齒輪零件的表面淬火工藝控制是齒輪零件加工的關(guān)鍵。通過對(duì)變形的有效控制和變形量的變化，可以避免熱處理后加工過程中產(chǎn)生的巨大成本。在某些情況下，甚至可以消除所有的后加工操作。在其他情況下，可能會(huì)避免個(gè)別零件的壓力淬火，從而產(chǎn)生較大的成本效益。
新的真空爐設(shè)計(jì)允許在一層零件中進(jìn)行小批量處理(“2D處理”)，這使得固定盤的自動(dòng)裝卸變得容易。通過使用小批量的概念，可以建立一個(gè)連續(xù)的零件流動(dòng)(“單件流動(dòng)”)系統(tǒng)。沒有必要等到收集起來足夠多的零件，構(gòu)建一個(gè)多層的大批(“3D處理”)處理。這種緊湊的爐單元可以實(shí)現(xiàn)到生產(chǎn)鏈的核心，并提供熱處理過程，可以完全同步與綠色的熱后加工工序。
當(dāng)進(jìn)行表面硬化時(shí)，零件在高溫下進(jìn)行低壓滲碳(LPC)，然后進(jìn)行氣體淬火。單層處理在以下方面提供了最佳的質(zhì)量:溫度均勻性、淬火均勻性、變形控制。本文通過對(duì)不同齒輪元件的研究，給出了傳動(dòng)控制的新結(jié)果。此外，還介紹了串聯(lián)式齒輪生產(chǎn)中變形控制的最新成果。
簡介
隨著電動(dòng)汽車的引入，適當(dāng)?shù)木嚯x控制變得比以前更加重要。變形的齒輪部件在傳動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生噪聲。特別是電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(BEVs)和所有其他電動(dòng)汽車(包括混合動(dòng)力車)，將需要一個(gè)低噪聲傳輸與高精度零件。
由于變形零件需要在熱處理后進(jìn)行硬加工，因此變形對(duì)成本的影響很大。更好地控制變形意味著:在硬加工中，每個(gè)零件的周期更短；所需的硬加工能力更小；較低的加工成本。
對(duì)于某些應(yīng)用，硬加工可以完全消除與良好的控制變形。本文介紹了如何改進(jìn)變形控制的滲碳(LPC)過程應(yīng)用情況。
2. 變形機(jī)理與高壓氣體淬火(HPGQ)
相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)熱處理過程中引起構(gòu)件變形的相關(guān)機(jī)理進(jìn)行了廣泛的描述。材料中有三種不同類型的應(yīng)力導(dǎo)致變形:殘余應(yīng)力、熱應(yīng)力和變形應(yīng)力。
這些應(yīng)力受零件幾何形狀、鋼材等級(jí)、鑄造、鍛造、機(jī)械加工等因素的影響，并與熱處理有關(guān)。如果構(gòu)件的總應(yīng)力超過屈服應(yīng)力，構(gòu)件就會(huì)發(fā)生變形。Walton更詳細(xì)地發(fā)表了影響失真的許多潛在因素，參見圖1。
圖1 影響熱處理變形的因素
采用低壓滲碳(LPC)和高壓氣體淬火(HPGQ)技術(shù)，可以顯著降低熱處理變形。LPC是一種表面硬化工藝，通常以乙炔為碳源，在僅幾毫巴的壓力下形成。在HPGQ過程中，負(fù)載采用惰性氣體流而不是液體淬火介質(zhì)進(jìn)行淬火。通常情況下,采用氮?dú)饣蛘吆庾鳛榇慊鸾橘|(zhì)。
HPGQ提供了一個(gè)巨大的潛力，以減少熱處理的變形。傳統(tǒng)的淬火技術(shù)，如油淬或聚合物淬火，其冷卻條件不均勻。傳統(tǒng)的液體淬火有三種不同的機(jī)理:膜沸騰、氣泡沸騰和對(duì)流。由于這三種機(jī)制造成各組分表面局部傳熱系數(shù)分布極不均勻。這些不均勻的冷卻條件會(huì)在零件中產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力和變形應(yīng)力，進(jìn)而引起零件的膨脹。在HPGQ過程中，只發(fā)生對(duì)流，這導(dǎo)致更均勻的冷卻條件。
