一种汽车发动机用凸轮轴齿轮液态模锻工艺的制作方法

本发明涉及一种汽车发动机用凸轮轴齿轮液态模锻工艺。
背景技术：
：汽车发动机是为汽车提供动力的发动机，是汽车的心脏，影响汽车的动力性、经济性和环保性。根据动力来源不同，汽车发动机可分为柴油发动机、汽油发动机、电动汽车电动机以及混合动力等。凸轮轴是活塞发动机里的一个部件。它的作用是控制气门的开启和闭合动作。虽然在四冲程发动机里凸轮轴的转速是曲轴的一半(在二冲程发动机中凸轮轴的转速与曲轴相同)，不过通常它的转速依然很高，而且需要承受很大的扭矩，因此设计中对凸轮轴在强度和支撑方面的要求很高，其材质一般是特种铸铁，偶尔也有采用锻件的。由于气门运动规律关系到一台发动机的动力和运转特性，因此凸轮轴设计在发动机的设计过程中占据着十分重要的地位。而凸轮轴齿轮通常指的是直接联接在凸轮轴一端的齿轮，它与曲轴一端上的正时齿轮互相啮合，使得凸轮轴能按2：1的传动比例随着曲轴旋转，从而准时压动气门，保证发动机四个冲程的进换气。发动机用凸轮轴齿轮是保证发动机正常运转的重要部件，其性能的好坏对发动机的运行有着重要影响，汽车发动机用凸轮轴齿轮生产大多采用锻造工艺，锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法，锻压(锻造与冲压)的两大组成部分之一。通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。相关机械中 负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊接件外，多采用锻件。其中，锻造用料主要是各种成分的碳素钢和合金钢，其次是铝、镁、铜、钛等及其合金。材料的原始状态有棒料、铸锭、金属粉末和液态金属。金属在变形前的横断面积与变形后的横断面积之比称为锻造比。正确地选择锻造比、合理的加热温度及保温时间、合理的始锻温度和终锻温度、合理的变形量及变形速度对提高产品质量、降低成本有很大关系。而液态模锻，又称挤压铸造、连铸连锻，是一种既具有铸造特点，又类似模锻的新兴金属成形工艺。它是将一定量的被铸金属液直接浇注入涂有润滑剂的型腔中，并持续施加机械静压力，利用金属铸造凝固成形时易流动和锻造技术使已凝固的硬壳产生塑性变形，使金属在压力下结晶凝固并强制消除因凝固收缩形成的缩孔缩松，以获得无铸造缺陷的液态模锻制件。人们通常把这种方法称之为液态模锻。目前，对于汽车发动机用凸轮轴齿轮的锻造，目前国内主要存在如下文献：专利公开号：CN203900355U，公开了一种凸轮轴齿轮毛坯精锻生产用组合模具，其特征在于：它由压机用组合模和冲床用组合模构成；所述的压机用组合模，包括压机用上模固定板、压机用上模、压机用上模压圈、压机用下模、压机用顶杆、压机用下模压圈、压机用滑柱定位套、压机用滑柱和压机用下模固定板；所述的冲床用组合模，包括冲床用上模定位板、冲床用上模、打板、打杆、冲床用上模压圈、切边定位模、冲床用下模垫板、滑动下模、冲杆、冲床用下模定位板、卸料杆和弹簧。该组合模具，容易装配，操作简单，劳动强度低，便于加工，可以一次锻造出凸轮轴齿轮毛坯，有利于节材、节能、提高生产效率。然 而，该专利主要提供凸轮轴齿轮的精锻模具，对于凸轮轴齿轮的具体生产工艺并未提及。技术实现要素：为解决上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种汽车发动机用凸轮轴齿轮液态模锻工艺，采用液态模锻方式进行齿轮加工锻造，省力、节能、材料利用率高，坯件即接近凸轮轴齿轮的最终加工齿轮，模锻质量高，所得齿轮硬度高，耐磨性好，耐腐性高，锻压成本低，锻压工艺对环境友好。