一種汽車發動機用凸輪軸齒輪液態模鍛工藝的製作方法

2023-12-02 18:50:41

本發明涉及一種汽車發動機用凸輪軸齒輪液態模鍛工藝。
背景技術：
：汽車發動機是為汽車提供動力的發動機，是汽車的心臟，影響汽車的動力性、經濟性和環保性。根據動力來源不同，汽車發動機可分為柴油發動機、汽油發動機、電動汽車電動機以及混合動力等。凸輪軸是活塞發動機裡的一個部件。它的作用是控制氣門的開啟和閉合動作。雖然在四衝程發動機裡凸輪軸的轉速是曲軸的一半(在二衝程發動機中凸輪軸的轉速與曲軸相同)，不過通常它的轉速依然很高，而且需要承受很大的扭矩，因此設計中對凸輪軸在強度和支撐方面的要求很高，其材質一般是特種鑄鐵，偶爾也有採用鍛件的。由於氣門運動規律關係到一臺發動機的動力和運轉特性，因此凸輪軸設計在發動機的設計過程中佔據著十分重要的地位。而凸輪軸齒輪通常指的是直接聯接在凸輪軸一端的齒輪，它與曲軸一端上的正時齒輪互相嚙合，使得凸輪軸能按2：1的傳動比例隨著曲軸旋轉，從而準時壓動氣門，保證發動機四個衝程的進換氣。發動機用凸輪軸齒輪是保證發動機正常運轉的重要部件，其性能的好壞對發動機的運行有著重要影響，汽車發動機用凸輪軸齒輪生產大多採用鍛造工藝，鍛造是一種利用鍛壓機械對金屬坯料施加壓力，使其產生塑性變形以獲得具有一定機械性能、一定形狀和尺寸鍛件的加工方法，鍛壓(鍛造與衝壓)的兩大組成部分之一。通過鍛造能消除金屬在冶煉過程中產生的鑄態疏鬆等缺陷，優化微觀組織結構，同時由於保存了完整的金屬流線，鍛件的機械性能一般優於同樣材料的鑄件。相關機械中 負載高、工作條件嚴峻的重要零件，除形狀較簡單的可用軋制的板材、型材或焊接件外，多採用鍛件。其中，鍛造用料主要是各種成分的碳素鋼和合金鋼，其次是鋁、鎂、銅、鈦等及其合金。材料的原始狀態有棒料、鑄錠、金屬粉末和液態金屬。金屬在變形前的橫斷面積與變形後的橫斷面積之比稱為鍛造比。正確地選擇鍛造比、合理的加熱溫度及保溫時間、合理的始鍛溫度和終鍛溫度、合理的變形量及變形速度對提高產品質量、降低成本有很大關係。而液態模鍛，又稱擠壓鑄造、連鑄連鍛，是一種既具有鑄造特點，又類似模鍛的新興金屬成形工藝。它是將一定量的被鑄金屬液直接澆注入塗有潤滑劑的型腔中，並持續施加機械靜壓力，利用金屬鑄造凝固成形時易流動和鍛造技術使已凝固的硬殼產生塑性變形，使金屬在壓力下結晶凝固並強制消除因凝固收縮形成的縮孔縮松，以獲得無鑄造缺陷的液態模鍛製件。人們通常把這種方法稱之為液態模鍛。目前，對於汽車發動機用凸輪軸齒輪的鍛造，目前國內主要存在如下文獻：專利公開號：CN203900355U，公開了一種凸輪軸齒輪毛坯精鍛生產用組合模具，其特徵在於：它由壓機用組合模和衝床用組合模構成；所述的壓機用組合模，包括壓機用上模固定板、壓機用上模、壓機用上模壓圈、壓機用下模、壓機用頂杆、壓機用下模壓圈、壓機用滑柱定位套、壓機用滑柱和壓機用下模固定板；所述的衝床用組合模，包括衝床用上模定位板、衝床用上模、打板、打杆、衝床用上模壓圈、切邊定位模、衝床用下模墊板、滑動下模、衝杆、衝床用下模定位板、卸料杆和彈簧。該組合模具，容易裝配，操作簡單，勞動強度低，便於加工，可以一次鍛造出凸輪軸齒輪毛坯，有利於節材、節能、提高生產效率。然 而，該專利主要提供凸輪軸齒輪的精鍛模具，對於凸輪軸齒輪的具體生產工藝並未提及。