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ALD齿轮零部件热处理变形控制方法

齿轮零件的表面淬火工艺控制是齿轮零件加工的关键。通过对变形的有效控制和变形量的变化,可以避免热处理后加工过程中产生的巨大成本。在某些情况下,甚至可以消除所有的后加工操作。在其他情况下,可能会避免个别零件的压淬火,从而产生较大的成本效益。

新的真空炉设计允许在一层零件中进行小批量处理(“2D处理”),这使得固定盘的自动装卸变得容易。通过使用小批量的概念,可以建立一个连续的零件流动(“件流动”)系统。没有必要等到收集起来足够多的件,构建一个多层的大批(“3D处理”)处理。这种紧凑的炉单元可以实现到生产链的核心,并提供热处理过程,可以完全同步与绿色的热后加工工序。

当进行表面硬化时,件在高温下进行低压渗碳(LPC),然后进行气体淬火。单层处理在以下方面提供了最佳的质量:温度均匀性淬火均匀性变形控制。本文通过对不同齿轮元件的研究,给出了传动控制的新结果。此外,还介绍了串联式齿轮生产中变形控制的最新成果。

简介

随着电动汽车的引入,适当的距离控制变得比以前更加重要。变形的齿轮部件在传动中会产生噪声。特别是电池驱动的电动汽车(BEVs)和所有其他电动汽车(包括混合动力车),将需要一个低噪声传输与高精度零件。

由于变形零件需要在热处理后进行硬加工,因此变形对成本的影响很大。更好地控制变形意味着:在硬加工中,每个零件的周期更短;所需的硬加工能力更小;较低的加工成本。

对于某些应用,硬加工可以完全消除与良好的控制变形。本文介绍了如何改进变形控制的渗碳(LPC)过程应用情况。

2. 变形机理与高压气体淬火(HPGQ)

相关文献对热处理过程中引起构件变形的相关机理进行了广泛的描述。材料中有三种不同类型的应力导致变形:残余应力、热应力和变形应力。

这些应力受零件几何形状、钢材等级、铸造、锻造、机械加工等因素的影响,并与热处理有关。如果构件的总应力超过屈服应力,构件就会发生变形。Walton更详细地发表了影响失真的许多潜在因素,参见图1

 

1 影响热处理变形的因素

采用低压渗碳(LPC)和高压气体淬火(HPGQ)技术,可以显著降低热处理变形。LPC是一种表面硬化工艺,通常以乙炔为碳源,在仅几毫巴的压力下形成。在HPGQ过程中,负载采用惰性气体流而不是液体淬火介质进行淬火。通常情况下,采用氮气或者氦气作为淬火介质。

HPGQ提供了一个巨大的潜力,以减少热处理的变形。传统的淬火技术,如油淬或聚合物淬火,其冷却条件不均匀。传统的液体淬火有三种不同的机理:膜沸腾、气泡沸腾和对流这三种机制造成各组分表面局部传热系数分布极不均匀。这些不均匀的冷却条件会在零件中产生巨大的热应力和变形应力,进而引起零件的膨胀。在HPGQ过程中,只发生对流,这导致更均匀的冷却条件。

HPGQ代替油淬可以显著降低变形的结论已经发表。HPGQ的另一个优点是可以通过选择淬火压力和淬火速度,将淬火强度精确地调整到所需的程度。典型的淬火压力范围从2bar20bar。气速由变频器控制典型的气速范围从2/秒到20/取决于零件的几何形状和零件的钢材。图2显示了HPGQ工艺的非典型工业系统。这种系统的批次由几个层组HPGQ过程。这种系统的批次由几层生产件组成,形成所谓的“3D处理

 

2 3D热处理方式的“高压气体淬火”

3. 精益热处理

当今齿轮零件的生产理念通常依赖于传统的软加工、热处理和硬加工的分离。热处理是在集中的车间进行的在软加工、热处理、喷丸、硬加工中流转。零件被分批收集,然后从一个工序转移到另一个工序。因此,大量生产件被存储在缓冲区中,或者在不同工序之间流转

 

3 齿轮制造中心热处理车间和“一体式流程”集成生产线

为了建立一个更有效和经济生产的齿轮,我们的目标是摆脱批类物流走向的一个流生产参见图3目标是将单一的部分从工序中完成而不是移动批次的零件。这种单件流水生产系统(OPF)可以实现生产零件的连续流动,避免了在生产过程中为零件的储存和运输付出巨大的努力。如果能够建立所有操作的全面集成,那么这将为自动化提供新的可能性,从而再次降低成本。此外,更高层次的自动化将导致质量缺陷的减少。

