汽车齿轮的生产工艺设计书.docx

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汽车齿轮的生产工艺设计书

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第一章绪论

当下人们对汽车高速、安全、舒适、节能、环保等性能要求日趋严格，传动系统向小型化、轻量化、高功率化的趋势发展，要求提高齿轮寿命、传动精度和降低成本。

因此，使得汽车齿轮承受的负荷越来越大，对汽车齿轮钢质量的要求也越来越高。

随着社会汽车保有量及生产量的不断扩大，汽车齿轮钢用量也在增加。

中国汽车保有量在2011年8月增加983万辆，首次突破1亿辆，占机动车总量的45.88%。

年新产汽车用齿轮钢量约54.2万t。

汽车齿轮钢属结构钢，其中以合金结构钢为主，尽管开发和引进了各种类型的齿轮钢，但20SiMnVB具有较高的淬透性，十分适合应用于汽车齿轮的生产。

汽车齿轮工作时受到周期性变载荷（扭转或弯曲力）及冲击载荷的作用，且零件与零件表面之间有相对摩擦，并有高的接触应力。

这些零件对材料的机械性能要求：

1）材料具有高的屈服强度和高的弯曲疲劳性能；2）材料表面具有高的接触疲劳强度和高的耐磨性。

含碳量为0.4%及以上的结构钢不能满足要求，因其经热处理后尽管硬度很高，但韧性太低，达不到内韧外硬的要求，故用低碳结构钢进行渗碳，使零件从表面到中心具有从高碳（0.8%---1.1%）到低碳（0.10%---0.25%）连续过度的化学成分。

使零件表层具有高强度、高耐磨性，零件心部具有适当的强度和较好的韧性，使零件满足在其在机械性能上的要求。

对于一般零件，渗碳层的含碳量限制为0.8%---1.1%；渗碳层的深度控制在0.6---2.0mm之内。

齿轮传动装置按密封形式可分为开式、半开式及闭式3种；按使用工况可分为低速、高速及轻载、中载、重载；按齿轮齿面硬度不同，又分为硬齿面齿轮（齿面硬度HRC>55,如经整体或渗碳淬火、表面淬火或氮化处理）、中硬齿面齿轮（齿面硬度55>HRC>38，HB>350，如齿轮经过整体淬火或表面淬火）、软齿面齿轮（齿面硬度HB<350，如经调质、常化的齿轮）。

汽车齿轮钢质量是随着汽车制造业对材料要求的不断提高及冶金工艺设备水平的提高而不断提高的，钢材的质量性能高级化、高纯洁度、超细组织、高精度是当前的主要发展趋势。

第二章原材料的选择和要求

2.1材料的选择

材料淬透性对变形影响很大，对滑动齿轮应选用淬透性较高的材料。

此外，材料性能的波动对变形稳定性也是一个很重要的因素，故选材应尽量做到定点供应。

合金结构钢20SiMnVB具有较高的淬透性，是一种较好的渗碳钢，淬火低温回火后强度已接近超高强度钢的水平，而塑性和韧性及综合力学性能不亚于调质钢，低温冲击韧性也较好。

用于制造负荷较大，要求较高强度和韧性的中小型零件。

因此滑动齿轮可选合金结构钢20SiMnVB。

2.2工件基本要求

1、工件外形尺寸：

直径128mm,高度20mm.

2、材质：

20SiMnVB

3、齿数：

32

4、工件质量：

可计算

5、技术要求：

表面58~62HRC,其余35~40HRC

齿轮在传递力及改变速度的运动过程中，啮合齿面之间既有滚动又有滑动，而且齿轮根部还受到脉动或交变弯曲应力的作用，齿面和齿根在上述不同应力下导致不同失效形式，齿轮所受应力主要有三种，即摩擦力，接触应力和弯曲应力。