技術實現要素：為解決上述存在的問題，本發明的目的在於提供一種汽車發動機用凸輪軸齒輪液態模鍛工藝，採用液態模鍛方式進行齒輪加工鍛造，省力、節能、材料利用率高，坯件即接近凸輪軸齒輪的最終加工齒輪，模鍛質量高，所得齒輪硬度高，耐磨性好，耐腐性高，鍛壓成本低，鍛壓工藝對環境友好。為達到上述目的，本發明的技術方案是：一種汽車發動機用凸輪軸齒輪液態模鍛工藝，所述工藝包括如下步驟：1)冶煉按下述化學成分採用電爐進行冶煉、精煉得鋼液，鋼液出爐溫度為1100～1200℃；其化學成分質量百分比為：C：0.25～0.3％，Si：0.3～0.45％，Mn：0.80～1.15％，Cr：1.20～2.5％，P：0.015～0.018％，Al：0.05～0.07％，Ni：0.8～1.25％，Mo：0.3～0.35％，B：0.01～0.08，W：0.08～0.15％，Nb：0.08～0.15％，餘量為Fe和不可避免的雜質；2)設計模具根據凸輪軸齒輪的形狀和結構設計液態模鍛模具，包括凹模和凸模，模具凹模內腔直徑為150～210mm，凹模高度180～200mm，凸、凹模單邊間隙0.5～1mm；3)液態模鍛將液態模鍛模具固定於間接擠壓鑄造機上，先將模具預熱至100～200℃，在所述液態模鍛模具凹模內依次塗覆脫模劑和潤滑劑，然後將模具升溫至800～900℃，然後將1100～1200℃的鋼液澆注到所述液態 模鍛模具中，澆築時間5～10s，然後將模具升溫至1250～1300℃，凸模以20～30mm/s的速度下行加壓充型，以100～120MPa的壓力繼續推動凸模對鋼液持續施壓，保持壓力，直至鋼液完全凝固，以130～150MPa的壓力保壓50～60s，出模冷卻，得凸輪軸齒輪坯件，將坯件冷卻至300～400℃，保溫10～15小時；4)正火將所述坯件置於正火爐中，以1.5～2℃/min的速率升溫至680～700℃，再以1.0～1.5℃/min的速率升溫至960～1050℃，保溫2～2.5小時出爐，空冷至室溫，冷卻速度10～15℃/min；5)車削加工採用數控車床對正火處理後的毛坯進行車削加工，進行切邊、衝孔，同步完成坯件孔徑、端面及外圓的加工，孔徑、端面及外圓分別預留1～2mm的加工餘量，整體表面粗造度為Ra5～6μm；6)滲碳、淬火將車削加工後的坯件置於加熱爐內，在滲碳劑中以15～20℃/min的速率升溫至900～950℃進行滲碳，滲碳時間2～4小時，將滲碳後的齒輪冷卻至810～850℃，均溫1～1.5小時，然後在80～100℃淬火油中淬火；7)回火將淬火後的坯件送入回火爐中進行回火處理，回火溫度500～550℃，保溫2～4h後，以10℃/min的速度冷卻至室溫；8)磨削加工對回火處理後的坯件的孔徑、端面及外圓進行磨削加工，磨削去除外圓加工餘量至表面粗造度為Ra0.6～0.8μm，磨削去除孔徑加工餘量至表面粗糙度為Ra0.6～0.8μm，磨削去除端面加工餘量至表面粗糙度為Ra0.6～0.8μm；9)拋丸、探傷將磨削加工後的坯件送入履帶式拋丸機進行拋丸處理，用螢光磁粉進行磁粉探傷、超聲波探傷處理；10)磷皂化處理、清理、拋光、塗防鏽油將磨削加工處理後的坯件進行磷皂化處理，清理去除表面氧化皮，送入齒輪拋光機拋光，塗覆防鏽油，乾燥，得所述汽車發動機用凸輪軸齒輪。進一步，步驟6)所用滲碳劑為煤油。