆通过内孔模导锥作用于内孔胀模，从外齿内径、花键内径、外齿上端面和内环槽上端面分别矫正零件变形；A段喷油5秒后，外齿面温度接近于20Cr2Ni4A钢的Ms点(马氏体转变的起始温度)，停油10秒后，外齿面温度和芯部温度基本一致。
所述内压环和外压环的脉动频率一致且施压的起始时间相同。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、内孔模导锥和内孔胀模圆锥度角度相同，有利于内孔胀模扩张后保持稳定的尺寸；
2、固定环、弹簧、螺钉和圈环组成的自动复位机构有利于齿轮在淬火前可轻松套模，在淬火后可轻松取料；
3、固定环设置在支板和内孔胀模的交界处，便于限位内孔胀模膨胀后的尺寸；
4、内孔胀模在工作状态的过盈量约为0.05mm，在矫正零件变形的同时几乎不会撑大零件内径；
5、内孔模导锥、导锥复位弹簧和导锥固定螺钉组成自动复位机构方便操作，有利于连续生产；
6、内孔胀模和齿轮内环槽底接触部位距外环支圈的高度31mm等于齿轮悬空高度，可矫正零件塌压等变形；
7、外压环、内压环、内孔胀模和外环支圈的油槽可确保零件各部位冷却均匀，提高产品热处理质量；
8、内孔胀模、内孔模导锥、内压环、外压环、支板、外环支圈、芯轴底座均由GCr15钢制成，硬度高，刚性和尺寸稳定性均较好，使用寿命长。
9、内压环和外压环的脉动频率一致且施压的起始时间相同，在矫形的同时不会影响零件收缩；
10、喷油5秒后停油10秒再冷却，消除马氏体转变时零件外齿和芯部过大的温差，有利于减少马氏体转变时的变形并减少组织应力和热应力。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明大直径薄弧板渗碳齿轮压淬模具剖视结构示意图。
图2为本发明大直径薄弧板渗碳齿轮剖视结构示意图；
图3为本发明外环支圈俯视结构示意图；
图4为本发明内孔模导锥剖视结构示意图；
图5为本发明内孔胀模俯视结构示意图；
图6为本发明零件外齿表面和芯部在本发明压淬工艺下的温度冷却曲线；
图中标记为：1-芯轴底座，2-堵板，3-支板，4-外环支圈，5-导锥固定螺钉，6-外压环，7-内压环，8-内孔模导锥，9-内孔胀模，10-螺钉，11-弹簧，12-固定环，13-导锥复位弹簧，14-M8内六角圆柱头螺钉，15-M8标准型弹性垫圈，16-顶杆，17-M10内六角圆柱头螺钉，18-M10标准型弹性垫圈，19-圈簧。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-6所示，一种大直径薄弧板渗碳齿轮的压淬模具，包括芯轴底座1、堵板2、支板3、外环支圈4、导锥固定螺钉5、外压环6、内压环7、内孔模导锥8、内孔胀模9、螺钉10、弹簧11、固定环12、导锥复位弹簧13、M8内六角圆柱头螺钉14、M8标准型弹性垫圈15、顶杆16、M10内六角圆柱头螺钉17、M10标准型弹性垫圈18和圈簧19，所述芯轴底座1下设有用于固定芯轴底座1的堵板2，所述堵板2由M8内六角圆柱头螺钉14和M8标准型弹性垫圈15固定，所述芯轴底座1外设有支板3，所述支板3和所述芯轴底座1通过M10内六角圆柱头螺钉17和M10标准型弹性垫圈18固定，所述支板3和所述芯轴底座1上设有内孔模导锥8，所述内孔模导锥8设置成倒置的锥形，内孔模导锥8内设有导锥固定螺钉5，所述导锥固定螺钉5下方设有导锥复位弹簧13，所述内孔模导锥8外围设有内孔胀模9，所述内孔胀模9与内孔模导锥8磨配，接触面积不小于75％，所述内孔胀模9和支板3的交界处设有固定环12，所述固定环12设置成圆筒形，通过螺钉10和弹簧11将内孔胀模9与支板3固定，所述固定环12外设有外环支圈4，所述内孔胀模9上设有圈簧19，所述外压环6、内压环7和顶杆16固定于淬火压床内的三个单独工作的油压机。