齿轮的工作条件为：

高速、重载荷、受冲击，模数大于6的齿轮。

工艺要求：

一般为900～950℃渗碳，降温至820～850℃淬火，180～200℃回火。

力学性能要求：

抗拉强度σb（MPa）：

≥1175（120），屈服强度σs（MPa）：

≥980（100），伸长率δ5（％）：

≥10，断面收缩率ψ（％）：

≥45，冲击功Akv（J）：

≥55，冲击韧性值αkv（J/cm2）：

≥69（7），硬度：

≤207HB，试样尺寸：

试样毛坯尺寸为15mm

化学成分：

碳（C）：

0.17～0.24；硅（Si）：

0.50～0.80；锰（Mn）：

1.30～1.60；硫（S）：

允许残余含量≤0.035；磷（P）：

允许残余含量≤0.035；铬（Cr）：

允许残余含量≤0.030；镍（Ni）：

允许残余含量≤0.030；铜（Cu）：

允许残余含量≤0.030；钒（V）：

0.07～0.12；硼（B）：

0.0005～0.0035

奥氏体化温度为920摄氏度，金相组织其表面组织为细小回火马氏体+颗粒均布碳化物+少量残余奥氏体，其心部组织为低碳马氏体+铁素体。

第三章汽车齿轮的加工工艺过程

3.1　锻造制坯

热模锻仍然是汽车齿轮件广泛使用的毛坯锻造工艺。

近年来，楔横轧技术在轴类加工上得到了大范围推广。

这项技术特别适合为比较复杂的阶梯轴类制坯，它不仅精度较高、后序加工余量小，而且生产效率高。

3.2　正火

这一工艺的目的是获得适合后序齿轮切削加工的硬度和为最终热处理做组织准备，以有效减少热处理变形。

所用齿轮钢的材料为20SiMnVB,一般的正火由于受人员、设备和环境的影响比较大，使得工件冷却速度和冷却的均匀性难以控制，造成硬度散差大，金相组织不均匀，直接影响金属切削加工和最终热处理，使得热变形大而无规律，零件质量无法控制。

为此，采用等温正火工艺。

实践证明，采用等温正火有效改变了一般正火的弊端，产品质量稳定可靠。

3.3车削加工

为了满足高精度齿轮加工的定位要求，齿坯的加工全部采用数控车床，使用机械夹紧不重磨车刀，实现了在一次装夹下孔径、端面及外径加工同步完成，既保证了内孔与端面的垂直度要求，又保证了大批量齿坯生产的尺寸离散小。

从而提高了齿坯精度，确保了后序齿轮的加工质量。

另外，数控车床加工的高效率还大大减少了设备数量，经济性好。

3.4滚、插齿

加工齿部所用设备仍大量采用普通滚齿机和插齿机，虽然调整维护方便，但生产效率较低，若完成较大产能需要多机同时生产。

随着涂层技术的发展，滚刀、插刀刃磨后的再次涂镀非常方便地进行，经过涂镀的刀具能够明显地提高使用寿命，一般能提高90%以上，有效地减少了换刀次数和刃磨时间，效益显着。

3.5剃齿

径向剃齿技术以其效率高，设计齿形、齿向的修形要求易于实现等优势被广泛应用于大批量汽车齿轮生产中。

公司自1995年技术改造购进意大利公司专用径向剃齿机以来，在这项技术上已经应用成熟，加工质量稳定可靠。

3.6热处理

汽车齿轮要求渗碳淬火，以保证其良好的力学性能。

对于热后不再进行磨齿加工的产品，稳定可靠的热处理设备是必不可少的。

公司引进的是德国劳易公司的连续渗碳淬火生产线，获得了满意的热处理效果。

3.7磨削加工

主要是对经过热处理的齿轮内孔、端面、轴的外径等部分进行精加工，以提高尺寸精度和减小形位公差。

齿轮加工采用节圆夹具定位夹紧，能有效保证齿部与安装基准的加工精度，获得满意的产品质量。

3.8修整

这是变速器、驱动桥齿轮装配前对齿部进行磕碰毛刺的检查清理，以消除它们在装配后引起噪声异响。

通过单对啮合听声音或在综合检查仪上观察啮合偏差来完成。

制造公司生产的变速器中壳体零件有离合器壳、变速器壳和差速器壳。

离合器壳、变速器壳是承重零件，一般采用压铸铝合金经专用模具压铸而成，外形不规则、较复杂，一般工艺流程是铣结合面→加工工艺孔和连接孔→粗镗轴承孔→精镗轴承孔和定位销孔→清洗→泄漏试验检测。