另，步驟6)所述滲碳步驟中，滲碳分為起始階段、強滲階段和擴散階段，起始階段的碳勢CP為0.8～0.9C％，強滲階段的碳勢CP為0.9～1.02C％；擴散階段的碳勢0.75～0.5C％，起始階段的時間為0.5～0.8小時，強滲階段的時間1.2～2.5小時，擴散階段的時間為0.3～0.7小時。另有，所述磷皂化處理時間為1～2小時。再，步驟3)所用潤滑劑為玻璃潤滑劑。再有，步驟3)所用脫模劑包括如下重量份的成分：石蠟：20～30份，亞油酸甲酯：10～20份，硅藻土：10～15份，滑石粉：5～10份，聚丙烯酸鈉：5～10份，EDTA二鈉：1～5份，苯甲酸鈉：1～5份，氫氧化鉀：1～5份，十二烷基苯磺酸鈉：0.5～1份，去離子水適量。優選地，步驟3)所用脫模劑包括如下重量份的成分：石蠟：25～30份，亞油酸甲酯：10～15份，硅藻土：10～13份，滑石粉：7～10份，聚丙烯酸鈉：5～8份，EDTA二鈉：2～5份，苯甲酸鈉：3～5份，氫氧化鉀：1～3份，十二烷基苯磺酸鈉：0.5～0.8份，去離子水適量。優選地，步驟3)所用脫模劑包括如下重量份的成分：石蠟：25份，亞油酸甲酯：15份，硅藻土：12份，滑石粉：8份，聚丙烯酸鈉：6份，EDTA二鈉：3份，苯甲酸鈉：4份，氫氧化鉀：2份，十二烷基苯磺酸 鈉：0.7份，去離子水適量。另，所述脫模劑的製備方法包括如下步驟：將石蠟、亞油酸甲酯、硅藻土、滑石粉、聚丙烯酸鈉、EDTA二鈉、苯甲酸鈉、氫氧化鉀及十二烷基苯磺酸鈉依次加入去離子水，攪拌30～40min，得到混合液，利用高速乳化機在200～300r/min的轉速下高速乳化至均勻，乳化時間為10～15min，得乳液，將乳液進行研磨分散10～15min，得所述脫模劑。本發明的有益效果在於：所述鍛造工藝結合汽車發動機用凸輪軸齒輪結構專門設計，不需要剃齒等工序，工藝步驟設計合理，針對性強，採用液態模鍛工藝，所得鍛件組織緻密，無成分偏析，基本為等軸晶，無各向異性，結合後續鍛造，使得凸輪軸齒輪有高的抗腐蝕性能，採用特製的脫模劑，配合潤滑劑，使得模鍛模具凹模、凸模在合模、分模過程中不粘粘，不粘滯，提高液態模鍛效率，提升材料利用率，所得凸輪軸齒輪採用特製成分齒輪鋼模鍛而成，齒表面硬度為55～60HRC；有效硬化層深HV550；芯部硬度35～40HRC，適應汽車發動機運轉的特性，抗拉強度高達900～950MPa，屈服強度高達800～850MPa，在解除疲勞循環基礎N＝5×107時，惰齒輪彎曲疲勞極限σflim高達480～500MPa，通過磷皂化處理、清理、拋光、塗防鏽油處理，惰齒輪表面光澤度高，美觀實用。附圖說明圖1為本發明所提供的一種汽車發動機用凸輪軸齒輪液態模鍛工藝所得凸輪軸齒輪的結構示意圖。具體實施方式以下實施例用於說明本發明，但不能用來限制本發明的範圍。實施例中採用的實施條件可以根據廠家的條件作進一步調整，未說明的實施條件通常為常規實驗條件。參見圖1，本發明所提供的一種汽車發動機用凸輪軸齒輪液態模鍛工藝所得凸輪軸齒輪包括一圓盤100，中部開設通孔101，通孔101表面設設一圓環102，圓環102外周周向等距間隔設3個弧形凸臺103，圓盤100表面沿通孔101周向等距間隔開設有3個開孔104。