为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种汽车发动机用凸轮轴齿轮液态模锻工艺，所述工艺包括如下步骤：1)冶炼按下述化学成分采用电炉进行冶炼、精炼得钢液，钢液出炉温度为1100～1200℃；其化学成分质量百分比为：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％，余量为Fe和不可避免的杂质；2)设计模具根据凸轮轴齿轮的形状和结构设计液态模锻模具，包括凹模和凸模，模具凹模内腔直径为150～210mm，凹模高度180～200mm，凸、凹模单边间隙0.5～1mm；3)液态模锻将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上，先将模具预热至100～200℃，在所述液态模锻模具凹模内依次涂覆脱模剂和润滑剂，然后将模具升温至800～900℃，然后将1100～1200℃的钢液浇注到所述液态 模锻模具中，浇筑时间5～10s，然后将模具升温至1250～1300℃，凸模以20～30mm/s的速度下行加压充型，以100～120MPa的压力继续推动凸模对钢液持续施压，保持压力，直至钢液完全凝固，以130～150MPa的压力保压50～60s，出模冷却，得凸轮轴齿轮坯件，将坯件冷却至300～400℃，保温10～15小时；4)正火将所述坯件置于正火炉中，以1.5～2℃/min的速率升温至680～700℃，再以1.0～1.5℃/min的速率升温至960～1050℃，保温2～2.5小时出炉，空冷至室温，冷却速度10～15℃/min；5)车削加工采用数控车床对正火处理后的毛坯进行车削加工，进行切边、冲孔，同步完成坯件孔径、端面及外圆的加工，孔径、端面及外圆分别预留1～2mm的加工余量，整体表面粗造度为Ra5～6μm；6)渗碳、淬火将车削加工后的坯件置于加热炉内，在渗碳剂中以15～20℃/min的速率升温至900～950℃进行渗碳，渗碳时间2～4小时，将渗碳后的齿轮冷却至810～850℃，均温1～1.5小时，然后在80～100℃淬火油中淬火；7)回火将淬火后的坯件送入回火炉中进行回火处理，回火温度500～550℃，保温2～4h后，以10℃/min的速度冷却至室温；8)磨削加工对回火处理后的坯件的孔径、端面及外圆进行磨削加工，磨削去除外圆加工余量至表面粗造度为Ra0.6～0.8μm，磨削去除孔径加工余量至表面粗糙度为Ra0.6～0.8μm，磨削去除端面加工余量至表面粗糙度为Ra0.6～0.8μm；9)抛丸、探伤将磨削加工后的坯件送入履带式抛丸机进行抛丸处理，用荧光磁粉进行磁粉探伤、超声波探伤处理；10)磷皂化处理、清理、抛光、涂防锈油将磨削加工处理后的坯件进行磷皂化处理，清理去除表面氧化皮，送入齿轮抛光机抛光，涂覆防锈油，干燥，得所述汽车发动机用凸轮轴齿轮。进一步，步骤6)所用渗碳剂为煤油。另，步骤6)所述渗碳步骤中，渗碳分为起始阶段、强渗阶段和扩散阶段，起始阶段的碳势CP为0.8～0.9C％，强渗阶段的碳势CP为0.9～1.02C％；扩散阶段的碳势0.75～0.5C％，起始阶段的时间为0.5～0.8小时，强渗阶段的时间1.2～2.5小时，扩散阶段的时间为0.3～0.7小时。另有，所述磷皂化处理时间为1～2小时。再，步骤3)所用润滑剂为玻璃润滑剂。再有，步骤3)所用脱模剂包括如下重量份的成分：石蜡：20～30份，亚油酸甲酯：10～20份，硅藻土：10～15份，滑石粉：5～10份，聚丙烯酸钠：5～10份，EDTA二钠：1～5份，苯甲酸钠：1～5份，氢氧化钾：1～5份，十二烷基苯磺酸钠：0.5～1份，去离子水适量。优选地，步骤3)所用脱模剂包括如下重量份的成分：石蜡：25～30份，亚油酸甲酯：10～15份，硅藻土：10～13份，滑石粉：7～10份，聚丙烯酸钠：5～8份，EDTA二钠：2～5份，苯甲酸钠：3～5份，氢氧化钾：1～3份，十二烷基苯磺酸钠：0.5～0.8份，去离子水适量。优选地，步骤3)所用脱模剂包括如下重量份的成分：石蜡：25份，亚油酸甲酯：15份，硅藻土：12份，滑石粉：8份，聚丙烯酸钠：6份，EDTA二钠：3份，苯甲酸钠：4份，氢氧化钾：2份，十二烷基苯磺酸 钠：0.7份，去离子水适量。