输入轴是自动变速器中机械齿轮传动机构的重要零件, 它通过输入轴花键和扭转减振器连接, 并将发动机的输出扭矩传递给自动变速器, 要求有极长的使用寿命, 设计寿命一般要达到10年30万公里不损坏, 下面我们分析一种自动变速器输入轴的加工工艺。
输入轴零件材料采用齿轮钢20CrMnTi。
(1) 机加工前, 锻件需经正火处理, 硬度160~210HBS; (2) 渗碳处理, 层深0.6mm~1mm, 表面硬度58~62HRC, 芯部硬度35mm~42HRC。 (3) 花键齿表面硬度≤50HRC。
锻造→普通正火→精车→滚花键→滚齿→涂防渗剂→渗碳淬火→低温回火→外圆磨→磨齿
(1) 输入轴花键通过滚齿的方式加工, 效率非常低, 并且还要定做专用刀具, 成本较高。另外, 零件φ2 4 0-0.1外圆距离φ210-0.1很近, 在滚花键根部时, 无法避免的会加工到φ24的部位, 使零件的美观性降低。
(2) 输入轴花键硬度较高, 极易出现崩齿现象。由于花键齿的表面硬度要求低于50HRC, 造成不能直接做渗碳淬火处理, 否则花键的表面硬度会和其他部位一样都是58~62HRC。硬度太高, 零件的脆性很大, 在使用过程中会出现崩齿现象, 因此, 在热处理前, 增加了一道在花键的表面涂防渗剂, 这样可以有效的降低渗碳淬火后花键表面的硬度, 增加它的使用寿命。但防渗剂并不能从根本上解决花键硬度过高的问题, 还是会出现崩齿现象。
(3) 磨齿余量大, 加工费用高。对于影响齿轮渗碳变形的诸多因素中, 人们通常比较重视渗碳淬火工艺, 而往往忽略了毛坯预先热处理的正火工艺。事实上, 实际生产出的零件渗碳变形过大的现象很多都是由于预先热处理不当造成的。通过分析我们得出结论, 输入轴渗碳淬火的变形过大造成的磨齿余量也大, 正是因为普通正火工艺不合理的结果。
齿轮锻件普通正火处理后, 由于不能控制正火的冷却速度, 因此奥氏体分解相变无法控制, 必然在一个温度区间内连续进行, 因而获得的显微组织和硬度也可能不同。齿轮表面由于冷却速度较大, 有可能局部甚至全部获得非平衡组织 (α-Fe魏氏组织、贝氏体等) , 这不仅影响切削加工性能, 而且也会改变锻件渗碳淬火后的变形规律, 甚至畸变过大而报废;内部齿坯因冷却速度较慢, 产生大量的铁素体, 切削时易发生塑性变形, 形成切削瘤, 出现“粘刀”、“烧刀”等现象, 严重地影响毛坯的切削性能。
通过试验证明, 普通正火后的输入轴, 磨齿余量要达到单边0.2mm, 才能将齿全部磨出。由于磨齿设备费用高昂, 效率也很低, 这就造成磨齿的成本极高, 要想将成本降低, 就必须减小渗碳淬火的变形量。
锻造—→等温正火—→精车—→滚齿—→渗碳—→车外圆—→搓花键—→淬火—→低温回火—→外圆磨—→磨齿
针对每个遇到的问题, 我们采取了如下的措施: (1) 将滚花键这道工艺取消, 改成搓齿机搓花键。搓齿机适用于外花键小模数的齿轮加工, 它具有极高的生产效率, 运用它之后, 生产效率提高至少10倍以上, 有效地降低了生产成本、缩短生产周期。并且加工的零件表面光洁度很好, 又无须清理毛刺。 (2) 有效地降低花键的表面硬度。渗碳淬火零件硬度极高, 而涂防渗剂不能完全阻止渗碳过程中碳元素的渗入, 致使花键的表面硬度还是相对较高, 容易引起齿部折断。我们把搓花键工序放在热处理渗碳工序的后面, 同时利用渗碳与淬火相分离的工艺, 让输入轴在渗碳后满足渗碳层的情况下, 又不会有硬度。如考虑淬火后单边磨齿余量0.2mm, 则渗碳工序中应规定渗碳层深为0.8mm~1.2mm。图2是渗碳之前输入轴的精车图纸, 通过图2我们可以看出, 在渗碳之前将花键部位的外径车到φ24, 渗碳 (不淬火) 过后, 再车至φ210-0.1, 由于没有淬火, 零件很容易加工, 同时单边1.5mm的余量足以将渗碳层完全车去。
车外圆后, 再进行搓花键工序, 然后淬火, 这样得到的零件花键的硬度只有40HRC左右, 而齿轮的齿部和其他部位, 硬度要求均能够完全满足, 彻底解决了外花键齿部折断的问题。
(3) 将普通正火改进为等稳正火工艺, 有效地减小渗碳淬火的变形。等温正火是将工件加热到Ac3或Accm以上30℃~50℃, 保温适当时间后, 直接进入等温炉或随炉冷却至等温温度, 保持一定时间使其均匀地完成铁素体+珠光体相变, 然后出炉空冷的工艺过程。
采用等温正火工艺可实现对相变过程的有效控制。齿坯奥氏体化后迅速冷却至珠光体相变温度等温, 由于相变是在恒定温度下进行, 很容易获得较好的显微组织和硬度, 避免带状组织超差及非平衡组织出现;同时与普通正火相比, 残余应力较小, 淬火变形也更小, 改善了切削加工性能。表1是各有8件输入轴分别经过普通正火和等温正火, 机加工后渗碳淬火变形量的对比。
采用等温正火后的输入轴, 渗碳淬火后的变形比普通正火的小, 尤其是变形波动范围小, 这就对控制变形极为有利。
经过试验证明等温正火后的输入轴, 磨齿余量单边只要0.1 m m~0.1 2 m m就可以将齿全部磨出, 而普通正火至少也要0.2 m m才能做到, 磨齿的效率几乎提高了一倍;另外φ15、φ20、φ30外圆也可以在车加工时减小0.1mm的磨削余量, 生产效率也可以获得一定的提高, 这样显著地降低了加工成本。
自动变速器的输入轴工艺改进以后, 产品的质量稳定, 能够完全满足自动变速器的使用要求, 同时, 大大提高了生产效率, 有效地降低了加工成本。
摘要：本文分析了一种自动变速器输入轴的工艺难点, 以及机械加工过程中出现的情况, 并针对这些存在的问题, 通过工艺改进解决, 实现了产品质量提高, 加工成本降低。
关键词：输入轴,工艺改进,等温正火
[1] 齿轮手册编委会.齿轮手册[M].北京:机械工业出版社, 2006.
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