CN110202328A - 一种重载汽车变速箱行星轮太阳轮冷挤压工艺 - Google Patents
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Abstract
一种重载汽车变速箱行星轮太阳轮冷挤压工艺，步骤如下：锯切原材料棒料至规定的尺寸；将锯切好的棒料快速加热至950℃±20℃，完成镦粗、冲挤内孔形成杯状坯料并保存锻件余热；完成锻坯的球化退火处理，使坯料硬度降至≤120HB；完成冲孔形成环状坯料；进行车削加工后再进行浸润高分子润滑剂处理，风干后以备挤压；完成齿形冷挤成型；车削冷挤件内孔及两端面，齿形倒角去毛刺，太阳轮拉削内花键，完成热处理之前零件加工；渗碳淬火处理，强渗阶段控制碳势1%、扩散阶段控制碳势0.8%，淬火后零件表面硬度、心部硬度、渗层深度、晶粒度达到技术要求；齿面经磨削加工达到设计要求。加工成本低，环境友好，耐磨性提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种挤压工艺，更具体的说涉及一种重载汽车变速箱行星轮太阳轮冷挤压工艺，属于汽车重载变速箱技术领域。
背景技术
现行汽车重载变速箱行星轮太阳轮机构在低档位及倒挡时参与工作，其承受很大的扭矩及冲击载荷；尤其是太阳轮，一旦出现齿面点蚀或齿根裂纹故障时将导致严重的后果，因此针对行星轮、太阳轮的材料开发、制造工艺、齿轮检测及台架测试都非常严格。目前，行星轮、太阳轮一般采用热锻工艺制成环状坯料，等温正火后精车，采用滚齿加工齿形，经渗碳淬火后磨削齿形；齿轮精度达到6级精度，因此加工成本较高。
采用冷挤压或冷精整的工艺替代滚齿工艺可以较大幅度降低齿轮加工成本，例如采用少无切削工艺加工的齿轮制造工艺，包括采用温锻或亚热锻成型齿形，然后采用冷精整及冷挤倒锥成型的结合齿、倒档惰轮、驻车齿轮制造工艺等；但是，由于行星轮、太阳轮齿形长度较长，采用冷精整的工艺挤压力非常大且齿面粗糙，难以满足要求，需要通过正挤压的方式成型齿形。中国发明专利《汽车轮边行星轮冷挤成型制作方法》（专利号：201310063482.0）公开了汽车轮边行星轮冷挤成型制作方法，其采用两次退火、抛丸、磷皂化处理，两次冷挤成型完成齿轮的制作，第一次冷挤出圆盘状坯件，第二次冷挤齿形；相比热锻尺寸精度高、氧化少、金属内在组织好，晶粒更细化，避免粗晶、混晶等不良组织。但是，该发明专利存在以下缺陷：1、采用两次退火，能耗偏高；2、对于冷挤压成型模具方面无相关介绍，对本行星轮太阳轮冷挤成型适用性不强。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的重载变速箱行星轮太阳轮加工存在的成本较高、能耗偏高等问题，提供一种重载汽车变速箱行星轮太阳轮冷挤压工艺。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种重载汽车变速箱行星轮太阳轮冷挤压工艺，包括坯料、温锻、冲孔、冷挤工艺流程，具体包括下面的步骤：步骤一，按照设计要求，锯切原材料棒料至规定的尺寸；步骤二，利用工频加热设备将锯切好的棒料快速加热至950℃±20℃，然后在锻造设备上完成镦粗、冲挤内孔形成杯状坯料，锻后坯料置于坯料保温桶内以保存锻件余热；步骤三，将热锻坯置于井