同步器齒轂的熱處理畸變控制

陳 海,崔 鼎,馬媚珠

(陜西法士特汽車傳動(dòng)集團(tuán)有限責(zé)任公司,陜西 西安 710119)

陜西法士特汽車傳動(dòng)集團(tuán)有限責(zé)任公司作為國(guó)內(nèi)最大的商用車變速器生產(chǎn)企業(yè),在中重卡領(lǐng)域中變速器市場(chǎng)占有率已超過70%。隨著用戶對(duì)駕駛品質(zhì)和換擋性能的要求越來越高,高精度同步器能夠顯著提高車輛操縱舒適性,降低換擋難度,延長(zhǎng)變速器使用壽命,因此在總成中的選配比例越來越高[1]。同步器主要由齒轂、結(jié)合齒圈、滑動(dòng)齒套、同步環(huán)及摩擦材料組成。其中某型同步器齒轂由于是薄壁件,且在外花鍵圓周方向開深直槽,滲碳淬火后變形較大,主要體現(xiàn)在外花鍵齒距累積超差、直槽產(chǎn)生喇叭口等現(xiàn)象,平均不合格率在25%左右。過大的變形容易造成換擋卡滯、換擋失效或同步器損壞等,因此控制熱處理變形,降低齒轂的齒距累積超差,成為同步器齒轂研究的重要課題之一。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

圖1為某型同步器齒轂簡(jiǎn)圖,材料為20CrMnTiH3,表面硬度58～63 HRC,心部硬度30～45 HRC,硬化層深0.5～0.8 mm,馬氏體、殘余奧氏體≤5級(jí)。外花鍵熱處理后齒距累積偏差FP≤0.14 mm。

圖1 同步器齒轂零件簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of synchronizer gear hub parts

1.2 試驗(yàn)方法

同步器齒轂零件的加工路線為:下料→鍛造→等溫正火→粗車→拉花鍵→精車→滾齒→銑槽→鉆孔→熱處理→清理拋丸→檢驗(yàn)→裝配。

同步器齒轂零件的滲碳工藝如圖2所示。滲碳、淬火、回火設(shè)備為Aichelin箱式爐,滲碳工藝由程序自動(dòng)控制,爐溫均勻性≤5 ℃,采用氮甲醇?xì)夥?丙酮為富化氣[2]。

圖2 同步器齒轂的滲碳工藝Fig.2 Carburizing process of synchronizer geat hub

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 原材料淬透性對(duì)變形的影響

鋼材的冶金因素包括晶粒度、非金屬夾雜、淬透性和帶狀組織等,對(duì)齒輪的畸變都有影響,其中鋼材的淬透性影響最大。鋼的淬透性主要取決于化學(xué)成分和奧氏體晶粒度的大小,其中化學(xué)成分的影響較為顯著。對(duì)于同一鋼種,由于化學(xué)成分的波動(dòng),其淬透性也會(huì)有波動(dòng),造成熱處理變形出現(xiàn)不規(guī)律變化[3]。目前國(guó)內(nèi)外都把控制鋼材淬透性范圍作為控制齒輪畸變的第一要素。但隨著產(chǎn)品的多樣化、復(fù)雜化,以及對(duì)變形控制的要求越來越高,同一種材料固定的淬透性帶寬,已經(jīng)不能滿足企業(yè)實(shí)際需要。因此需要對(duì)同一鋼種進(jìn)行不同淬透性等級(jí)區(qū)分,從而滿足不同產(chǎn)品的技術(shù)要求[4]。

20CrMnTiH是一種常用的低碳合金鋼,一般作為滲碳鋼廣泛用于制作汽車和變速器齒輪零件。通過微調(diào)20CrMnTiH鋼中合金元素的含量,20CrMnTiH材料牌號(hào)又可以細(xì)分為20CrMnTiH1～H6。根據(jù)自身產(chǎn)品特點(diǎn),制定了符合企業(yè)實(shí)際情況的20CrMnTiH系列材料標(biāo)準(zhǔn)和廠標(biāo)牌號(hào),具體成分及淬透性帶見表1。目前,同步器中使用最多的材料為20CrMnTiH3。與20CrMnTiH3材料相比,20CrMnTiH1降低了C、Mn、Cr元素含量,淬透性降低了約5 HRC。

表1 20CrMnTiH材料成分及淬透性對(duì)比Table 1 Comparison of composition and hardenability of 20CrMnTiH materials

為了驗(yàn)證淬透性對(duì)齒距累積的影響,選擇不同淬透性的20CrMnTiH1和20CrMnTiH3齒轂各20件(熱前滾齒加工采用YS3126CNC6數(shù)控滾齒機(jī),齒距累積能穩(wěn)定控制在0.03～0.04 mm),采用圖2工藝滲碳,串放裝卡,G油淬火。