用HPGQ代替油淬可以顯著降低變形的結(jié)論已經(jīng)發(fā)表。HPGQ的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以通過選擇淬火壓力和淬火速度，將淬火強(qiáng)度精確地調(diào)整到所需的程度。典型的淬火壓力范圍從2bar到20bar。氣速由變頻器控制，典型的氣速范圍從2米/秒到20米/秒，取決于零件的幾何形狀和零件的鋼材。圖2顯示了HPGQ工藝的非典型工業(yè)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的批次由幾個(gè)層組HPGQ過程。這種系統(tǒng)的批次由幾層生產(chǎn)零件組成，形成所謂的“3D處理”。
圖2 3D熱處理方式的“高壓氣體淬火”
3. 精益熱處理
當(dāng)今齒輪零件的生產(chǎn)理念通常依賴于傳統(tǒng)的軟加工、熱處理和硬加工的分離。熱處理是在集中的車間進(jìn)行的，在軟加工、熱處理、噴丸、硬加工中流轉(zhuǎn)。零件被分批收集，然后從一個(gè)工序轉(zhuǎn)移到另一個(gè)工序。因此，大量生產(chǎn)零件被存儲(chǔ)在緩沖區(qū)中，或者在不同工序之間流轉(zhuǎn)。
圖3 齒輪制造中心熱處理車間和“一體式流程”集成生產(chǎn)線
為了建立一個(gè)更有效和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的齒輪零件,我們的目標(biāo)是擺脫批類物流走向的“一個(gè)流”生產(chǎn)。參見圖3，目標(biāo)是將單一的部分從工序中完成而不是移動(dòng)批次的零件。這種單件流水生產(chǎn)系統(tǒng)(OPF)可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)零件的連續(xù)流動(dòng)，避免了在生產(chǎn)過程中為零件的儲(chǔ)存和運(yùn)輸付出巨大的努力。如果能夠建立所有操作的全面集成，那么這將為自動(dòng)化提供新的可能性，從而再次降低成本。此外，更高層次的自動(dòng)化將導(dǎo)致質(zhì)量缺陷的減少。
圖4展示了一種新的單向流生產(chǎn)同步熱處理模塊，該模塊是最近在工業(yè)生產(chǎn)中建立的。該熱處理模塊允許將熱處理完全集成到生產(chǎn)線，創(chuàng)建一個(gè)同步的生產(chǎn)流程與齒輪加工流程。遵循“一件一件的流程”的理念的零件是:從軟加工單元到熱處理單元的單件運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著軟加工周期的延長，熱處理時(shí)間也相應(yīng)延長（同步熱處理）。一個(gè)接一個(gè)地傳遞到硬加工單元。
圖4 2D熱處理工作方式和熱處理爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)
雖然這些零件不是單獨(dú)處理的，而是在托盤中處理的，但是這些零件被單獨(dú)裝載到熱處理單元中，并從熱處理單元中單獨(dú)卸載。從而建立了單零件的連續(xù)流動(dòng)，與大批量多層處理相比，單層處理(2D處理)可使零件均質(zhì)快速加熱，零件均質(zhì)快速滲碳。均勻、精確控制的氣體淬火消除了層與層之間的所有變化，從而減少了負(fù)載內(nèi)的畸變變化。“一體式流動(dòng)”熱處理的概念和技術(shù)早前已由作者較為詳細(xì)地發(fā)表過。
4.變形研究- 3d處理與2d處理的比較
4.1最終驅(qū)動(dòng)被動(dòng)齒輪
從2006年開始，采用LPC和HPGQ技術(shù)，對(duì)某6速自動(dòng)變速器的內(nèi)驅(qū)動(dòng)被動(dòng)齒輪進(jìn)行了批量多層(3D-treatment)處理。開展了一項(xiàng)變形研究，以量化從3d處理轉(zhuǎn)向2d處理時(shí)控制變形可能的改進(jìn)。最終驅(qū)動(dòng)被動(dòng)齒輪外徑226毫米，高度32毫米，重量4.2公斤，59個(gè)外齒，由4121M材料制成。熱處理后的表面硬化深度CHD為0.7..1.1 mm，心部硬度為>28 HRC，表面硬度為64-69 HR45N。
在采集變形數(shù)據(jù)前，確定了兩種處理方法的金相組織、顯微組織和心部硬度等方面的金相質(zhì)量是一致的。本研究比較了965℃時(shí)的多層生產(chǎn)工藝(3D處理)與995℃時(shí)的單層生產(chǎn)工藝(2D處理)在熱處理過程中的幾何變化，如圖5所示。