另，所述脱模剂的制备方法包括如下步骤：将石蜡、亚油酸甲酯、硅藻土、滑石粉、聚丙烯酸钠、EDTA二钠、苯甲酸钠、氢氧化钾及十二烷基苯磺酸钠依次加入去离子水，搅拌30～40min，得到混合液，利用高速乳化机在200～300r/min的转速下高速乳化至均匀，乳化时间为10～15min，得乳液，将乳液进行研磨分散10～15min，得所述脱模剂。本发明的有益效果在于：所述锻造工艺结合汽车发动机用凸轮轴齿轮结构专门设计，不需要剃齿等工序，工艺步骤设计合理，针对性强，采用液态模锻工艺，所得锻件组织致密，无成分偏析，基本为等轴晶，无各向异性，结合后续锻造，使得凸轮轴齿轮有高的抗腐蚀性能，采用特制的脱模剂，配合润滑剂，使得模锻模具凹模、凸模在合模、分模过程中不粘粘，不粘滞，提高液态模锻效率，提升材料利用率，所得凸轮轴齿轮采用特制成分齿轮钢模锻而成，齿表面硬度为55～60HRC；有效硬化层深HV550；芯部硬度35～40HRC，适应汽车发动机运转的特性，抗拉强度高达900～950MPa，屈服强度高达800～850MPa，在解除疲劳循环基础N＝5×107时，惰齿轮弯曲疲劳极限σflim高达480～500MPa，通过磷皂化处理、清理、抛光、涂防锈油处理，惰齿轮表面光泽度高，美观实用。附图说明图1为本发明所提供的一种汽车发动机用凸轮轴齿轮液态模锻工艺所得凸轮轴齿轮的结构示意图。具体实施方式以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据厂家的条件作进一步调整，未说明的实施条件通常为常规实验条件。参见图1，本发明所提供的一种汽车发动机用凸轮轴齿轮液态模锻工艺所得凸轮轴齿轮包括一圆盘100，中部开设通孔101，通孔101表面设设一圆环102，圆环102外周周向等距间隔设3个弧形凸台103，圆盘100表面沿通孔101周向等距间隔开设有3个开孔104。本发明提供一种汽车发动机用凸轮轴齿轮液态模锻工艺，所述工艺包括如下步骤：1)冶炼按下述化学成分采用电炉进行冶炼、精炼得钢液，钢液出炉温度为1100～1200℃；其化学成分质量百分比为：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％，余量为Fe和不可避免的杂质；2)设计模具根据凸轮轴齿轮的形状和结构设计液态模锻模具，包括凹模和凸模，模具凹模内腔直径为150～210mm，凹模高度180～200mm，凸、凹模单边间隙0.5～1mm；3)液态模锻将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上，先将模具预热至100～200℃，在所述液态模锻模具凹模内依次涂覆脱模剂和润滑剂，然后将模具升温至800～900℃，然后将1100～1200℃的钢液浇注到所述液态模锻模具中，浇筑时间5～10s，然后将模具升温至1250～1300℃，凸模以20～30mm/s的速度下行加压充型，以100～120MPa的压力继续推动凸模对钢液持续施压，保持压力，直至钢液完全凝固，以130～150MPa的压力保压50～60s，出模冷却，得凸轮轴齿轮坯件，将坯件冷却至300～400℃，保温10～15小时；4)正火将所述坯件置于正火炉中，以1.5～2℃/min的速率升温至680～700℃，再以1.0～1.5℃/min的速率升温至960～1050℃，保温2～2.5小时出炉，空冷至室温，冷却速度10～15℃/min；5)车削加工采用数控车床对正火处理后的毛坯进行车削加工，进行切边、冲孔，同步完成坯件孔径、端面及外圆的加工，孔径、端面及外圆分别预留1～2mm的加工余量，整体表面粗造度为Ra5～6μm；6)渗碳、淬火将车削加工后的坯件置于加热炉内，在渗碳剂中以15～20℃/min的速率升温至900～950℃进行渗碳，渗碳时间2～4小时，将渗碳后的齿轮冷却至810～850℃，均温1～1.5小时，然后在80～100℃淬火油中淬火；7)回火将淬火后的坯件送入回火炉中进行回火处理，回火温度500～550℃，保温2～4h后，以10℃/min的速度冷却至室温；8)磨削加工对回火处理后的坯件的孔径、端面及外圆进行磨削加工，磨削去除外圆加工余量至表面粗造度为Ra0.6～0.8μm，磨削去除孔径加工余量至表面粗糙度为Ra0.6～0.8μm，磨削去除端面加工余量至表面粗糙度为Ra0.6～0.8μm；9)抛丸、探伤将磨削加工后的坯件送入履带式抛丸机进行抛丸处理，用荧光磁粉进行磁粉探伤、超声波探伤处理；10)磷皂化处理、清理、抛光、涂防锈油将磨削加工处理后的坯件进行磷皂化处理，清理去除表面氧化皮， 