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1、(10)申请公布号 CN 103302464 A (43)申请公布日 2013.09.18 CN 103302464 A *CN103302464A* (21)申请号 201310261561.2 (22)申请日 2013.06.26 B23P 15/14(2006.01) C21D 1/18(2006.01) C21D 1/42(2006.01) C21D 9/32(2006.01) C23C 8/26(2006.01) C23F 17/00(2006.01) (71)申请人 天津市天瑞硬化工程有限公司 地址 300457 天津市滨海新区开发区第三大 街海望园 63 门 201 (72)发明。
2、人 张元增 (74)专利代理机构 天津盛理知识产权代理有限 公司 12209 代理人 王融生 (54) 发明名称 轿车变速器齿轮抗疲劳制造方法 (57) 摘要 轿车变速器齿轮抗疲劳制造方法， 依次进行 锻造制坯， 预先热处理 （等温正火） ， 齿坯加工， 滚 齿， 齿部强韧化处理 （齿部 2 次感应加热循环淬 火） ， 修正基准至图纸要求， 滚齿， 剃齿， 气体渗氮 工艺方法。应用本发明可以廉价高效地批量生产 6级乃至6级以上的精密轿车齿轮， 且承载能力可 以和合金渗碳钢相媲美。采用本发明方法制造的 轿车变速器齿轮可以取代现有技术中的渗碳淬火 齿轮。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页。
3、 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103302464 A CN 103302464 A *CN103302464A* 1/1 页 2 1. 一种轿车变速器齿轮抗疲劳制造方法， 其步骤如下 ： （一） 模锻制坯， 无须淬透性控制钢 ； （二） 等温正火， 硬度 170 197HB， 平均晶粒度为 6 7 级 ； （三） 齿坯精加工， 预留基准修正量 0.3 0.5mm ； （四） 半精滚齿， 按 8 级精度加工， 公法线留余量 1 1.5mm ； （五） 齿部强韧化热处理， 。
4、采用单频或双频的大功率感应加热电源， ， 对齿部进行 2 次循 环加热淬火， 使其晶粒度达到 10 12 级， 在齿根以下 2mm 范围内及其齿廓处 4 5mm 深度 范围内获得全马氏体， 其超细板条马氏体须在电子显微镜下评定， 其评定的原则应服从各 档位齿轮的设计寿命要求 ； 淬火后须及时回火， 回火后硬度应在 32 35HRC 范围 ； （六） 按 5 6 级齿轮精度要求修正基准 ； （七） 按 5 6 级精度精滚齿， 刀具为剃前滚刀， 公法线留剃量 0.06 0.12 ； （八） 径向剃齿， 按图纸要求做径向剃齿， 鼓形量小于 10m ； （九） 气体渗氮， 轿车变速器圆柱齿轮模数均小于。
5、 3.5， 此时硬度法渗氮层深度 0.5 0.6mm， 表面硬度 750 850HV 均可满足工况要求 ； 以上工艺可称为滚、 滚、 剃制齿工艺， 这足以区分现行渗碳淬火的滚剃热工艺。 权 利 要 求 书 CN 103302464 A 2 1/4 页 3 轿车变速器齿轮抗疲劳制造方法 技术领域 0001 本发明属于齿轮制造领域， 轿车变速器齿轮制造方法， 特别涉及的一种轿车变速 器齿轮抗疲劳制造方法。 背景技术 0002 现在世界年产轿车约 4000 万辆以上， 变速器齿轮生产总量占齿轮生产总量的 90% 以上， 这是一个产量相当可观的领域。现有技术中轿车变速器齿轮 （本发明主要涉及圆柱 齿轮。
6、） 统统采用渗碳淬火工艺， 也曾采用过碳氮共渗工艺， 由于该工艺存在内氧化的金相组 织缺陷， 故而碳氮共渗工艺已转向渗碳和负压渗碳。目前轿车变速器齿轮的精度一般规定 为 7-6-6（GB10095-88） ， 但渗碳淬火后齿轮的精度均达不到这个精度级别。修正热处理 变形的方法只有采用蜗杆磨齿机磨齿， 这是一项投资大、 效率低、 维护成本高的权宜之计。 有些经验丰富的齿轮厂对噪声提出悦耳的要求， 他们通过人工修正齿轮的局部齿面从而减 少齿轮碰撞噪音， 但这种修正热处理变形的作业方法很难加以推广。很明显齿轮噪声就是 由于齿轮的形状误差产生齿轮间碰撞的结果。随着轿车发动机转速的不断提高， 现在达 8。