式炉内，在加热时，通过预抽真空、通入氮气同时滴加甲醇除氧实现在此保护气氛下完成锻坯的球化退火处理，使坯料硬度降至≤120HB；步骤四，将经过步骤三球化退火处理后的锻坯经喷丸处理去除氧化皮，在开式压力机上完成冲孔形成环状坯料；步骤五，对环状坯料的内孔及端面进行车削加工后再进行浸润高分子润滑剂处理，风干后以备挤压；步骤六，在压力机上完成齿形冷挤成型，挤压过程为连续挤压形式；步骤七，车削冷挤件内孔及两端面，齿形倒角去毛刺，太阳轮拉削内花键，完成热处理之前零件加工；步骤八，渗碳淬火处理，强渗阶段控制碳势1%、扩散阶段控制碳势0.8%，淬火后零件表面硬度、心部硬度、渗层深度、晶粒度达到技术要求。步骤九，齿面经磨削加工达到设计要求。
所述步骤三中的锻坯球化退火处理过程如下：首先将锻坯加热至780℃、保温8-10h，再降至680℃、保温8-10h，接着关闭井式炉供电使炉温缓降，当炉温降至400℃时取出锻坯空冷，在经检测坯料硬度≤120HB、金相组织为铁素体+珠光体组织、晶粒度9-10级时满足即冷挤压坯料要求，完成了锻坯球化退火处理。
所述步骤五中的浸润高分子润滑剂处理过程如下：首先预热坯料至80℃±5℃，使高分子润滑液保持40℃±2℃并充分搅拌均匀，将坯料在干燥状态下浸泡到充分搅拌均匀的高分子润滑液中，浸泡时上下提动坯料筐以使浸泡均匀，并保持20s-30s后提起风干以备挤压。
所述步骤六中的齿形冷挤成型过程如下：冷挤齿形凹模采用凹模模芯加预应力圈结构形式，凹模模芯材质选用韧性高的硬质合金材料，应力圈选用耐高温合金模具钢，径向过盈量0.6%-0.7%；采用热套的方式压配，压配后采用慢走丝线切割齿形，齿形参数考虑挤压变形回弹量及热处理变形量，确保热处理后齿轮公法线长度在公差范围内；挤压定径带长度为5mm-20mm，下端慢走丝1.5°锥度让开以减小挤压时摩擦力，入模角采用电火花加工，手工修挤压圆角，仔细研磨抛光至Ra0.4；冷挤凸模及支撑坯料内孔模芯采用高韧性冷作模具钢材料，内孔模芯表面镀氮化钛涂层以减小挤压摩擦力，模架上下同轴度≤0.02mm，冷挤凸模与限位坯料凹模间隙≤0.1mm，防止挤压过程中产生纵向毛刺；挤压过程为连续挤压形式，挤压件被下一件推出，从压机下工作台孔中掉出。
所述步骤七中在热处理之前零件中，精车内孔以冷挤齿形为基准，并采用冷挤齿坯车削定位夹具定位齿形，控制内孔与齿形同轴度≤0.04mm。
所述的冷挤齿坯车削定位夹具包括圆环形的保持架，所述的保持架上均匀布置有定位销，所述的定位销的数量与所车削齿坯的齿数相同，所述的定位销中安装有限位轴，所述的限位轴固定在保持架上。
所述定位销的内孔与限位轴的间隙为0.5mm，外径公差为±0.005mm。
所述的限位轴位置精度要求为±0.1mm。
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
1、本发明采用温锻工艺制坯，与现有的热锻齿坯工艺相比，其能耗低、氧化脱碳层产生少；且采用坯料保温桶实现锻件余热回收，节能效果明显。
2、由于球化退火时间长，本发明中采用温锻加一次球化退火完成挤压坯料的制备，使得能耗成本低。
3、本发明中对环状坯料的内孔及端面进行车削加工后再进行浸润高分子润滑剂处理，即与现有技术相比，本发明采用水基高分子润滑剂替代磷皂化润滑工艺，从而消除了磷化废液对环境的污染。