所述内孔模导锥8外壁设置成22.5°的圆锥面，所述圆锥面的锥度与内孔胀模9内壁锥度相同。
所述固定环12、弹簧11、螺钉10和圈环组成自动复位机构，所述固定环12设置在支板3和内孔胀模9的交界处，通过套设有弹簧11的螺钉10固定。
所述内孔胀模9在内孔模导锥8下压时和齿轮外齿内壁及内环槽处的花键接触，其过盈量约为0.05mm。
所述内孔模导锥8、导锥复位弹簧13和导锥固定螺钉5组成自动复位机构。
所述内孔胀模9和齿轮内环槽底接触部位距外环支圈4的高度为31mm。
所述外压环6、内压环7、内孔胀模9和外环支圈4均设置有断续的油槽。
所述内孔胀模9、内孔模导锥8、外压环6、内压环7、支板3、外环支圈4、芯轴底座1均由GCr15钢制成，硬度58～62HRC。
一种大直径薄弧板渗碳齿轮的压淬工艺，包括如下步骤：齿轮采用模锻成形，经预热处理后进行粗加工，外齿、内环槽及槽底均加工至仅留约单边0.3mm的精加工量，弧板加工至图纸要求尺寸，内孔其余部位刷水溶性防渗涂料，渗碳后去除；渗碳时，齿轮正扣于料板上，在其中心位置放置垫块，防止中心塌陷；淬火前，将压淬模具安装于格里森NO.537淬火压床，完成淬火前的准备工作；根据仿真计算结果，设置A/B/C段脉动压淬参数：A段设置5秒，油流量1041L/min；B段设置10秒，油流量0L/min；C段设置喷油85秒，油流量189L/min；外压环6和内压环7脉动频率为20HZ，顶杆16恒力施压；淬火时，将齿轮正扣单层平放于电阻炉中，800±10℃保温40-60min后出炉，采用辅具取出红热状态零件套入内孔胀模9，启动压床，内压环7、外压环6直接作用于零件，顶杆16通过内孔模导锥8作用于内孔胀模9，从外齿内径、花键内径、外齿上端面和内环槽上端面分别矫正零件变形；A段喷油5秒后，外齿面温度接近于20Cr2Ni4A钢的Ms点(马氏体转变的起始温度)，停油10秒后，外齿面温度和芯部温度基本一致。
所述内压环7和外压环6的脉动频率一致且施压的起始时间相同。
实施例1
S1、零件毛坯为模锻件，在渗碳前外齿、内环槽及槽底均加工至仅留约单边0.3mm的精加工量，弧板加工至图纸要求尺寸，按要求刷防渗涂料后准备渗碳；
S2、渗碳温度为930℃，渗层为(1.2～1.5)mm，渗碳设备为易普森可控气氛多用炉，零件大端面朝下平放于料板上，中心用31mm高的垫块支撑；
S3、渗碳+高温回火后刷洗去除防渗涂料，高温回火参数为640℃×240min，高温回火后转入淬火；
S4、淬火时，将零件大端面朝下平放于电炉中加热，温度800±10℃，时间(40-60)min，使之完全奥氏体化，保证后续淬火过程显微组织能转变为马氏体；
S5、保温后将零件出炉，使用辅具将红热状态零件转移至淬火压床，套入内孔胀模9；
S6、启动淬火压床，压床护罩封闭，系统喷油冷却，零件在此过程中通过模具矫正变形；
S7、冷却完后开出压床，将零件从模具上取出；
S8、淬火后的零件转入低温回火，低温回火完后采用水喷砂的方式去除表层油膜和氧化膜，最后转精加工。

Claims (8)

1.一种大直径薄弧板渗碳齿轮的压淬工艺，其特征在于，使用大直径薄弧板渗碳齿轮的压淬磨具进行压淬；