4展示了一种新的单流生产同步热处理模块,该模块是最近在工业生产中建立的。该热处理模块允许将热处理完全集成到生产线,创建一个同步的生产流程与齿轮加工流程。遵循一件一件的流程的理念的零件是:从软加工单元到热处理单元的单件运转,随着软加工周期的延长,热处理时间也相应延长(同步热处理)。一个接一个地传递到硬加工单元。

 

4  2D热处理工作方式和热处理炉内部结构


虽然这些零件不是单独处理的,而是在托盘中处理的,但是这些零件被单独装载到热处理单元中,并从热处理单元中单独卸载。从而建立了单零件的连续流动,与大批量多层处理相比,单层处理(2D处理)可使零件均质快速加热,零件均质快速渗碳。均匀、精确控制的气体淬火消除了层与层之间的所有变化,从而减少了负载内的畸变变化。“一体式流动”热处理的概念和技术早前已由作者较为详细地发表过。

4.变形研究- 3d处理与2d处理的比较

4.1最终驱动被动齿轮

2006年开始,采用LPCHPGQ技术,对某6速自动变速器的内驱动被动齿轮进行了批量多层(3D-treatment)处理。开展了一项变形研究,以量化从3d处理转向2d处理时控制变形可能的改进。最终驱动被动齿轮外径226毫米,高度32毫米,重量4.2公斤,59个外齿,由4121M材料制成。热处理后的表面硬化深度CHD0.7..1.1 mm心部硬度为>28 HRC,表面硬度为64-69 HR45N

在采集变形数据前,确定了两种处理方法的金相组织、显微组织和心部硬度等方面的金相质量是一致的。本研究比较了965℃时的多层生产工艺(3D处理)995℃时的单层生产工艺(2D处理)在热处理过程中的几何变化,如图5所示。

 

5 产品装炉方式

6为三维热处理过程中平度的变化,平均变化为55微米,二维热处理过程中平板度的变化为42微米,平均变化幅度为24%

 

6 终驱动内齿轮LPC热处理平面度的变化:3D2D处理的比较

7显示了热处理过后的圆周变形情况。在3D处理下,平均变化为42微米,而在2D处理下,变化为21微米,这意味着减少了50%。综上所述,尽管2D处理渗碳温度为995 3d处理渗碳温度为965℃,但2d处理对变形的控制明显改善。

 

7 最终驱动内齿轮lpc处理圆度的变化;3D2D处理的比较

将生产从3D处理改为2D处理时,这将为后续的研磨工序节省大量的成本

4.2内齿轮

4.2.1内齿轮,类型A

在较早的一项研究中,我们量化了从三维到二维处理过程中对非循环齿轮畸变控制的改善。这是一种6速自动自动变速器的反作用内齿轮,外径167毫米,内齿98齿,由5130材料制成,见图8。热处理后的表面硬化深度为0.3-0.6 mm,表面硬度为79-83HRA

 

8 内齿轮,类型A

9显示了3D2D处理的载设置。所有的测量都是用CNC齿轮分析检查程序进行的。。每个轮齿检查四个齿,每个齿检查左右齿面

 

9 3D2D处理的载设置

本研究表明,从3D处理转换到2D处理时,左侧螺旋角变化Vbf的标准差降低了30%,降至7微米。对于右侧齿面,螺旋角变化螺旋角变化的平均值降低了30%Vbf的标准差降低了45%,见图10。单层处理的螺旋角变化量较低,说明与多层处理的螺旋角变化量相比,单层处理的螺旋角变化量较小。

 

10 螺旋角变化的对比

900℃单层处理和1050℃单层处理相比,Vbf被观察到无增加这当然值得注意。所有试验均采用无微合金化的标准5130钢进行晶粒尺寸控制。虽然在1050°C处理后检测到明显的晶粒长大这并没有导致变形增加。

4.2.2反作用内齿轮,类型B

研究了第二种反作用内齿轮,同样,当从3D转换到2D处理时,对失真控制的改善进行了量化。这种“反作用内齿轮B型”外径152毫米,内齿103齿,由5130材料制成。热处理后的表面硬化深度为0.3-0.5 mm,芯部硬度为> 25 HRC,表面硬度为64-69HR45N

 

11 2D处理的装炉方式

在收集变形数据之前,确定了两种处理方法的金相组织、金相组织、芯部硬度等方面的金相质量是一致的。本研究比较了900℃条件下多层 生产工艺(3D-处理)980℃条件下单层生产工艺(2D-处理)在热处理过程中的几何变化。三维处理一次加载192件,二维处理一次加载8件,参见图11