4、本发明中冷挤压模具采用硬质合金材料制成，挤压成形尺寸精度一致性好，挤压件齿形精度达到8级，挤压模具寿命高，挤压效率相比滚齿加工提升10倍，加工成本大幅降低。
5、本发明与现有的滚齿件相比，渗碳淬火后冷挤成形的齿轮由于大的塑性变形带来的齿面及齿根处的晶粒更加细化，其接触疲劳强度及齿根弯曲疲劳强度得以增强。
附图说明
图1是本发明中行星轮结构示意图。
图2是本发明中太阳轮结构示意图。
图3是本发明工艺流程示意图。
图4是本发明中坯料保温桶结构示意图。
图5是本发明中热锻坯料球化退火曲线示意图。
图6是本发明中冷挤齿坯车削定位夹具结构示意图。
图7是图6中A-A剖视图。
图8是本发明中冷挤齿坯车削定位夹具在车床三爪卡盘上的定位示意图。
图中，桶身1，桶盖2，保持架3，限位轴4，定位销5，三爪卡盘6，冷挤齿坯7。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
参见图1至图8，一种重载汽车变速箱行星轮太阳轮冷挤压工艺，其通过冷挤成型工艺制成重载商用车变速箱行星轮太阳轮，该行星轮、太阳轮材料为定制低碳合金钢，包括坯料、温锻、冲孔、冷挤工艺流程，具体包括下面的步骤：
步骤一，按照设计要求、根据《下料通知单》，采用高速圆盘锯锯切原材料棒料至规定的尺寸。
步骤二，利用工频加热设备将锯切好的棒料快速加热至950℃±20℃，然后在锻造设备上完成镦粗、冲挤内孔形成杯状坯料，锻后坯料置于坯料保温桶内以保存锻件余热。此处的坯料保温桶包括桶身1和桶盖2，所述的桶盖2盖至桶身1顶部，所述的桶盖2和桶身1内部填充隔热保温材料。且所述的桶身1和桶盖2均采用3-5mm普通碳素结构钢板焊接而成。同时，所述的桶身1和桶盖2均设置有把手。
步骤三，将批量的热锻坯置于井式炉内，完成锻坯的球化退火处理。在加热时，通过预抽真空、通入氮气同时滴加甲醇除氧，实现在此保护气氛下完成锻坯的球化退火处理，使坯料硬度降至≤120HB。
步骤四，将经过步骤三球化退火处理后的锻坯经喷丸处理去除氧化皮，在开式压力机上完成冲孔形成环状坯料。
步骤五，对环状坯料的内孔及端面进行必要的车削加工后再进行浸润高分子润滑剂处理，风干后以备挤压。
步骤六，在500吨压力机上完成齿形冷挤成型，挤压过程为连续挤压形式，挤压件被下一件推出。
步骤七，车削冷挤件内孔及两端面，齿形倒角去毛刺，太阳轮拉削内花键，完成热处理之前零件加工。
步骤八，渗碳淬火处理，强渗阶段控制碳势1%、扩散阶段控制碳势0.8%，淬火后零件表面硬度、心部硬度、渗层深度、晶粒度达到技术要求。
步骤九，齿面经磨削加工达到设计要求，通常为6级精度要求。
参见图3，进一步的，所述步骤三中的锻坯球化退火处理过程如下：首先将锻坯加热至780℃、保温8-10h，再降至680℃、保温8-10h；接着关闭井式炉供电使炉温缓降，当炉温降至400℃时取出锻坯空冷，在经检测坯料硬度≤120HB、金相组织为铁素体+珠光体组织、晶粒度9-10级时满足即冷挤压坯料要求，完成了锻坯球化退火处理。
进一步的，所述步骤五中的浸润高分子润滑剂处理过程如下：首先预热坯料至80℃±5℃，使高分子润滑液保持40℃±2℃并充分搅拌均匀，将坯料在干燥状态下浸泡到充分搅拌均匀的高分子润滑液中，浸泡时上下提动坯料筐以使浸泡均匀，并保持20s-30s后提起风干以备挤压。