圖5 產(chǎn)品裝爐方式
圖6為三維熱處理過程中平面度的變化，平均變化為55微米，二維熱處理過程中平板度的變化為42微米，平均變化幅度為24%。
圖6 終驅(qū)動(dòng)內(nèi)齒輪LPC熱處理平面度的變化：3D與2D處理的比較
圖7顯示了熱處理過后的圓周變形情況。在3D處理下，平均變化為42微米，而在2D處理下，變化為21微米，這意味著減少了50%。綜上所述，盡管2D處理滲碳溫度為995℃ 3d處理滲碳溫度為965℃，但2d處理對(duì)變形的控制明顯改善。
圖7 最終驅(qū)動(dòng)內(nèi)齒輪lpc處理圓度的變化;“3D和2D處理的比較
將生產(chǎn)從3D處理改為2D處理時(shí)，這將為后續(xù)的研磨工序節(jié)省大量的成本。
4.2內(nèi)齒輪
4.2.1內(nèi)齒輪，類型A
在較早的一項(xiàng)研究中，我們量化了從三維到二維處理過程中對(duì)非循環(huán)齒輪畸變控制的改善。這是一種6速自動(dòng)自動(dòng)變速器的反作用內(nèi)齒輪，外徑167毫米，內(nèi)齒98齒，由5130材料制成，見圖8。熱處理后的表面硬化深度為0.3-0.6 mm，表面硬度為79-83HRA。
圖8 內(nèi)齒輪，類型A
圖9顯示了3D和2D處理的裝載設(shè)置。所有的測量都是用CNC齒輪分析檢查程序進(jìn)行的。。每個(gè)輪齒檢查四個(gè)齒，每個(gè)齒檢查左右齒面。
圖9 3D和2D處理的裝載設(shè)置
本研究表明，從3D處理轉(zhuǎn)換到2D處理時(shí)，左側(cè)螺旋角變化Vbf的標(biāo)準(zhǔn)差降低了30%，降至7微米。對(duì)于右側(cè)齒面，螺旋角變化螺旋角變化的平均值降低了30%，Vbf的標(biāo)準(zhǔn)差降低了45%，見圖10。單層處理的螺旋角變化量較低，說明與多層處理的螺旋角變化量相比，單層處理的螺旋角變化量較小。
圖10 螺旋角變化的對(duì)比
與900℃單層處理和1050℃單層處理相比，Vbf被觀察到無增加，這當(dāng)然值得注意。所有試驗(yàn)均采用無微合金化的標(biāo)準(zhǔn)5130鋼進(jìn)行晶粒尺寸控制。雖然在1050°C處理后檢測到明顯的晶粒長大，但這并沒有導(dǎo)致變形增加。
4.2.2反作用內(nèi)齒輪，類型B
研究了第二種反作用內(nèi)齒輪，同樣，當(dāng)從3D轉(zhuǎn)換到2D處理時(shí)，對(duì)失真控制的改善進(jìn)行了量化。這種“反作用內(nèi)齒輪B型”外徑152毫米，內(nèi)齒103齒，由5130材料制成。熱處理后的表面硬化深度為0.3-0.5 mm，芯部硬度為> 25 HRC，表面硬度為64-69，HR45N。
圖11 2D處理的裝爐方式
在收集變形數(shù)據(jù)之前，確定了兩種處理方法的金相組織、金相組織、芯部硬度等方面的金相質(zhì)量是一致的。本研究比較了900℃條件下多層 生產(chǎn)工藝(3D-處理)與980℃條件下單層生產(chǎn)工藝(2D-處理)在熱處理過程中的幾何變化。三維處理一次加載192件，二維處理一次加載8件，參見圖11。
在這項(xiàng)變形研究中，用數(shù)控分析齒輪檢查儀測量了181件三維加工零件和160件二維加工零件(20個(gè)爐道)。
圖12顯示了熱處理過程中圓度的變化。在3D處理下，平均變化為19微米，而在2D處理下，平均變化為7微米，這意味著減少63%。
圖12“B型反力內(nèi)齒輪”LPC處理過程中圓度變化:3D處理與2D處理對(duì)比
圖13為熱處理后的圓度，即熱處理后的絕對(duì)值。在3D處理下，平均圓度為48微米，而在2D處理下，變化為32微米，這意味著減少了33%。
圖13 熱處理后的圓度，即熱處理后的絕對(duì)值
當(dāng)生產(chǎn)從3D處理改為2D處理時(shí)，這種對(duì)變形控制的改進(jìn)將為后續(xù)的磨削工序節(jié)省大量成本。
4.3輸入軸