大直径薄弧板渗碳齿轮的压淬磨具包括芯轴底座(1)、堵板(2)、支板(3)、外环支圈(4)、导锥固定螺钉(5)、外压环(6)、内压环(7)、内孔模导锥(8)、内孔胀模(9)、螺钉(10)、弹簧(11)、固定环(12)、导锥复位弹簧(13)、M8内六角圆柱头螺钉(14)、M8标准型弹性垫圈(15)、顶杆(16)、M10内六角圆柱头螺钉(17)、M10标准型弹性垫圈(18)和圈簧(19)，其特征在于，所述芯轴底座(1)下设有用于固定芯轴底座(1)的堵板(2)，所述堵板(2)由M8内六角圆柱头螺钉(14)和M8标准型弹性垫圈(15)固定，所述芯轴底座(1)外设有支板(3)，所述支板(3)和所述芯轴底座(1)通过M10内六角圆柱头螺钉(17)和M10标准型弹性垫圈(18)固定，所述支板(3)和所述芯轴底座(1)上设有内孔模导锥(8)，所述内孔模导锥(8)设置成倒置的锥形，内孔模导锥(8)内设有导锥固定螺钉(5)，所述导锥固定螺钉(5)下方设有导锥复位弹簧(13)，所述内孔模导锥(8)外围设有内孔胀模(9)，所述内孔胀模(9)与内孔模导锥(8)磨配，接触面积不小于75％，所述内孔胀模(9)和支板(3)的交界处设有固定环(12)，所述固定环(12)设置成圆筒形，通过螺钉(10)和弹簧(11)将内孔胀模(9)与支板(3)固定，所述固定环(12)外设有外环支圈(4)，所述内孔胀模(9)上设有圈簧(19)，所述外压环(6)、内压环(7)和顶杆(16)固定于淬火压床内的三个单独工作的油压机；具体压淬包括如下步骤：齿轮采用模锻成形，经预热处理后进行粗加工，外齿、内环槽及槽底均加工至仅留单边0.25mm～0.35mm的精加工量，弧板加工至图纸要求尺寸，内孔其余部位刷水溶性防渗涂料，渗碳后去除；渗碳时，齿轮正扣于料板上，在其中心位置放置垫块，防止中心塌陷；淬火前，将压淬模具安装于格里森NO.537淬火压床，完成淬火前的准备工作；根据仿真计算结果，设置A/B/C段脉动压淬参数：A段设置5秒，油流量1041L/min；B段设置10秒，油流量0L/min；C段设置喷油85秒，油流量189L/min；外压环(6)和内压环(7)脉动频率为20HZ，顶杆(16)恒力施压；淬火时，将齿轮正扣单层平放于电阻炉中，800±10℃保温40-60min后出炉，采用辅具取出红热状态零件套入内孔胀模(9)，启动压床，内压环(7)、外压环(6)直接作用于零件，顶杆(16)通过内孔模导锥(8)作用于内孔胀模(9)，从外齿内径、花键内径、外齿上端面和内环槽上端面分别矫正零件变形。
2.根据权利要求1所述的一种大直径薄弧板渗碳齿轮的压淬工艺，其特征在于，所述内孔模导锥(8)外壁设置成22.5°的圆锥面，所述圆锥面的锥度与内孔胀模(9)内壁锥度相同。
3.根据权利要求1所述的一种大直径薄弧板渗碳齿轮的压淬工艺，其特征在于，所述固定环(12)、弹簧(11)、螺钉(10)和圈环组成自动复位机构，所述固定环(12)设置在支板(3)和内孔胀模(9)的交界处，通过套设有弹簧(11)和螺钉(10)固定。
4.根据权利要求1所述的一种大直径薄弧板渗碳齿轮的压淬工艺，其特征在于，所述内孔胀模(9)在内孔模导锥(8)下压时和齿轮外齿内壁及内环槽处的花键接触，其过盈量为0.045～0.055mm。
5.根据权利要求1所述的一种大直径薄弧板渗碳齿轮的压淬工艺，其特征在于，所述内孔模导锥(8)、导锥复位弹簧(13)和导锥固定螺钉(5)组成自动复位机构。
6.根据权利要求1所述的一种大直径薄弧板渗碳齿轮的压淬工艺，其特征在于，所述内孔胀模(9)和齿轮内环槽底接触部位距外环支圈(4)的高度为31mm。
7.根据权利要求1所述的一种大直径薄弧板渗碳齿轮的压淬工艺，其特征在于，所述外压环(6)、内压环(7)、内孔胀模(9)和外环支圈(4)均设置有断续的油槽。
8.根据权利要求1所述的一种大直径薄弧板渗碳齿轮的压淬工艺，其特征在于，所述内孔胀模(9)、内孔模导锥(8)、外压环(6)、内压环(7)、支板(3)、外环支圈(4)、芯轴底座(1)均由GCr15钢制成，硬度58～62HRC。
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