隨著重型卡車司機(jī)對變速器質(zhì)量要求的提高，變速箱齒輪加工精度的提高和零件加工的一致性成為齒輪加工工藝目前需要解決的首要問題。目前的滲碳淬火熱處理設(shè)備均為批量處理設(shè)備，但因批量處理時(shí)存在滲碳室溫度、氣氛均勻性差異，淬火室的冷卻均勻性差異均會(huì)引起零件變形的不一致性。對于中型以下的汽車或轎車齒輪均可采用熱后磨齒工藝對熱處理變形齒部精度進(jìn)行修形，但對于重型卡車齒輪采用熱后磨齒會(huì)大大減少齒部的疲勞抗力。單件滲碳熱處理設(shè)備成為解決齒輪件滲碳熱處理變形小、重復(fù)性好的必備手段。
1.齒輪零件受力狀態(tài)和司機(jī)朋友的追求
變速箱中的齒輪及齒輪軸零件在使用中的主要應(yīng)力狀態(tài)為齒面受接觸疲勞應(yīng)力，齒根受彎曲疲勞應(yīng)力。但司機(jī)對不同類車型的要求有著巨大的差異。對于小型車，因受力較小，追求加工精度，減少噪聲、提高運(yùn)行平穩(wěn)舒適成為其零件加工中的側(cè)重點(diǎn)；對于重型車在追求承受大的疲勞抗力的同時(shí)也最求小的噪聲和運(yùn)行的平穩(wěn)舒適性。
2.目前重型變速器齒輪零件齒部加工現(xiàn)狀
對于承受小負(fù)荷的中型以下齒輪，目前工藝普遍采用熱后磨齒的加工工藝來提高零件的尺寸符合性，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的尺寸要求和強(qiáng)度要求。對于重型變速器齒輪，不僅要有高的強(qiáng)度要求，而且還要高的尺寸符合性。以便保證承受大的接觸應(yīng)力的同時(shí)，齒部有好的嚙合狀態(tài)。
（1）滾剃工藝
齒輪加工的工藝為:下料→鍛造→鍛熱→粗車→精加工→齒部滾齒→齒部剃齒→熱處理滲碳處理→熱后精加工（配合尺寸的精加工）。
滾剃工藝加工的齒輪由于熱處理變形，熱后齒部不加工，齒部沒有得到熱后矯正，齒部質(zhì)量存在齒形齒向的差異，齒輪嚙合時(shí)會(huì)以點(diǎn)接觸或線接觸，造成齒面點(diǎn)蝕導(dǎo)致齒輪早期接觸疲勞失效。如圖1為齒輪齒面齒形齒向符合性好的一對齒輪副正常嚙合疲勞失效的零件照片，圖2為齒面齒形齒向符合性差的一對齒輪副疲勞失效的零件照片。
圖1 符合性好的零件疲勞失效的零件
圖2 符合性差的零件疲勞失效的零件
（2）滾剃+熱后磨齒工藝
齒輪加工的工藝為:下料→鍛造→鍛熱→粗車→精加工→齒部滾齒→齒部剃齒→熱處理滲碳處理→熱后精加工（磨齒及配合尺寸的精加工）。
滾剃+熱后磨齒工藝滾剃工藝加工的齒輪由于熱處理磨齒，齒部變形得到熱后修正，齒形齒向狀態(tài)符合設(shè)計(jì)嚙合形態(tài)，齒輪嚙合時(shí)狀態(tài)良好。但滲碳淬火齒輪的磨削量（齒的單側(cè)）一般在0.2～0.6mm范圍內(nèi)，過深的磨削量不僅會(huì)將最佳的硬度、金相組織磨去，而且還會(huì)喪失表面起良好作用的殘余壓應(yīng)力，削弱了齒面的接觸疲勞抗力，導(dǎo)致早期接觸疲勞失效。
3.目前重型變速器齒輪零件熱處理設(shè)備及裝料
目前的重型汽車齒輪滲碳熱處理設(shè)備按設(shè)備結(jié)構(gòu)大體分為連續(xù)爐和周期爐，按工藝分為滲碳淬火、碳氮共滲、真空滲碳淬火（油淬）。
但不管哪種設(shè)備下的工藝均為批量熱處理，裝料如圖3、圖4所示。批量熱處理的優(yōu)點(diǎn)顯而易見，但零件之間存在熱處理變形的差異化，主要在于滲碳室爐溫均勻性差異（目前合資熱處理企業(yè)能夠做到的爐溫均勻性±5℃）、氣氛均勻性差異，淬火室介質(zhì)流動(dòng)的均勻性差異、介質(zhì)攪拌均勻性的差異等等，這些差異加上零件處于料盤不同區(qū)域的差異均會(huì)導(dǎo)致整盤零件加熱、滲碳、淬火的差異并從而導(dǎo)致零件變形不一致性。零件變形的差異化隨批量處理零件量的增加而增加。