對(duì)輸入軸進(jìn)行二維處理后的變形進(jìn)行分析，如圖14所示。輸入軸由16MnCr5材料制成，質(zhì)量約0.7kg，每個(gè)托盤承載30根軸。熱處理后表面硬化深度為0.5-0.8 mm，表面硬度為690-790HV和心部硬體指定為340-480HV。分析了兩種主要變形參數(shù):軸向跳動(dòng)和同軸度。圖15顯示了度量的位置。滲碳溫度從960℃到1050℃不等。在CFC-工裝中測試了兩種不同的零件定位方式:“掛”和“立”，如圖16所示。圖17顯示了不同測試條件下軸的同軸度。然而，對(duì)于以上零部件的應(yīng)用，軸向跳動(dòng)的重要性要大于同軸度的公差。
圖14 輸入軸材料16MnCr5
圖15:測量輸入軸上軸向跳動(dòng)和同心度的位置
圖16熱處理時(shí)輸入軸的零件定位:“吊”(左)“站（右）”。
圖17 處理不同試驗(yàn)條件下LPC -工藝后輸入軸同軸度
圖18為熱處理后最大軸向跳動(dòng)值、軸向跳動(dòng)的平均變化量、軸向跳動(dòng)變化的標(biāo)準(zhǔn)差。很明顯，輸入軸的“站立”會(huì)帶來更好的效果，當(dāng)將軸“立”入塔板時(shí)，三種溫度分析過的碳水化合物經(jīng)熱處理(40微米)后的軸向跳動(dòng)均達(dá)到規(guī)范要求。
圖18 2D處理不同試驗(yàn)條件下LPC 工藝后輸入軸軸向跳動(dòng)情況
4.4用于重型卡車傳動(dòng)的小行星齒輪和滑動(dòng)套
在早期的研究中，Schueler等人分析了重型卡車變速箱小行星齒輪和滑動(dòng)套筒的變形. 所有零件均由ZF-7B材料制成，這是一個(gè)修改后的20MnCr5。
圖19顯示了零件的形狀。對(duì)小型行星齒輪進(jìn)行了常規(guī)氣淬油滲碳與高壓氣淬低壓滲碳的二維處理。對(duì)滑動(dòng)套采用常規(guī)常壓淬火氣體滲碳工藝，并與高壓氣相滲碳工藝進(jìn)行了比較。
圖19 用于小行星齒輪和滑動(dòng)套筒的變形分析
對(duì)于行星齒輪，二維處理的HPGQ與常規(guī)處理相比，其畸變散射明顯減小，見圖20。即使在1050°c滲碳后，這些結(jié)果也是非常穩(wěn)定的，并通過另外兩個(gè)熱處理參數(shù)相同的批次進(jìn)行了驗(yàn)證，如圖20右所示。
圖20
滑套是變形的關(guān)鍵部件。因此，它們經(jīng)常作為標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行硬化和壓淬。在Schueler等人的研究中，首先對(duì)冷成形毛坯制成的滑套進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，HPGQ后的測量畸變較大，散射較大。這可以用冷成形后殘余應(yīng)力大來解釋。在壓淬過程中，盡管殘余應(yīng)力較大，但仍能得到理想的形狀。
在第二項(xiàng)研究中，滑動(dòng)套毛坯在軟加工前經(jīng)過F/P退火熱成形，將殘余應(yīng)力從之前的步驟降低到最小。對(duì)于這些坯料，二維HPGQ和 2D處理后觀察到的變形程度與壓淬后觀察到的變形程度相同，見圖21。因此，如果能根據(jù)熱處理后的變形特性調(diào)整軟加工尺寸，就有可能生產(chǎn)出符合要求的二維加工理念的滑套。
圖21
5.總結(jié)
正確控制熱處理變形是關(guān)鍵技術(shù)。本文介紹了低壓滲碳(LPC)技術(shù)的發(fā)展概況，從多層LPC處理(3D處理)結(jié)合高壓氣體淬火(HPGQ)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步減小了變形齒輪制造中降低生產(chǎn)成本的方法。LPC處理(2D處理)變形量與傳統(tǒng)表面硬化相比，明顯減少。
這在幾項(xiàng)關(guān)于傳動(dòng)系統(tǒng)零部件的研究中得到了證實(shí)，。對(duì)于六速自動(dòng)變速器的最終驅(qū)動(dòng)內(nèi)齒輪，從三維處理到二維處理時(shí)，熱處理過程中平整度的平均變化降低了24%。圓度的平均變化降低了50%。這種變形控制的改進(jìn)將為后續(xù)的硬車削和磨削工藝步驟帶來顯著的成本節(jié)約。本文給出了進(jìn)一步的實(shí)例，以改進(jìn)內(nèi)齒輪、輸入軸、滑套等傳動(dòng)部件的變形控制。
文章來源：燕青談齒輪
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