在这项变形研究中,用数控分析齿轮检查仪测量了181件三维加工零件和160件二维加工零件(20个炉道)

12显示了热处理过程中圆度的变化。在3D处理下,平均变化为19微米,而在2D处理下,平均变化为7微米,这意味着减少63%

 

12B型反力内齿轮”LPC处理过程中圆度变化:3D处理与2D处理对比

13为热处理后的圆度,即热处理后的绝对值。在3D处理下,平均圆度为48微米,而在2D处理下,变化为32微米,这意味着减少了33%

 

13 热处理后的圆度,即热处理后的绝对值

当生产从3D处理改为2D处理时,这种对变形控制的改进将为后续的磨削工序节省大量成本。

4.3输入轴

对输入轴进行二维处理后的变形进行分析,如图14所示。输入轴由16MnCr5材料制成,质量约0.7kg,每个托盘承载30根轴。热处理后表面硬化深度为0.5-0.8 mm,表面硬度为690-790HV心部硬体指定为340-480HV。分析了两种主要变形参数:轴向跳动和同轴度。图15显示了度量的位置。渗碳温度从960℃1050℃不等。在CFC-工装中测试了两种不同的零件定位方式:“,如图16所示。图17显示了不同测试条件下轴的同轴度。然而,对于以上零部件的应用,轴向跳动的重要性要大于同轴度的公差。

 

14 输入轴材料16MnCr5

 

15:测量输入轴上轴向跳动和同心度的位置

 

16热处理时输入轴的零件定位:“吊”()“站(右)”。

 

17  处理不同试验条件下LPC -工艺后输入轴同轴度

18处理后最大轴向跳动值、轴向跳动的平均变化量、轴向跳动变化的标准差。很明显,输入轴站立会带来更好的效果当将轴入塔板时,三种温度分析过的碳水化合物经热处理(40微米)后的轴向跳动均达到规范要求。

 

18 2D处理不同试验条件下LPC 工艺后输入轴轴向跳动情况

4.4用于重型卡车传动的小行星齿轮和滑动套

在早期的研究中,Schueler等人分析了重型卡车变速箱小行星齿轮和滑动套筒的变形. 所有零件均由ZF-7B材料制成,这是一个修改后的20MnCr5

19显示了零件的形状。对小型行星齿轮进行了常规气淬油渗碳与高压气淬低压渗碳的二维处理。对滑动套采用常规常压淬火气体渗碳工艺,并与高压气相渗碳工艺进行了比较。

 

19 用于小行星齿轮和滑动套筒的变形分析

对于行星齿轮,二维处理的HPGQ与常规处理相比,其畸变散射明显减小,见图20。即使在1050°c渗碳后,这些结果也是非常稳定的,并通过另外两个热处理参数相同的批次进行了验证,如图20所示。

 

20

滑套是变形的关键部件。因此,它们经常作为标准工艺进行硬化和压淬。在Schueler等人的研究中,首先对冷成形毛坯制成的滑套进行了分析。实验结果表明,HPGQ后的测量畸变较大,散射较大。这可以用冷成形后残余应力大来解释。在压淬过程中,尽管残余应力较大,但仍能得到理想的形状。

在第二项研究中,滑动套毛坯在软加工前经过F/P退火热成形,将残余应力从之前的步骤降低到最小。对于这些坯料,二维HPGQ 2D处理后观察到的变形程度与压淬后观察到的变形程度相同,见图21。因此,如果能根据热处理后的变形特性调整软加工尺寸,就有可能生产出符合要求的二维加工理念的滑套。

 

21

5.总结

正确控制热处理变形是关键技术。本文介绍了低压渗碳(LPC)技术的发展概况,从多层LPC处理(3D处理)结合高压气体淬火(HPGQ)。在此基础上,进一步减小了变形齿轮制造中降低生产成本的方法。LPC处理(2D处理)变形量与传统表面硬化相比,明显减少。

这在几项关于传动系统零部件的研究中得到了证实,。对于六速自动变速器的最终驱动内齿轮,从三维处理到二维处理时,热处理过程中平整度的平均变化降低了24%。圆度的平均变化降低了50%。这种变形控制的改进将为后续的硬车削和磨削工艺步骤带来显著的成本节约。本文给出了进一步的实例,以改进内齿轮、输入轴、滑套等传动部件的变形控制。


文章来源:燕青谈齿轮

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