7、000rPm 以上， 伴随功率的加大， 齿轮的噪声就愈加突出。以上状况是人们已经采用了 淬透性控制钢种， 优质的专用淬火油品， 装备精良的箱式多用炉或无马弗贯通式气体渗碳 炉， 并且采用高精度碳势测量仪 （氧探头） 等等措施后依然解决不了 7-6-6 级齿轮的精度。 0003 为了应对渗碳淬火的变形， 人们转向负压渗碳 （解决内氧化缺陷） ， 高压高流率氮 气淬火， 淬火的气压已从 20bar 升到 40bar， 对于模数稍大和轮毂较厚的齿轮就淬不上火 了， 结果仍回到油淬， 即便如此， 这种昂贵的设备和昂贵的作业方式依然保不住 7-6-6 级精 度。 0004 以上便是当今轿车齿轮行业普遍面。
8、临的现状， 技术进步在此出现了停滞。 0005 此外， 我们还应关注轿车变速器自己的技术进步， 那就是双离合变速器的逐步普 及， 这要求齿轮行业提供更加精密的修形齿轮， 如6-6-6级或5级精度或者创造出一种热处 理变形离散度小甚至趋于零的新工艺。 0006 齿轮的质量主要由两方面的指标来评定的， 一是形状精度， 二是疲劳寿命， 二者彼 此即独立又相关。现在高档次的滚齿机已能批量高效地生产出第一公差组为 4 级的超高精 度齿轮， 与之配套的滚齿刀具已达AAA级， 剃前滚刀和剃齿刀均已能生产AA级， 而且粉末冶 金高速钢刀具已能批量供货。以上内容表明， 齿轮机床和刀具已能保证滚剃制齿工艺高 效率。
9、地生产 6-6-6 级精度的齿轮， 甚至是 5 级精度， 而用昂贵的蜗杆磨齿机去生产 6 级精度 的齿轮则是极不经济的。 0007 现有技术告知我们三件事， 其一通过热处理及相关手段进一步减少变形并期盼不 磨齿而获得 7-6-6 级精度的渗碳淬火齿轮已是无望的 ； 其二高级别轿车变速器亟待提供物 美价廉的5-6级精度的高精度齿轮 ； 其三机床、 工具行业已能提供滚齿精度为4-5级和加工 中硬齿面的滚刀和剃齿刀。 这为我们创新轿车变速器齿轮的制造方法提供了有利的技术条 件和物质条件。 说 明 书 CN 103302464 A 3 2/4 页 4 0008 发明的内容 0009 本发明的目的在于提。
10、供一种轿车变速器齿轮抗疲劳制造方法， 以滚、 剃制齿为齿 部精加工方法的高疲劳强度精密渗氮齿轮制造方法， 本发明的目的还在于提供一种低能 耗， 对环境零污染的复合热处理工艺， 本发明的目的还在于用此工艺取代轿车齿轮现行的 渗碳淬火工艺， 从而实现齿轮的高精度 （5 6 级） 和长寿命 （精度保持性超过渗碳淬火） 。 0010 为了实现上述目标， 本发明的轿车变速器齿轮抗疲劳制造方法由以下工序组成 ： 0011 （一） 模锻制坯。 （无须淬透性控制钢） 0012 （二） 等温正火， 硬度为 HB170 197， 平均晶粒度为 6 级。 0013 （三） 齿坯精加工， 预留基准修正量 0.3 0.。
11、5mm。 0014 （四） 半精滚齿， 按 8 级精度加工， 公法线留余量 1 1.5mm。 0015 （五） 齿部强韧化热处理， 采用大功率感应加热电源 （单频或双频） ， 对齿部进行 2 次 循环加热淬火， 使其晶粒度达到 10 12 级， 在齿根以下 2mm 范围内及其齿廓处 4 5mm 深 度范围内获得全马氏体， 其超细板条马氏体须在电子显微镜下评定， 其评定的原则应服从 各档位齿轮的设计寿命要求。 淬火后须及时回火， 回火后硬度应在3235HRC范围为最佳。 0016 （六） 按 5 6 级齿轮精度要求修正基准。 0017 （七）按 5 6 级精度精滚齿， 采用高精度剃前滚刀， 公法。
12、线长留剃量 0.06 0.12mm。刀具材料为超硬高速钢或粉末冶高速钢。 0018 （八） 径向剃齿， 齿向修形成鼓形， 鼓形量小于 10m。剃刀采用普通高速钢 + 渗氮 提高表面硬度至 HRC70 时， 剃齿效果优于正火态组织。 0019 （九） 气体渗氮， 轿车变速器圆柱齿轮模数均小于 3.5， 此时渗氮层深度 （硬度法） 0.5 0.6mm， 表面硬度 750 850HV 均可满足工况要求。 0020 本发明的创新点归纳如下 ： 0021 （一） 轿车变速器齿轮在百余年的技术发展中是以渗碳淬火为主线的。本发明则以 感应加热淬火与气体渗氮组成复合热处理取代渗碳淬火工艺， 从而形成一条轿车变。
