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，可能會避免個別零件的壓力淬火，從而產(chǎn)生較大的成本效益。
新的真空爐設計允許在一層零件中進行小批量處理(“2D處理”)，這使得固定盤的自動裝卸變得容易。通過使用小批量的概念，可以建立一個連續(xù)的零件流動(“單件流動”)系統(tǒng)。沒有必要等到收集起來足夠多的零件，構(gòu)建一個多層的大批(“3D處理”)處理。這種緊湊的爐單元可以實現(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。
當進行表面硬化時，零件在高溫下進行低壓滲碳(LPC)，然后進行氣體淬火。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。本文通過對不同齒輪元件的研究，給出了傳動控制的新結(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
隨著電動汽車的引入，適當?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中會產(chǎn)生噪聲。特別是電池驅(qū)動的電動汽車(BEVs)和所有其他電動汽車(包括混合動力車)，將需要一個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行硬加工，因此變形對成本的影響很大。更好地控制變形意味著:在硬加工中，每個零件的周期更短；所需的硬加工能力更小；較低的加工成本。
對于某些應用，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變形控制的滲碳(LPC)過程應用情況。
2. 變形機理與高壓氣體淬火(HPGQ)
相關(guān)文獻對熱處理過程中引起構(gòu)件變形的相關(guān)機理進行了廣泛的描述。材料中有三種不同類型的應力導致變形:殘余應力、熱應力和變形應力。
這些應力受零件幾何形狀、鋼材等級、鑄造、鍛造、機械加工等因素的影響，并與熱處理有關(guān)。如果構(gòu)件的總應力超過屈服應力，構(gòu)件就會發(fā)生變形。Walton更詳細地發(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，負載采用惰性氣體流而不是液體淬火介質(zhì)進行淬火。通常情況下,采用氮氣或者氦氣作為淬火介質(zhì)。
HPGQ提供了一個巨大的潛力，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理:膜沸騰、氣泡沸騰和對流。由于這三種機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在零件中產(chǎn)生巨大的熱應力和變形應力，進而引起零件的膨脹。在HPGQ過程中，只發(fā)生對流，這導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的另一個優(yōu)點是可以通過選擇淬火壓力和淬火速度，將淬火強度精確地調(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，然后從一個工序轉(zhuǎn)移到另一個工序。因此，大量生產(chǎn)零件被存儲在緩沖區(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
為了建立一個更有效和經(jīng)濟生產(chǎn)的齒輪零件,我們的目標是擺脫批類物流走向的“一個流”生產(chǎn)。參見圖3，目標是將單一的部分從工序中完成而不是移動批次的零件。這種單件流水生產(chǎn)系統(tǒng)(OPF)可以實現(xiàn)生產(chǎn)零件的連續(xù)流動，避免了在生產(chǎn)過程中為零件的儲存和運輸付出巨大的努力。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，更高層次的自動化將導致質(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轉(zhuǎn)，隨著軟加工周期的延長，熱處理時間也相應延長（同步熱處理）。一個接一個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處理的，而是在托盤中處理的，但是這些零件被單獨裝載到熱處理單元中，并從熱處理單元中單獨卸載。從而建立了單零件的連續(xù)流動，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，從而減少了負載內(nèi)的畸變變化。“一體式流動”熱處理的概念和技術(shù)早前已由作者較為詳細地發(fā)表過。
4.變形研究- 3d處理與2d處理的比較
4.1最終驅(qū)動被動齒輪
從2006年開始，采用LPC和HPGQ技術(shù)，對某6速自動變速器的內(nèi)驅(qū)動被動齒輪進行了批量多層(3D-treatment)處理。開展了一項變形研究，以量化從3d處理轉(zhuǎn)向2d處理時控制變形可能的改進。最終驅(qū)動被動齒輪外徑226毫米，高度32毫米，重量4.2公斤，59個外齒，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℃時的多層生產(chǎn)工藝(3D處理)與995℃時的單層生產(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處理對變形的控制明顯改善。
圖7 最終驅(qū)動內(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，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
在較早的一項研究中，我們量化了從三維到二維處理過程中對非循環(huán)齒輪畸變控制的改善。這是一種6速自動自動變速器的反作用內(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處理的裝載設置。所有的測量都是用CNC齒輪分析檢查程序進行的。。每個輪齒檢查四個齒，每個齒檢查左右齒面。
圖9 3D和2D處理的裝載設置
本研究表明，從3D處理轉(zhuǎn)換到2D處理時，左側(cè)螺旋角變化Vbf的標準差降低了30%，降至7微米。對于右側(cè)齒面，螺旋角變化螺旋角變化的平均值降低了30%，Vbf的標準差降低了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，這當然值得注意。所有試驗均采用無微合金化的標準5130鋼進行晶粒尺寸控制。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，當從3D轉(zhuǎn)換到2D處理時，對失真控制的改善進行了量化。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處理對比
圖13為熱處理后的圓度，即熱處理后的絕對值。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，即熱處理后的絕對值
當生產(chǎn)從3D處理改為2D處理時，這種對變形控制的改進將為后續(xù)的磨削工序節(jié)省大量成本。
4.3輸入軸
對輸入軸進行二維處理后的變形進行分析，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，對于以上零部件的應用，軸向跳動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和同心度的位置
圖16熱處理時輸入軸的零件定位:“吊”(左)“站（右）”。
圖17 處理不同試驗條件下LPC -工藝后輸入軸同軸度
圖18為熱處理后最大軸向跳動值、軸向跳動的平均變化量、軸向跳動變化的標準差。很明顯，輸入軸的“站立”會帶來更好的效果，當將軸“立”入塔板時，三種溫度分析過的碳水化合物經(jīng)熱處理(40微米)后的軸向跳動均達到規(guī)范要求。
圖18 2D處理不同試驗條件下LPC 工藝后輸入軸軸向跳動情況
4.4用于重型卡車傳動的小行星齒輪和滑動套
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套筒的變形. 所有零件均由ZF-7B材料制成，這是一個修改后的20MnCr5。
圖19顯示了零件的形狀。對小型行星齒輪進行了常規(guī)氣淬油滲碳與高壓氣淬低壓滲碳的二維處理。對滑動套采用常規(guī)常壓淬火氣體滲碳工藝，并與高壓氣相滲碳工藝進行了比較。
圖19 用于小行星齒輪和滑動套筒的變形分析
對于行星齒輪，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，并通過另外兩個熱處理參數(shù)相同的批次進行了驗證，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)常作為標準工藝進行硬化和壓淬。在Schueler等人的研究中，首先對冷成形毛坯制成的滑套進行了分析。實驗結(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力大來解釋。在壓淬過程中，盡管殘余應力較大，但仍能得到理想的形狀。
在第二項研究中，滑動套毛坯在軟加工前經(jīng)過F/P退火熱成形，將殘余應力從之前的步驟降低到最小。對于這些坯料，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)。在此基礎上，進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。
這在幾項關(guān)于傳動系統(tǒng)零部件的研究中得到了證實，。對于六速自動變速器的最終驅(qū)動內(nèi)齒輪，從三維處理到二維處理時，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。本文給出了進一步的實例，以改進內(nèi)齒輪、輸入軸、滑套等傳動部件的變形控制。
文章來源：燕青談齒輪
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