这个阶段的目的，在于修正齿轮经过淬火后所引起的齿形变形，进一步提高齿形精度和降低表面粗糙度，使之达到最终的精度要求。

在这个阶段中首先应对定位基准面（孔和端面）进行修整，因淬火以后齿轮的内孔和端面均会产生变形，如果在淬火后直接采用这样的孔和端面作为基准进行齿形精加工，是很难达到齿轮精度的要求的。

以修整过的基准面定位进行齿形精加工，可以使定位准确可靠，余量分布也比较均匀，以便达到精加工的目的。

齿端加工必须安排在齿轮淬火之前，通常多在滚（插）齿之后。

齿轮淬火后基准孔产生变形，为保证齿形精加工质量，对基准孔必须给予修正。

　　圆柱孔齿轮的修正，可采用推孔或磨孔，推孔生产率高，常用于未淬硬齿轮；磨孔精度高，但生产率低，对于整体淬火后内孔变形大硬度高的齿轮，或内孔较大、厚度较薄的齿轮，则以磨孔为宜

　　磨孔时一般以齿轮分度圆定心，这样可使磨孔后的齿圈径向跳动较小，对以后磨齿或珩齿有利。

为提高生产率，有的工厂以金刚镗代替磨孔也取得了较好的效果。

第3章齿轮的热处理工艺

齿轮的热处理工艺流程一般是先进行正火处理，经检验达到要求进而粗加工，粗加工了的齿轮经洗涤烘干后进行渗碳处理，渗碳后经淬火、回火处理，回火处理后进行喷丸、矫直，再经洗涤烘干并检验，检验合格后就送入精加工处理。

4.1齿轮的正火

齿轮的正火，正火是将工件加热至Ac3（Ac₃是指加热时自由铁素体全部转变为奥氏体的终了温度）或Accm（Accm是实际加热中过共析钢完全奥氏体化的临界温度线）以上30~50℃，保温一段时间后，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。

其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化。

20SiMnVB材质的齿轮正火加热温度为930＋（或－）10℃，急冷至等温温度600+（或—）10℃，等温90分钟后空冷。

硬度范围为：

179~217HBW;晶粒度为5~8级。

正火后的组织为均匀分布的细小片状珠光体和铁素体。

等温正火工艺的工艺要点是用控制冷却方式，使零件在一定的冷速，一定的温度下冷却，从而获得均匀组织及较佳的硬度，等温正火可以消除渗碳钢中网状碳化物。

工艺流程：

锻轧毛坯→加热炉→速冷室（工件冷却到600摄氏度左右）→等温室（根据材料和硬度要求，确定等温温度和时间）→出炉。

正火缺陷及其控制,正火可能出现多种缺陷，包括硬度过高、粗大魏氏体组织、反常组织、带状组织和过共析钢中出现网状组织。

对于硬度过高常采用从新退火，严格控制工艺参数来消除硬度过高缺陷；粗大魏氏体采用完全退火或从新正火使晶粒细化加以消除；反常组织采用从新退火消除；带状组织通过加快正火冷却速度可以得以减轻。

正火后的工序就是检验，可通过外观、硬度、畸变和金相来检验。

1.外观：

正火后工件表面不能有裂纹及伤痕等缺陷。

2.硬度：

正火后若硬度不均（组织不均）将影响切削性能和最终热处理质量，因此表面硬度的误差应符合相关规定。

3.畸变：

畸变量应控制在不影响后续的机械加工和使用范围。

4.金相：

结构钢正火后的金相组织一般应为均匀分布的铁素体+片状珠光体，晶粒度在5~8级，脱碳层的深度一般不超过毛坯或工件牛角加工余量的1/3或2/3.