13、速器齿 轮全新的齿面硬化技术发展路线， 这是一次重大的技术突破。 0022 （二） 现有技术中轿车变速器齿轮疲劳强度的提高主要是通过合金化的途径实现 的， 如Mn-Cr系钢的共析点降至0.65%左右， 而SAE8620H,8622H钢的共析点则接近0.9%， 而 我国普遍使用的 Cr-Mn-Ti 钢的共析点则在 0.8% 附近， 此外还通过增加合金元素的量来调 整齿轮渗碳淬火后的疲劳强度， 等等。 本发明则专注于齿轮基体的强韧化， 或者说通过实现 中碳合金结构钢板条马氏体的超细化手段来实现齿轮的超高疲劳强度的。 这种通过感应加 热工艺手段及第二相质点的纳米化来提高齿轮承载能力显然是一项技术与经。
14、济俱佳的方 法。 0023 （三） 现有技术中轿车齿轮的精密化几乎已全部走上了渗碳淬火磨齿的低效高成 本的工艺路线。本发明采用的滚剃制齿工艺本来是轿车齿轮的主导工艺， 由于发动机的 高速化以及自动变速器和双离合变速器的应用， 对齿轮的精度和噪声提出了日益苛刻的要 求， 原有滚、 剃、 渗碳淬火的传统工艺已不能满足 7-6-6 级精度的要求， 不得已只好转向用 蜗杆磨齿机床磨齿， 但应指出， 磨齿只能以 7 级精度为限， 如磨 6 级精度齿轮则会大幅度降 低生产率， 提高生产成本。 本发明在开齿后对齿部采用感应加热强韧化处理后， 面对中硬齿 面的下限硬度 （32-35HRC） 进行再一次微切削量。
15、的滚剃加工， 则无须顾及感应加热淬火产生 说 明 书 CN 103302464 A 4 3/4 页 5 的变形， 这样即充分发挥现代齿轮机床高精密加工的技术价值 （滚齿可达到 4 级， 剃齿可达 6级） ， 又可收获轿车齿轮精密化立竿见影的效果。 应当看到， 轿车齿轮今后的发展方向不是 无休止的发展高疲劳强度， 而是要实现高精密化 （5-6 级精度） 。本发明在疲劳强度方面的 优势将能满足轿车变速器齿轮以及电动汽车齿轮中长期的发展需求。 本发明这一创新点恰 好满足轿车齿轮廉价、 高效、 稳定地实现齿轮精密化的迫切需求。 0024 （四） 本发明的又一创新点就是不再使用淬透性控制钢种， 而将材料。
16、的质量控制转 向纯净度的提高和氧含量的降低， 这将有利于齿轮疲劳寿命的大幅度提高。对轿车齿轮而 言， 节圆和齿根处的淬硬深度一般不超过 5mm， 这对于任何一种合金结构钢都不成问题， 淬 硬层的深度通过电源频率的选择就可以方便地调节， 这与现有技术中齿轮整体加热淬火迥 然不同。这一创新方便了工厂的材料管理， 同时也减少了轿车齿轮钢种的数量。这将充分 体现材料科学是齿轮行业科技进步的核心。 0025 （五） 本发明的又一创新点是将齿轮表面基体金相组织的强韧化通过感应加热完 成的， 它实现了齿轮的逐件生产模式， 通过感应加热设备的数值模拟技术， 极大地实现了大 批量生产中的齿轮质量的一致性， 并可。
17、实现在线淬火质量检测， 这与现行的渗碳淬火工艺 相比是一次生产模式的飞跃， 并由此实现热处理作业的零污染， 零排放， 以及设备的高水平 智能化。 0026 总之， 本发明的各项举措最大限度地包容了汽车工作者对轿车齿轮技术发展的期 盼。 这项发明突出了一个巧字， 它虽然实现了轿车齿轮天翻地覆地技术转型， 但实施这一发 明却无须大动干戈， 另有相应装备与之配套。 0027 本发明具有明显的经济技术优势。其一， 齿部精加工采用滚剃工艺 + 渗氮后， 将可 稳定地获得6-7级精度， 这比磨齿工艺节约工时2倍以上， 成本下降2倍以上， 甚至更多。 其 二， 与渗碳淬火工艺相比， 能耗将下降 60% 以上。
