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变速箱齿轮的热处理工艺的设计

时间:2011-01-03 15:14:22  来源:  作者:

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一、变速箱齿轮的材料选择:Bos中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

1、选材的原则:零件材料的选择应根据零件的使用性能要求及加工工艺性能、经济成本要求进行选择:
1)、使用性能要求:使用性能是指零件在正常使用状态下,材料应具备的性能,是保证零件工作安全可靠、经久耐用的必要条件。零件在选材时,首先要根据零件的工作条件和失效形式,正确判断所要求的使用性能,再根据主要的使用性能指标来选择合适的材料。
变速箱齿轮位于汽车传动部分 ,用于传递扭矩与动力、调整速度的作用。其工作条件、失效形式及要求的力学性能如下表:

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零件
名称
工作条件
常见失效形式
要求的力学性能
 
 
齿
A 、由于传递扭矩,齿根要承受较大的弯曲应力和交变应力;
B 、由于变速箱齿轮转速变化范围广,齿轮表面承受较大的接触应力,并在高速下承受强烈的磨擦力;
C 、由于工作时不断换档,轮齿之间经常要承受换档造成的冲击与碰撞。
A 、当齿轮所受弯曲应力过大时,可能发生齿根折断;
B 、轮齿在交变应力的作用下,长时间工作可能发生疲劳断裂;
C 、齿面在强磨擦作用下可能发生磨损和点蚀现象。
D 、齿轮心部韧性过低时,在冲击作用下可能发生断裂。
A、表面高硬度、高耐磨性:齿面硬度 58-64HRC ,心部硬度 30-45HRC ;
B、齿面高的接触疲劳强度;
C、齿根高的弯曲强度(σ b > 1000Mpa );
D、心部较高强度、高韧性( a k > 60J/cm 2 )。

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通过对变速箱齿轮的工作条件、失效形式的全面分析,并根据零件的几何尺寸、使用寿命要求,就能确定出零件应具有的主要力学性能指标。
2)、加工工艺性能要求:
变速箱齿轮常用的加工工艺路线为:
下料 → 锻造 → 正火 → 粗、半精切削加工 → 渗碳 → 淬火、低温回火 → 喷丸处理 → 加工花键 → 磨端面 → 磨齿 → 最终检验
根据以上工艺要求,变速箱齿轮的工艺性能要求如下:

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加工工艺类别
目的
性能要求
材料要求
锻造
制成毛坯
一定的高温塑性
金相组织为固溶体的合金
正火
消除锻造应力,细化晶粒
 
零件形状简单,尺寸较小。
切削加工
加工成半成品
既有较高的强度、硬度,又有一定的塑性、韧性
中、低碳的结构钢
渗碳
增加表面 C%
 
C% < 0 。 25% 的低碳合金钢
淬火
提高表面硬度和耐磨性
提高淬透性,控制与减少变形、开裂倾向
添加一定的合金元素如: Cr 、 Mn 、 Ti 的合金结构钢等

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3)、选材时还应充分考虑经济性:
在保证使用性能的前提下,应尽可能选用价格低、货源足、加工方便、总成本低的材料。
2、材料的选择:根据以上使用性能和加工工艺、加工成本的综合要求,可基本确定为低 C% 合金结构钢:即我们常用的合金渗碳钢。从目前我国汽车制造厂常用的金属材料来看,汽车变速箱齿轮多采用 20CrMnTi 。
二、热处理工序位置及热处理工艺选择:
热处理是机械制造过程中的重要工序。变速箱齿轮的热处理工序位置及热处理工艺选择、安排是否得当,对于零件的质量及切削加工性能起着至关重要的作用。根据热处理的目的及工序位置不同,热处理分为预备热处理和最终热处理。
1 .预备热处理的工序位置及热处理工艺选择:
为消除经过锻造的变速箱齿轮毛坯的内应力、细化晶粒、均匀组织,并改善切削加工性能,为淬火作好组织准备,一般在锻造之后、切削加工之前,可采用退火或正火作为预备热处理。由于变速箱齿轮尺寸较小,且厚度较均匀,在正火、退火均可使用的前提下,为提高工作效率,宜选用正火作为预备热处理。
2 .最终热处理的工序位置:
最终热处理包括各种淬火、回火、表面热处理等。零件最终热处理之后,即可获得所需的力学性能:因零件硬度较高,除磨削加工之外不宜进行其他形式的切削加工,故最终热处理均安排在半精加工之后,磨削加工之前。
3 .最终热处理工艺方法选择:
根据变速箱齿轮的工作条件及失效形式,对变速箱齿轮的技术条件要求如下:
齿轮根部σ b > 1000Mpa , a k > 60J/cm 2 ;
齿面硬度 58 ~ 64HRC ,心部硬度 30 ~ 42HRC 。
根据以上技术条件,变速箱齿轮材料 : 20CrMnTi 采用的最终热处理工艺为:先渗碳,使表面碳含量增加,心部仍维持低的含碳量,保持心部较高的强度和冲击韧性;渗碳之后进行淬火和低温回火,使轮齿表面硬度达到高硬度要求,心部仍维持较低的硬度。
三、热处理工艺特性对齿轮质量和寿命的影响 :
正确分析和理解热处理性能指标,对保证零件的质量,满足使用性能的要求,延长零件的使用寿命,具有重大意义。主要的热处理工艺性能指标及要求如下:
1、淬透性:
淬透性的波动范围直接影响到齿轮的产品质量。淬透性过低,则制成的齿轮渗碳淬火后,心部硬度低于技术条件规定的数值,疲劳试验时,齿轮的疲劳寿命降低;若淬透性过高,则齿轮渗碳淬火后,内孔收缩量过大而影响齿轮装配。
由于淬透性对轮齿心部的硬度和畸变有重大影响, GB5216-85 规定:用于制造齿轮的 20CrMnTi 的淬透性指标为:距水冷端 9 咖处的硬度为30~ 42HRC 。
2、变形开裂倾向:
齿轮在淬火时因加热或冷却速度太快,加热或冷却不均匀都可能造成工件变形甚至开裂。因此,设计齿轮时,在结构上应尽量避免尖角或厚薄断面的突然变化;淬火时,尽量选择冷却速度较慢的专用淬火油进行淬火。通过以上手段来减少变形开裂倾向。
3、淬硬性:
淬硬性指钢在正常淬火条件下,以超过临界冷却速度所形成的马氏体组织能够达到的最高硬度。淬硬性主要取决于钢中的含碳量。含碳量越高,淬火后硬度越高。变速箱齿轮通过渗碳使齿轮表面达到高含碳量,淬火后使齿轮表面达到:齿面硬度 58 ~ 64HRC ,,才能满足齿轮表面高硬度、高耐磨的特性,保证齿轮齿面有足够的使用寿命,不发生齿面点蚀和磨损。
影响热处理性能的因素还有钢的回火稳定性、过热敏感性、回火脆性和尺寸稳定性等,只有正确处理以上各种因素对热处理的影响,才能保证变速箱齿轮的正常使用,进一步提高变速箱齿轮的质量和寿命。
 

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