4.2齿轮的渗碳

齿轮的渗碳，渗碳是将工件置于具有足够的碳势的介质中加热到奥氏体状态并保温，使其表层形成一个富碳层的工艺。

渗碳的基本原理，

（1）渗碳介质的分解，气体渗碳方式分为两类：

一类是用吸热方式或放热方式可控气氛作为载气体，另外再加入某种碳氢化合物气体（如甲烷，丙烷，天然气等）作为富化气可提高和调节气氛的碳势，另一类是将含碳有机液体直接滴入渗碳炉，使之炉中产生所需要的气氛。

不论是哪种气氛，产生方式，气氛中的主要组成物是CO,CO2,CH4,H2,H2O等，其中CO和CH4是起增碳作用的，其余是起脱碳作用的。

（2）碳原子的吸收，要使反应生成的活性碳原子被钢件表面吸收，必须满足以下条件：

一、工件表面应清洁，无外来阻挡，为此工件入炉前务必清理表面；二、活性碳原子被吸收后，剩下的CO2，H2,H2O需要及时被驱散，否则增碳反应无法继续进行下去，就要求炉气有良好的循环；三、控制好分解和吸收两个阶段的速度，使之恰当配合，如供给碳原子的速度（分解速度）大于吸收速度，工件上便会出现积碳，一定程度上影响吸收速度。

（3）碳原子的扩散，碳原子由表面向心部的扩散是渗碳得以进行并获得一定深度渗层所需要的，扩散的驱动力是表面与心部间的碳浓度梯度。

渗碳后钢件的机械性能，渗碳可以大大改善机械性能，特别是使硬度，耐磨性和疲劳强度明显提高，因此渗碳是热处理中最重要最常见的一种有效强化方法。

渗碳温度，气体渗碳，齿轮渗碳温度常用920~930℃，，为了减小畸变，对要求渗碳层较浅的齿轮，可采用较低的渗碳温度。

渗碳层深度为1.0~14mm时，渗碳温度为920+或-10℃，因为渗碳温度在Ac3以上，考虑碳在钢中扩散速度等因素，目前在生产中广泛采用温度为920~930℃，随着渗碳层温度的升高，碳在钢中的扩散速度呈指数上升，渗碳加快，但渗碳温度过高会造成晶粒粗大，工件畸变增大，设备寿命降低等负面效应。

根据20SiMnVB钢的渗层深度与渗碳时间的关系，渗碳保温时间一般为5小时。

渗碳后的组织，表面为碳化物+珠光体+铁素体；心部为珠光体+铁素体。

渗碳后的检验，一、渗碳件的表面不得有裂纹、碰伤、锈蚀等缺陷；二、表面硬度和心部硬度应达到技术要求；三、用金相法或断口法测得渗层深度仅能作为产品中间检验指标，而渗碳后淬火，回火的最终质量指标，只能采用硬度法所测得的有效硬化层深度来判断。

4.3淬火工艺

淬火的目的是提高齿轮表面硬度及耐磨性，而且与经过适当预先热处理的心部良好组织相配合，可获得很高的强韧性与疲劳强度。

渗碳后淬火温度为860~880℃，渗碳后直接淬火，淬火采用热油淬火。

淬火加热时间，工件在炉中的加热时间应能保证必要的组织转变和扩散过程进行，影响加热时间的因素很多，如材质，工件的形状和尺寸、加热介质、加热温度、加热时间等。

T=AKD（T:

加热时间min;A：

加热系数取1.3~1.6；D:

工件有效厚度mm;K：

装炉条件修正系数，通常取1~1.5）

淬火冷却介质采用油冷。

淬火后的组织：

表层为高碳马氏体+碳化物+残余奥氏体；心部为低碳马氏体+残余奥氏体+铁素体。

淬火硬度，表层获得高碳马氏体+碳化物+残余奥氏体，硬度可达60~62HRC；心部为低碳马氏体+残余奥氏体+铁素体，硬度为35~40HRC。

淬火后的检验，根据工艺要求，检验淬火工件的外观、畸变、硬度等。

外观上工件表面不得有裂纹，影响最终质量的烧伤，磕碰划伤等缺陷；硬度，工件淬火后的硬度应大于或等于要求的硬度范围的中限，硬度测定位置应按工艺的规定，对于局部淬火件不应在淬火区与未淬火区的交界部分测定硬度。

4.4回火工艺

渗碳加淬火后的回火，其目的是提高淬火钢的塑性和韧性，降低脆性，同时也不可避免的降低了强度和硬度；回火的另一目的是降低或消除淬火引起的残余内应力，这对于稳定工件的尺寸特别重要。

回火温度为180+或-10℃，由于渗碳钢零件要求表面具有很高的硬度，耐磨性，同时要求心部具有较好的塑性和韧性，因此低温回火可以满足性能要求，故温度t:

180~200℃,t取180+或-10℃。

保温时间，根据空气回火炉保温时间表及工件厚度可以计算保温时间为120分钟。

加热方式，用空气电阻炉采用到温加热方式，可以减少工件加热时间，回火后硬度下降较少。

加热介质是空气，回火设备采用与正火相同的R*3-30-9箱式电炉。

4.5齿轮的喷丸强化

喷丸处理是工厂广泛采用的一种表面强化工艺，喷丸可提高零件机械强度以及耐磨性，抗疲劳和耐蚀性等。

还可用于表面消光、去氧化皮和消除铸锻，焊件的残余应力等，喷丸可显著提高渗碳齿轮表面的残余应力，从而提高齿轮的疲劳寿命，但要对喷丸参数进行合理的选择，防止过度喷丸，以免产生表面缺陷，降低强化效果。

4.6齿轮的矫直

矫直机是矫直的主要设备，用于矫正零件的翘曲变形，矫直有热矫和冷矫两类。

热矫，又有不同的方法，一种是利用焊枪局部加热零件，使零件的应力释放或从新分布，或再敲击或施压，从而矫正零件的翘曲变形；另一种是利用零件仍在热处理的热（或奥氏体组织）状态下进行矫直，适用于大尺寸的轴类，板件或矫直时易断裂的零件，以及冷矫直后弹性作用变形容易反弹的零件。

冷矫直是在热处理后，用于动机械、工具或压力机加压，以矫正零件的翘曲变形。

第5章总结

热处理工艺在齿轮等零件的生产制造中应用非常广泛和重要，从正火、渗碳到淬火回火，构成了热处理工艺过程的重要环节，每一环节都彼此紧密联系，前一工序直接影响后一工序的进行，在实际生产中应当注意每一环节的工艺要求，避免不必要的损失。

只有制定一套完善合理的热处理工艺，才能优质高效的生产出合格的产品，并且能减低成本，提高企业的经济效益。

而且必须从实际出发综合考虑企业对热处理工艺的管理水平，生产条件等。

严格依据热处理相关技术指标生产出的产品才是优质的合格的。

通过这次设计，即将走向工作岗位的我又多了一份信心，让我再次回顾了我大学四年所学的专业知识，培养了我综合分析问题解决问题的能力，为我今后的工作奠定了专业基础。

参考文献：

【1】中国机械工程学会热处理学会《热处理手册》编委会编.热处理手册.2.北京：

机械工业出版社，2001.2

【2】中国机械工程学会热处理学会《热处理手册》编委会编.热处理手册.3.北京：

机械工业出版社，2001.2

【3】中国机械工程学会热处理学会《热处理手册》编委会编.热处理手册.4.北京：

机械工业出版社，2001.2

【4】戴超勋主编.金属材料学.北京：

化学工业出版社，2005.6