18、。其三， 由于采用感应加热和气体渗氮， 因此 实现了零排放， 零污染的热处理作业。 其四， 该发明可以满足轿车变速器齿轮及广泛领域的 圆柱齿轮中长期强度和精度的需求。 0028 采用本发明工艺， 促成热处理装备的智能化与零污染， 有利于冷热设备的直接衔 接， 因此可去消独立的热处理车间。 附图说明 0029 附图 1 现有技术中渗碳淬火齿轮典型工艺路线。 0030 附图 2 本发明中轿车变速器圆柱齿轮抗疲劳制造工艺路线。 0031 附图 3 应用本发明工艺制造的齿轮渗氮前齿向 （F） ， 齿形 （Ff） 检测曲线。 0032 附图 4 应用本发明工艺制造的齿轮渗氮后齿向 （F） ， 齿形 （F。
19、f） 检测曲线。 0033 附图 5 应用本发明方法制造的复合渗氮齿轮与 ZF7、 20CrMnTi 钢两种渗碳淬火齿 轮的单齿高频脉动 R-S-N 曲线。 具体实施方式 0034 以下结合附图对本发明应用实例作详细说明。 0035 首先， 结合附图 1 给出现有技术中渗碳淬火齿轮的典型工艺过程。这条典型渗碳 淬火工艺流程至今仍是汽车变速器齿轮的主导工艺， 从中可以看到滚、 剃制齿方式是汽车 说 明 书 CN 103302464 A 5 4/4 页 6 工业中的一项成熟且经济的生产方式。但这一传统工艺只能生产 7 级或 7-8 级精度的齿 轮， 此外这种工艺还存在能耗高、 污染较重的缺陷， 因。
20、此多种催生变革的因素都在助推新技 术的诞生。 0036 附图 2 给出了本发明中轿车变速器圆柱齿轮抗疲劳制造工艺路线， 其具体实施步 骤详述如下 ： 0037 1、 锻造制坯， 材料为 30Cr2MoV。 0038 2、 预先热处理、 等温正火， 要求硬度 170 197HB 0039 3、 齿坯加工， 基准处留二次加工量 0.5mm。 0040 4、 齿部精加工， 滚齿， 公法线留量 1 1.5mm。 0041 5、 齿部强韧化热处理， 选用 50KHz 超音频 IGBT 感应加热电源， 对齿部进行 2 次循 环加热淬火， 在齿根以下1.52mm及全部齿廓获得全马氏体淬硬层， 经550回火 。
21、（3小 时） 索氏体硬度为 33-35HRC。 0042 6、 修正基准， 按 6 级精度齿轮要求修正基准。 0043 7、 精滚齿， 采用 AA 级剃前滚刀精滚齿部， 留剃量 0.06 0.12mm， 按 6 级精度完成 滚齿加工。 0044 8、 径向剃齿， 采用 AA 级超硬高速钢剃齿刀剃齿至 6 级精度。 0045 9、 气体渗氮， 渗氮层深 0.6mm（硬度法检验渗氮层深度） ， 表面硬度 850 900HV。 0046 经以上 9 项工序即可完成精度为 6 级， 强度与合金钢渗碳淬火齿轮相当的优质轿 车齿轮。这种齿轮比渗碳淬火更加突出的优越性就是耐磨性提高近 1 倍， 这种性能又可。
22、称 为精度保持性。 总之， 按本发明制造的轿车变速器齿轮在技术、 经济及环保方面均优于传统 工艺。 0047 附图 3 为应用本发明工艺制造的齿轮渗氮前齿向 （F） ， 齿形 （Ff） 的检测记录。图 中为 4 个齿左、 右两面的检测记录。 0048 附图 4 为应用本发明工艺制造的齿轮渗氮后齿向 （F） ， 齿形 （Ff） 的检测记录。本 图与图 4 曲线相对应。 0049 由附图3和附图4可知， 齿形与齿向渗氮前后的变化几乎趋于零， 这表明本发明开 创的齿部二次强化即九步加工方法解决了困扰多年的热处理变形难题。 0050 附图 5 给出按本发明方法制造的 30Cr2MoV 渗氮齿轮与现行生。
23、产中常用 ZF7 钢与 20CrMnTiH 钢渗碳淬火齿轮的单齿高频脉动 R-S-N 曲线， 存活率取 99%， 图中 A 为 30Cr2MoV 钢按本发明方法处理， B 为 ZF7 钢渗碳淬火， C 为 20CrMnTiH 钢渗碳淬火。试验循环基数为 5106， 结果表明， 按本发明工艺制造的齿轮Flim为440/mm2， ZF7钢渗碳淬火齿轮Flim 为 360N/mm2， 20CrMnTiH 钢渗碳淬火齿轮 Flim 为 356N/mm2。 0051 以上实例说明了本发明的工艺特点以及诸多方面的优越性。 说 明 书 CN 103302464 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103302464 A 7 2/2 页 8 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103302464 A 8 。