送入齿轮抛光机抛光，涂覆防锈油，干燥，得所述汽车发动机用凸轮轴齿轮。进一步，步骤6)所用渗碳剂为煤油。另，步骤6)所述渗碳步骤中，渗碳分为起始阶段、强渗阶段和扩散阶段，起始阶段的碳势CP为0.8～0.9C％，强渗阶段的碳势CP为0.9～1.02C％；扩散阶段的碳势0.75～0.5C％，起始阶段的时间为0.5～0.8小时，强渗阶段的时间1.2～2.5小时，扩散阶段的时间为0.3～0.7小时。另有，所述磷皂化处理时间为1～2小时。再，步骤3)所用润滑剂为玻璃润滑剂。再有，步骤3)所用脱模剂包括如下重量份的成分：石蜡：20～30份，亚油酸甲酯：10～20份，硅藻土：10～15份，滑石粉：5～10份，聚丙烯酸钠：5～10份，EDTA二钠：1～5份，苯甲酸钠：1～5份，氢氧化钾：1～5份，十二烷基苯磺酸钠：0.5～1份，去离子水适量。优选地，步骤3)所用脱模剂包括如下重量份的成分：石蜡：25～30份，亚油酸甲酯：10～15份，硅藻土：10～13份，滑石粉：7～10份，聚丙烯酸钠：5～8份，EDTA二钠：2～5份，苯甲酸钠：3～5份，氢氧化钾：1～3份，十二烷基苯磺酸钠：0.5～0.8份，去离子水适量。优选地，步骤3)所用脱模剂包括如下重量份的成分：石蜡：25份，亚油酸甲酯：15份，硅藻土：12份，滑石粉：8份，聚丙烯酸钠：6份，EDTA二钠：3份，苯甲酸钠：4份，氢氧化钾：2份，十二烷基苯磺酸钠：0.7份，去离子水适量。另，所述脱模剂的制备方法包括如下步骤：将石蜡、亚油酸甲酯、硅藻土、滑石粉、聚丙烯酸钠、EDTA二钠、苯甲酸钠、氢氧化钾及十二烷基苯磺酸钠依次加入去离子水，搅拌30～40min，得到混合液，利用高速乳化机在200～300r/min的转速下高速乳化至均匀，乳化时间为 10～15min，得乳液，将乳液进行研磨分散10～15min，得所述脱模剂。其中，表1为本发明各个实施例所提供的一种汽车发动机用凸轮轴齿轮液态模锻工艺中钢液的成分列表。表2为本发明各个实施例所提供的一种汽车发动机用凸轮轴齿轮液态模锻工艺中脱模剂的成分列表。表3为本发明各个实施例所提的一种汽车发动机用凸轮轴齿轮液态模锻工艺所得凸轮轴齿轮的机械性能列表。表1(单位：wt％)实施例1实施例2实施例3实施例4实施例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(单位：重量份)表3本发明所提供的一种汽车发动机用凸轮轴齿轮液态模锻工艺，所述锻造工艺结合汽车发动机用凸轮轴齿轮结构专门设计，不需要剃齿等工序，工艺步骤设计合理，针对性强，采用液态模锻工艺，所得锻件组织致密，无成分偏析，基本为等轴晶，无各向异性，结合后续锻造，使得凸轮轴齿轮有高的抗腐蚀性能，采用特制的脱模剂，配合润滑剂，使得模锻模具凹模、凸模在合模、分模过程中不粘粘，不粘滞，提高液态模锻效率，提升材料利用率，所得凸轮轴齿轮采用特制成分齿轮钢模锻而成，齿表面硬度为55～60HRC；有效硬化层深HV550；芯部硬度35～40HRC，适应汽车发动机运转的特性，抗拉强度高达900～950MPa，屈服强度高达800～850MPa，在解除疲劳循环基础N＝5×107时，惰齿轮弯曲疲劳极限σflim高达480～500MPa，通过磷皂化处理、清理、抛光、 涂防锈油处理，惰齿轮表面光泽度高，美观实用。需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。当前第1页1 2 3