进一步的，所述步骤六中的齿形冷挤成型过程如下：冷挤齿形凹模采用凹模模芯加预应力圈结构形式，凹模模芯材质选用韧性高的硬质合金材料，应力圈选用耐高温合金模具钢，径向过盈量0.6%-0.7%。采用热套的方式压配，压配后采用慢走丝线切割齿形，齿形参数考虑挤压变形回弹量及热处理变形量，确保热处理后齿轮公法线长度在公差范围内。挤压定径带长度为5mm-20mm，下端慢走丝1.5°锥度让开以减小挤压时摩擦力，入模角采用电火花加工，手工修挤压圆角，仔细研磨抛光至Ra0.4。冷挤凸模及支撑坯料内孔模芯采用高韧性冷作模具钢材料，内孔模芯表面镀氮化钛涂层以减小挤压摩擦力，模架上下同轴度≤0.02mm，冷挤凸模与限位坯料凹模间隙≤0.1mm，防止挤压过程中产生纵向毛刺。挤压过程为连续挤压形式，挤压件被下一件推出，从压机下工作台孔中掉出，利用斜置木板引导挤压件，防止磕碰伤缺陷产生。
参见图6至图8，进一步的，所述步骤七中在热处理之前零件中，精车内孔以冷挤齿形为基准，并采用冷挤齿坯车削定位夹具定位齿形，控制内孔与齿形同轴度≤0.04mm。此处的冷挤齿坯车削定位夹具包括圆环形的保持架3，所述的保持架3上均匀布置有定位销5，所述的定位销5的数量与所车削齿坯的齿数相同，所述的定位销5中安装有限位轴4，所述的限位轴4固定在保持架3上。所述的限位轴4位置精度要求为±0.1mm，保持架3、限位轴4与定位销5的足够间隙可以防止因保持架3与限位轴4 的加工及装配误差对定位销5定位齿形的位置精度产生影响。所述定位销5的内孔与限位轴4的间隙为0.5mm，轴向允许窜动间隙为0.5mm；外径公差为±0.005mm，采用无心磨削加工而成。使用时，三爪卡盘6采用软爪方式以保证夹持的自定心精度，本定位夹具依靠其定位销5定位于冷挤齿坯7的齿槽中；当三爪卡盘6夹紧时，可以夹紧六处定位销5，从而保证很好的夹持稳定性.此外，由于定位销5外径的高精度，可以最大程度减小夹持时由齿形到定位销5的传递误差，从而保证车削内孔与冷挤齿形的同轴度要求。
参见图1至图8，本发明为一种针对专用齿轮钢材料的冷挤压成型及热处理工艺，采用温锻+冷挤成型工艺制成变速箱行星轮太阳轮替代现有的热锻+滚齿工艺，经过了坯料、温锻、冲孔和冷挤工艺流程，提高了材料利用率，降低了能源消耗，降低了重载变速箱行星轮、太阳轮加工成本。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，上述结构都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种重载汽车变速箱行星轮太阳轮冷挤压工艺，其特征在于，包括坯料、温锻、冲孔、冷挤工艺流程，具体包括下面的步骤：
步骤一，按照设计要求，锯切原材料棒料至规定的尺寸；
步骤二，利用工频加热设备将锯切好的棒料快速加热至950℃±20℃，然后在锻造设备上完成镦粗、冲挤内孔形成杯状坯料，锻后坯料置于坯料保温桶内以保存锻件余热；
步骤三，将热锻坯置于井式炉内，在加热时，通过预抽真空、通入氮气同时滴加甲醇除氧实现在此保护气氛下完成锻坯的球化退火处理，使坯料硬度降至≤120HB；
步骤四，将经过步骤三球化退火处理后的锻坯经喷丸处理去除氧化皮，在开式压力机上完成冲孔形成环状坯料；
步骤五，对环状坯料的内孔及端面进行车削加工后再进行浸润高分子润滑剂处理，风干后以备挤压；
步骤六，在压力机上完成齿形冷挤成型，挤压过程为连续挤压形式；
步骤七，车削冷挤件内孔及两端面，齿形倒角去毛刺，太阳轮拉削内花键，完成热处理之前零件加工；
步骤八，渗碳淬火处理，强渗阶段控制碳势1％、扩散阶段控制碳势0.8％，淬火后零件表面硬度、心部硬度、渗层深度、晶粒度达到技术要求；
步骤九，齿面经磨削加工达到设计要求。
2.根据权利要求1所述的一种重载汽车变速箱行星轮太阳轮冷挤压工艺，其特征在于，所述步骤三中的锻坯球化退火处理过程如下：首先将锻坯加热至780℃、保温8-10h，再降至680℃、保温8-10h，接着关闭井式炉供电使炉温缓降，当炉温降至400℃时取出锻坯空冷，在经检测坯料硬度≤120HB、金相组织为铁素体+珠光体组织、晶粒度9-10级时满足即冷挤压坯料要求，完成了锻坯球化退火处理。
3.根据权利要求1所述的一种重载汽车变速箱行星轮太阳轮冷挤压工艺，其特征在于，所述步骤五中的浸润高分子润滑剂处理过程如下：首先预热坯料至80℃±5℃，使高分子润滑液保持40℃±2℃并充分搅拌均匀，将坯料在干燥状态下浸泡到充分搅拌均匀的高分子润滑液中，浸泡时上下提动坯料筐以使浸泡均匀，并保持20s-30s后提起风干以备挤压。
4.根据权利要求1所述的一种重载汽车变速箱行星轮太阳轮冷挤压工艺，其特征在于，所述步骤六中的齿形冷挤成型过程如下：冷挤齿形凹模采用凹模模芯加预应力圈结构形式，凹模模芯材质选用韧性高的硬质合金材料，应力圈选用耐高温合金模具钢，径向过盈量0.6％-0.7％；采用热套的方式压配，压配后采用慢走丝线切割齿形，齿形参数考虑挤压变形回弹量及热处理变形量，确保热处理后齿轮公法线长度在公差范围内；挤压定径带长度为5mm-20mm，下端慢走丝1.5°锥度让开以减小挤压时摩擦力，入模角采用电火花加工，手工修挤压圆角，仔细研磨抛光至Ra0.4；冷挤凸模及支撑坯料内孔模芯采用高韧性冷作模具钢材料，内孔模芯表面镀氮化钛涂层以减小挤压摩擦力，模架上下同轴度≤0.02mm，冷挤凸模与限位坯料凹模间隙≤0.1mm，防止挤压过程中产生纵向毛刺；挤压过程为连续挤压形式，挤压件被下一件推出，从压机下工作台孔中掉出。
5.根据权利要求1所述的一种重载汽车变速箱行星轮太阳轮冷挤压工艺，其特征在于：所述步骤七中在热处理之前零件中，精车内孔以冷挤齿形为基准，并采用冷挤齿坯车削定位夹具定位齿形，控制内孔与齿形同轴度≤0.04mm。
6.根据权利要求5所述的一种重载汽车变速箱行星轮太阳轮冷挤压工艺，其特征在于：所述的冷挤齿坯车削定位夹具包括圆环形的保持架(3)，所述的保持架(3)上均匀布置有定位销(5)，所述的定位销(5)的数量与所车削齿坯的齿数相同，所述的定位销(5)中安装有限位轴(4)，所述的限位轴(4)固定在保持架(3)上。
7.根据权利要求6所述的一种重载汽车变速箱行星轮太阳轮冷挤压工艺，其特征在于：所述定位销(5)的内孔与限位轴(4)的间隙为0.5mm，外径公差为±0.005mm。
8.根据权利要求6所述的一种重载汽车变速箱行星轮太阳轮冷挤压工艺，其特征在于：所述的限位轴(4)位置精度要求为±0.1mm。
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