圖3 批量生產(chǎn)時(shí)的裝量照片
圖4 批量生產(chǎn)時(shí)的裝量照片
圖5為零件設(shè)計(jì)要求的齒形、齒向圖示，圖6為批量熱處理的齒輪齒形、齒向圖例。這樣的零件符合性不僅噪音大，更是抗點(diǎn)蝕能力下降，使用壽命大大縮短。
圖5 零件要求的齒形、齒向框圖圖示
圖6 零件批量熱處理后的齒形、齒向框圖圖例
4.單件熱處理的發(fā)展前景
單件熱處理設(shè)備設(shè)計(jì)為連續(xù)爐、加熱區(qū)域較小，加熱元件布置合理，如圖7所示。零件在移動(dòng)的每個(gè)工位溫度均勻性和氣氛均勻性差異會(huì)極小。淬火區(qū)域也很小 ，實(shí)現(xiàn)單件淬火，如圖8所示，還可以實(shí)現(xiàn)批量處理不能實(shí)現(xiàn)的氣體淬火工藝，零件冷卻狀態(tài)重復(fù)性、一致性好。實(shí)現(xiàn)零件變形量小，變形一致性、重復(fù)性好的目標(biāo)。如圖9零件熱處理后的齒向框圖圖例，盡管齒向不符合設(shè)計(jì)要求，但一致性好、每個(gè)零件重復(fù)性好。
圖7 單件滲碳熱處理設(shè)備爐膛模擬圖例
圖8單件滲碳熱處理設(shè)備淬火室模擬圖例
圖9 零件熱處理后的齒向框圖圖例
只有熱處理實(shí)現(xiàn)了變形規(guī)律性好、一致性好、重復(fù)性好的前提條件，零件變形基本上都能通過熱前工藝修形的冷熱配合方法進(jìn)行調(diào)整、矯正。圖10、圖11為零件熱前的齒向齒形框圖。用滾剃工藝熱后不需要進(jìn)行磨齒加工的工藝而實(shí)現(xiàn)高的齒形、齒向符合性和高強(qiáng)度的齒面質(zhì)量。
圖10零件熱前加工的齒向框圖圖例
圖11 零件熱前加工的齒形框圖圖例
5.單件滲碳熱處理的優(yōu)點(diǎn)
（1）零件變形小、變形規(guī)律、一致性、重復(fù)性好，齒部變形可以通過冷熱配合工藝調(diào)整，實(shí)現(xiàn)高的符合性。
（2）同一零件熱處理質(zhì)量一致性好（目前的批量熱處理設(shè)備，合資熱處理爐企業(yè)能保證的有效硬化層公差：滿載，（0.2～1.1）mm±0.1mm；有效硬化層大于1.1mm時(shí)，公差為有效硬化層的10%）。
（3）還可以實(shí)現(xiàn)和機(jī)加工并線的精益生產(chǎn)制造的單線流。
（4）氣體淬火后零件表面潔凈，省去熱后清洗工序和清理拋丸。
（5）無淬火油煙和清洗整齊排放實(shí)現(xiàn)潔凈生產(chǎn)。
（6）減少零件多次搬運(yùn)造成的零件磕碰和人力、運(yùn)輸成本。
（7）零件變形小，熱后不需要修形，綜合了目前兩種加工工藝期望得到的零件齒形齒向符合性好和保留了齒面最好的熱處理狀態(tài)，達(dá)到了抗接觸疲勞性能好的目的。
（8）單件加熱可以進(jìn)行輻射加熱曲線計(jì)算和淬火時(shí)冷卻曲線的計(jì)算，可以在零件試制前預(yù)知零件的變形情況，并進(jìn)行熱前加工時(shí)的調(diào)整。
本文是作者在如何提高重型變速器齒輪疲勞抗力從工藝方面對熱處理設(shè)備的企求。
文： 閆京芳，陜西法士特汽車傳動(dòng)集團(tuán)公司
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