本發明提供一種汽車發動機用凸輪軸齒輪液態模鍛工藝，所述工藝包括如下步驟：1)冶煉按下述化學成分採用電爐進行冶煉、精煉得鋼液，鋼液出爐溫度為1100～1200℃；其化學成分質量百分比為：C：0.25～0.3％，Si：0.3～0.45％，Mn：0.80～1.15％，Cr：1.20～2.5％，P：0.015～0.018％，Al：0.05～0.07％，Ni：0.8～1.25％，Mo：0.3～0.35％，B：0.01～0.08，W：0.08～0.15％，Nb：0.08～0.15％，餘量為Fe和不可避免的雜質；2)設計模具根據凸輪軸齒輪的形狀和結構設計液態模鍛模具，包括凹模和凸模，模具凹模內腔直徑為150～210mm，凹模高度180～200mm，凸、凹模單邊間隙0.5～1mm；3)液態模鍛將液態模鍛模具固定於間接擠壓鑄造機上，先將模具預熱至100～200℃，在所述液態模鍛模具凹模內依次塗覆脫模劑和潤滑劑，然後將模具升溫至800～900℃，然後將1100～1200℃的鋼液澆注到所述液態模鍛模具中，澆築時間5～10s，然後將模具升溫至1250～1300℃，凸模以20～30mm/s的速度下行加壓充型，以100～120MPa的壓力繼續推動凸模對鋼液持續施壓，保持壓力，直至鋼液完全凝固，以130～150MPa的壓力保壓50～60s，出模冷卻，得凸輪軸齒輪坯件，將坯件冷卻至300～400℃，保溫10～15小時；4)正火將所述坯件置於正火爐中，以1.5～2℃/min的速率升溫至680～700℃，再以1.0～1.5℃/min的速率升溫至960～1050℃，保溫2～2.5小時出爐，空冷至室溫，冷卻速度10～15℃/min；5)車削加工採用數控車床對正火處理後的毛坯進行車削加工，進行切邊、衝孔，同步完成坯件孔徑、端面及外圓的加工，孔徑、端面及外圓分別預留1～2mm的加工餘量，整體表面粗造度為Ra5～6μm；6)滲碳、淬火將車削加工後的坯件置於加熱爐內，在滲碳劑中以15～20℃/min的速率升溫至900～950℃進行滲碳，滲碳時間2～4小時，將滲碳後的齒輪冷卻至810～850℃，均溫1～1.5小時，然後在80～100℃淬火油中淬火；7)回火將淬火後的坯件送入回火爐中進行回火處理，回火溫度500～550℃，保溫2～4h後，以10℃/min的速度冷卻至室溫；8)磨削加工對回火處理後的坯件的孔徑、端面及外圓進行磨削加工，磨削去除外圓加工餘量至表面粗造度為Ra0.6～0.8μm，磨削去除孔徑加工餘量至表面粗糙度為Ra0.6～0.8μm，磨削去除端面加工餘量至表面粗糙度為Ra0.6～0.8μm；9)拋丸、探傷將磨削加工後的坯件送入履帶式拋丸機進行拋丸處理，用螢光磁粉進行磁粉探傷、超聲波探傷處理；10)磷皂化處理、清理、拋光、塗防鏽油將磨削加工處理後的坯件進行磷皂化處理，清理去除表面氧化皮， 送入齒輪拋光機拋光，塗覆防鏽油，乾燥，得所述汽車發動機用凸輪軸齒輪。進一步，步驟6)所用滲碳劑為煤油。另，步驟6)所述滲碳步驟中，滲碳分為起始階段、強滲階段和擴散階段，起始階段的碳勢CP為0.8～0.9C％，強滲階段的碳勢CP為0.9～1.02C％；擴散階段的碳勢0.75～0.5C％，起始階段的時間為0.5～0.8小時，強滲階段的時間1.2～2.5小時，擴散階段的時間為0.3～0.7小時。另有，所述磷皂化處理時間為1～2小時。再，步驟3)所用潤滑劑為玻璃潤滑劑。