表2為不同淬透性材料的齒距累積合格率情況。由表2可知,低淬透性20CrMnTiH1零件的齒距累積合格率較高淬透性20CrMnTiH1整體提升了11.5%,且FP≤0.07 mm的比例也提升了16.1%。因此,選用低淬透性20CrMnTiH1材料能夠提高齒距累積的合格率。20CrMnTiH1和20CrMnTiH3齒轂金相檢測(cè)結(jié)果見表3。由表3可知,兩種材料均能滿足技術(shù)要求,除了20CrMnTiH1齒轂的心部硬度略低,其余指標(biāo)并無明顯差別。

表2 不同淬透性材料的齒距累積合格率對(duì)比Table 2 Comparison of cumulative qualified rate of tooth pitch of different hardenability materials

表3 不同淬透性材料的金相檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Metallographic inspection results of different hardenability materials

2.2 冷卻介質(zhì)對(duì)變形的影響

同步器齒轂不僅受熱處理工藝的影響,冷卻介質(zhì)、裝料方式等也是影響齒輪畸變的重要因素。分別采用好富頓G油和MT355油對(duì)同步器齒轂進(jìn)行滲碳淬火冷卻,金相組織如圖3所示。

(a)G油;(b)MT355油圖3 不同冷卻條件下同步器齒轂的金相組織 (a) G oil; (b) MT355 oilFig.3 Microstructure of synchronizer gear hub under different cooling conditions

對(duì)比不同冷卻介質(zhì)對(duì)同步器齒轂的齒距累積合格率情況,結(jié)果見表4。由表4可知,與G油相比,采用MT355等溫分級(jí)淬火油生產(chǎn)的零件合格率提高了6.1%,FP≤0.07 mm的比例也提升了7.4%,有效控制了齒距累積的畸變。這是因?yàn)镸T355等溫分級(jí)淬火油屬于熱油,冷卻速度較為緩和,兩種淬火油的特性見表5。對(duì)低合金滲碳鋼零件,選擇在略低于MS附近等溫冷卻的等溫分級(jí)淬火油可以提高相變均勻性,降低殘余應(yīng)力,使變形減小[5]。

表4 不同冷卻介質(zhì)條件下齒距累積合格率對(duì)比Table 4 Comparison of cumulative qualified rate of tooth pitch under different cooling medium conditions

表5 兩種淬火油冷卻性能對(duì)比Table 5 Comparison of cooling properties of two quenching oils

2.3 裝卡方式對(duì)變形的影響

齒輪滲碳淬火時(shí)應(yīng)根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)形狀、技術(shù)要求等采用合理的裝爐方式,以保證齒輪在滲碳和淬火時(shí)滲碳?xì)夥蘸屠鋮s介質(zhì)的循環(huán)均勻,從而減小變形、保證質(zhì)量,尤其是內(nèi)外徑比較大的薄壁環(huán)形零件、長(zhǎng)徑比較大的軸類零件等。

對(duì)于20CrMnTiH1同步器齒轂,采用圖2工藝進(jìn)行滲碳,MT355油淬火,不同裝卡方式(平放和串放)對(duì)齒距累積合格率的影響見表6。由表6可知,平放的合格率明顯高于串放。由于齒轂沿外花鍵周向上開有3處齒槽,用來安裝封裝滑塊。當(dāng)零件串放淬火時(shí),3處齒槽冷卻不同步,產(chǎn)生了較大的內(nèi)應(yīng)力;同時(shí),由于齒槽較深,破壞了齒轂結(jié)構(gòu)的完整性,降低了槽口周向上的剛度,使得齒槽產(chǎn)生喇叭口,影響了齒距累積。

表6 不同裝卡方式對(duì)齒距累積合格率的影響Table 6 Influence of different card loading methods on cumulative qualified rate of tooth pitch

3 結(jié)論

1)通過化學(xué)成分的微調(diào),可實(shí)現(xiàn)20CrMnTiH材料淬透性的細(xì)化分級(jí),同步器齒轂選用低淬透性20CrMnTiH1材料能夠顯著降低齒距累積。

2)在相同條件下,同步器齒轂采用MT355油淬火的變形好于G油;采用平放備料的變形情況好于串放備料。

3)零件在滿足使用性能的前提下,應(yīng)盡量兼顧熱處理變形。因此外形應(yīng)盡量簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)對(duì)稱,以避免因冷熱不均使變形程度增大;盡量避免截面尺寸的突然變化,減少溝槽、尖角和較深的盲孔等。