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柴油发动机正时齿轮剃齿氮化加工工艺研究[摘要]在分析正时齿轮工件条件和使用性能的基础上,对采用剃齿氮化工艺加工正时齿轮进行了研究。选择了合适的材质,拟定了工艺流程,确定了各工序工艺参数,所加工的正时齿轮达到了正时齿轮的质量标准和使用要求,并对剃齿氮化和渗碳磨齿两种工艺进行了比较。[关键词]正时齿轮;剃齿;氮化1引言东风康明斯B/C系列柴油发动机是中美合资的东风康明斯柴油发动机公司的主导产品,其主要特点是马力大、油耗低和排放达标(达欧Ⅱ标准)。另外还具有良好的动力性、起动性和可靠性以及使用故障少、维修费用少等优点,其卓越的性能和良好的性价比受到用户青睐,产品一直供不应求,年产量已达10万台以上。东风康明斯柴油发动机的国产化率已达50%,其中正时齿轮是已国产化的零(部)件之一。发动机正时齿轮分曲轴正时齿轮和凸轮轴正时齿轮,曲轴通过这对啮合的正时齿轮驱动凸轮轴,使凸轮轴按一定的运动规律来控制气门的开启和关闭,同时还驱动发动机的一些附属装置。从正时齿轮的功用来看,其主要是传递运动和一部分动力(较小),其转速较高,要求传递运动准确。其失效形式主要是严重点蚀、剥落、轮齿裂纹、断齿等。因此在加工时除要求其心部有良好的综合机械性能外,还要求齿面有高的硬度和耐磨性,齿根有高的弯曲疲劳强度。其加工工艺应根据这些使用性能来正确确定。制造东风康明斯柴油发动机正时齿轮,目前国内采用的是渗碳淬火磨齿工艺,选用材质20CrMnTi,其生产工艺路线为:锻造毛坯→正火→齿坯粗加工→齿坯精加工→滚齿→齿端加工→拉键槽→渗碳淬火及低温回火→喷丸→磨内孔及端面→磨齿→防锈包装。该工艺为了满足正时齿轮的使用条件,热处理工序采用了渗碳淬火及低温回火,但热处理后零件变形较大,故又增加了精基准修正工序和磨齿工序,由于磨内孔、磨端面和磨齿工序效率较低,设备投资较大,加工成本较高。剃齿氮化工艺用于加工正时齿轮的工作目前国内尚未开展,因此研究正时齿轮加工的剃齿氮化新工艺,提高功效、降低成本,对企业、用户和社会都有十分重要的现实意义。2正时齿轮剃齿氮化加工工艺选用材质和工艺流程2.1剃齿氮化工艺选用的材质剃齿氮化工艺选用材质38CrMoAl。38CrMoAl是国内应用最广泛、也是较成熟的高级氮化钢。合金元素Cr、Mo在渗氮时能改变氮的活度系数,从而提高氮在α2Fe中的溶解度,形成过饱和的含氮铁素体,形成固溶时效强化。Cr、Mo、Al还是强氮化物形成元素,与氮有较强的亲和力,在渗氮时形成与母相共格的稳定的氮化物且弥散分布,使渗氮层具有极高的硬度(合金氮化物的沉淀强化)。另外,合金元素Cr能增加淬透性,Mo在高温回火时能抑制第二类回火脆性,Al能加速合金钢的氮化过程。38CrMoAl经调质氮化后,具有良好的综合机械性能,表面硬度、疲劳强度、抗蚀性均较高,能满足正时齿轮的性能要求。2.2剃齿氮化加工工艺流程及分析2.2.1剃齿氮化工艺流程剃齿氮化工艺流程为:锻造毛坯→正火→齿坯粗加工→调质→齿坯精加工→滚齿→齿端加工→拉键槽→剃齿→清洗→氮化→防锈包装。本工艺齿形加工采用“滚齿+剃齿”的方法,正时齿轮属7-8-8级精度齿轮,采用“滚齿+剃齿”方法理论上能够满足齿轮加工精度。[1](P228)本工艺热处理工序采用氮化处理,且氮化处理是齿轮整个制造过程中的最后一道工序,为保证齿轮心部具有良好的机械性能,消除加工应力,减少氮化过程中的变形以及获得最好的氮化层性能,故安排调质处理作为氮化前热处理,以获得回火索氏体组织。另外38CrMoAl钢由于其中含有Mo和Al,加热时脱碳倾向较严重,脱碳层将导致氮化后材质脆性增加和硬度不足,因此调质工序安排在齿坯精加工前进行,以便调质后除去脱碳层。氮化前安排清洗工序主要是除去工件上的油污和锈斑,并进行烘干,为氮化工序做准备。由于氮化是最后一道工序,还应正确选择氮化工艺,使氮化后齿轮的变形量最小,以满足齿轮的精度要求。2.2.2齿形加工剃齿是齿形加工的最后一道工序(齿形精加工)。由于剃齿加工是剃齿刀与工件的自由齿合,因此对滚齿后齿轮的短周期误差(如齿形误差、齿向误差、螺旋线波度误差及齿面粗糙度)有一定的修正能力,但对齿轮的长周期误差(如公法线长度变动量、齿距累积误差、径向综合公差等)修正能力有限。因此,齿轮的长周期误差应在滚齿工序予以控制。由于长周期误差主要是由机床传动误差导致的运动偏心和工件安装误差导致的几何偏心引起的,因此在滚齿工序应严格控制运动偏心和几何偏心,使滚齿后齿轮第一公差组检测项目精度等级达到6级或6级到7级之间,第一、第三公差组检测项目精度等级至少达到8级。对剃齿工序,通过正确选择工艺参数和通过试验获得正确的剃齿刀修形曲线来满足齿形加工精度。2.2.3热处理工序(1)正火:正火属预备热处理,目的是消除或改善锻造毛坯所造成的各种组织缺陷,消除内应力,获得最有利切削加工的组织和硬度,细化晶粒,为最终热处理做好组织准备。(2)调质:调质的目的是改善材料的机械加工性能,获得高强度与良好的塑性及韧性的配合,提高齿轮的综合机械性能,齿轮心部的机械性也能由此得到保证。调质处理效果好坏对氮化质量有很大影响,38CrMoAl钢由于含Al的铁素体稳定性高,加热时不易溶于奥氏体中,若淬火温度太低或保温时间不足,以致铁素体未能完全溶入奥氏体中,调质后有游离铁素体存在,氮化时易形成针状氮化物,使氮化层脆性增大,容易剥落。若淬火温度过高,奥氏体层晶粒变粗,氮化物优先沿晶界伸展,在氮化层中呈明显的波纹状或网状组织,也使脆性增加。调质的回火温度对齿轮的机械性能和硬度也有较大影响,由于调质后还需进行齿坯精加工和切齿加工,因此调质后工件硬度必须合适,要通过选择合适的回火温度来使工件获得合适的硬度。调质工序的工艺曲线和调质后的金相组织如图1、图2所示。调质后表面不允许出现游离铁素体,心部游离铁素体量不允许大于5%,以保证心部强度。图1调质工序的工艺曲线图2调质后的金相组织(3)氮化:氮化的目的是提高轮齿的表面硬度、耐磨性和弯曲疲劳强度。齿轮渗氮可以得到比渗碳更高的齿面硬度,可以使齿根弯曲强度提高50%～80%,[2](P130)齿面的接触疲劳强度与齿面的强度和硬度成正比,耐磨性随碳氮化合物的层深而增加。因此,只要正确选择渗氮工艺,正确选择渗氮温度、保温时间等工艺参数,正时齿轮渗氮后能够满足使用性能要求。氮化工序的工艺曲线如图3所示,选择辉光离子软氮化工艺,氮化介质选择N2、H2和C3H8的混合气。图3氮化工序的工艺曲线氮化后的金相组织如图4所示,表面白亮层为含碳合金氮化物,其厚度约0.008mm,深黑区扩散层是含氮索氏体,其厚度约0.25mm,浅灰区为心部回火索氏体组织。整个渗氮层的厚度≥0.25mm,表面硬度HV≥700,渗氮层脆性为1～2级,扩散层中只允许有少量或极少量呈脉状分布的氮化物。图4氮化后的金相组织3剃齿氮化工艺的技术经济分析工艺方案的技术经济分析可分为两种情况:一是对不同工艺方案进行工艺成本的分析和比较;二是按某些相对技术—15—柴油发动机正时齿轮剃齿氮化加工工艺研究指标进行比较。下面对正时齿轮加工的剃齿氮化工艺和渗碳磨齿工艺进行单件工艺成本、基本投资、生产效率的分析比较。以年生产纲领10万套、两班制流水线组织生产进行计算,其生产节拍为:T节拍=(年时基数×60)/年产纲领(min/件)(1)由(1):T节拍=(22×12×14×60)/100000=2.22min按工艺流程计算各工序的单件加工时间Td,按下式计算各工序设备负荷率η:η=Td/T节拍(2)设备负荷率η在90%以上的工序,为限制性工序,这时需增加平行工序,以达到平衡工序单件时间,满足生产节拍需要的目的。[3](P174)单件工艺成本按下式计算:Ed=(V+S/N)(3)其中Ed:单件工艺成本(元/件);V:可变费用(元/件)(包括材料费Cc、机床工人工资Cjg、机床电费Cd、普通机床折旧费Cwz、普通机床修理费Cwx、刀具费Cda、万能夹具费Cwj);S:不变费用(元)(包括调整工人工资Ctg、专用机床折旧费Czz、专用机床修理费Czx、专用夹具费Czja);N:年产量(件)。按以上原则对剃齿氮化工艺每道工序进行计算,为完成生产纲领,曲轴正时齿轮和凸轮轴正时齿轮各需建成4条生产线,需普通机床投资836.2万元,专用机床投资548万元,设备总投资为1384.2万元。单件时间定额为179.43分钟,需操作工人114人,调整工4人。单件工艺成本为108.3元。按以上同样方法计算渗碳磨齿工艺需设备投资2030万元,单件时间定额为199分钟,单件工艺成本为136元。4结论(1)选择38CrMoAl钢,采用剃齿氮化工艺加工的东风康明斯柴油发动机正时齿轮,通过质量检验,达到了正时齿轮的质量标准,能满足正时齿轮的使用要求,可以确定为正时齿轮加工的一种新的工艺。(2)以年生产纲领10万套计算,正时齿轮加工的剃齿氮化工艺与渗碳磨齿工艺相比,设备投资节省31.8%,单件工艺成本降低20.4%,生产效率提高9.8%。由于剃齿氮化工艺硬化层较薄,氮化后没有齿形修正工序,齿形精度没有渗碳磨齿工艺高,因此齿轮寿命略有降低。(3)剃齿氮化工艺主要适用于承受较小载荷的高速精密齿轮的加工,不适用于承受中、重载荷的齿轮加工。