再有，步驟3)所用脫模劑包括如下重量份的成分：石蠟：20～30份，亞油酸甲酯：10～20份，硅藻土：10～15份，滑石粉：5～10份，聚丙烯酸鈉：5～10份，EDTA二鈉：1～5份，苯甲酸鈉：1～5份，氫氧化鉀：1～5份，十二烷基苯磺酸鈉：0.5～1份，去離子水適量。優選地，步驟3)所用脫模劑包括如下重量份的成分：石蠟：25～30份，亞油酸甲酯：10～15份，硅藻土：10～13份，滑石粉：7～10份，聚丙烯酸鈉：5～8份，EDTA二鈉：2～5份，苯甲酸鈉：3～5份，氫氧化鉀：1～3份，十二烷基苯磺酸鈉：0.5～0.8份，去離子水適量。優選地，步驟3)所用脫模劑包括如下重量份的成分：石蠟：25份，亞油酸甲酯：15份，硅藻土：12份，滑石粉：8份，聚丙烯酸鈉：6份，EDTA二鈉：3份，苯甲酸鈉：4份，氫氧化鉀：2份，十二烷基苯磺酸鈉：0.7份，去離子水適量。另，所述脫模劑的製備方法包括如下步驟：將石蠟、亞油酸甲酯、硅藻土、滑石粉、聚丙烯酸鈉、EDTA二鈉、苯甲酸鈉、氫氧化鉀及十二烷基苯磺酸鈉依次加入去離子水，攪拌30～40min，得到混合液，利用高速乳化機在200～300r/min的轉速下高速乳化至均勻，乳化時間為 10～15min，得乳液，將乳液進行研磨分散10～15min，得所述脫模劑。其中，表1為本發明各個實施例所提供的一種汽車發動機用凸輪軸齒輪液態模鍛工藝中鋼液的成分列表。表2為本發明各個實施例所提供的一種汽車發動機用凸輪軸齒輪液態模鍛工藝中脫模劑的成分列表。表3為本發明各個實施例所提的一種汽車發動機用凸輪軸齒輪液態模鍛工藝所得凸輪軸齒輪的機械性能列表。表1(單位：wt％)實施例1實施例2實施例3實施例4實施例5C0.280.260.250.30.27Si0.40.420.30.350.38Mn1.081.050.801.121.15Cr1.201.251.852.52.1P0.0160.0180.0170.0150.016Al0.060.050.070.070.05Ni1.151.250.80.91.0Mo0.350.310.350.30.33B0.050.030.010.080.06W0.100.150.120.080.13Nb0.120.090.150.080.10表2(單位：重量份)表3本發明所提供的一種汽車發動機用凸輪軸齒輪液態模鍛工藝，所述鍛造工藝結合汽車發動機用凸輪軸齒輪結構專門設計，不需要剃齒等工序，工藝步驟設計合理，針對性強，採用液態模鍛工藝，所得鍛件組織緻密，無成分偏析，基本為等軸晶，無各向異性，結合後續鍛造，使得凸輪軸齒輪有高的抗腐蝕性能，採用特製的脫模劑，配合潤滑劑，使得模鍛模具凹模、凸模在合模、分模過程中不粘粘，不粘滯，提高液態模鍛效率，提升材料利用率，所得凸輪軸齒輪採用特製成分齒輪鋼模鍛而成，齒表面硬度為55～60HRC；有效硬化層深HV550；芯部硬度35～40HRC，適應汽車發動機運轉的特性，抗拉強度高達900～950MPa，屈服強度高達800～850MPa，在解除疲勞循環基礎N＝5×107時，惰齒輪彎曲疲勞極限σflim高達480～500MPa，通過磷皂化處理、清理、拋光、 塗防鏽油處理，惰齒輪表面光澤度高，美觀實用。需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍中。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp