典型乘用車變速箱零件熱處理及減少變形措施

楊鍇，費(fèi)三凡，葛順蘭

東風(fēng)汽車有限公司刃量具廠 湖北十堰 442002

1 序言

乘用車變速器齒輪的抗接觸疲勞強(qiáng)度、抗彎曲疲勞強(qiáng)度、心部韌性、表面硬度及耐磨性、成品狀態(tài)下的殘余應(yīng)力狀態(tài)等都是關(guān)鍵指標(biāo)，直接關(guān)系著齒輪的使用壽命長短。這是因?yàn)槌擞密囎兯倨鼾X輪經(jīng)常需要在高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷以及轉(zhuǎn)速和負(fù)荷不斷交變的情況下進(jìn)行工作，且常以采用滲碳處理居多。當(dāng)熱處理后產(chǎn)品變形不一致時(shí)，齒輪在精加工磨削過程中同一齒面的不同部位就會(huì)產(chǎn)生磨削量不一致，導(dǎo)致磨削后的齒面滲層深度深淺不一樣，特別是齒面的殘余應(yīng)力分布不均勻，影響到齒輪的使用壽命，同時(shí)也增加了齒輪的生產(chǎn)成本，降低了大批量量產(chǎn)狀態(tài)下的生產(chǎn)效率[1]。

2 乘用車變速箱零件熱處理及變形方面主要內(nèi)容

乘用車變速箱零件主要包括驅(qū)動(dòng)齒輪、輸出齒輪、惰輪、輸入齒輪、中間軸、中間軸齒輪及大主減終輸出齒輪，如圖1所示。下面分別就各零件熱處理方面的注意點(diǎn)及提高產(chǎn)品性能的措施作一闡述。

2.1 原材料

原材料的原始性能及熱處理工藝都會(huì)明顯影響到齒輪件的承載力，因此根據(jù)需要選擇原材料、合理編制熱處理工藝就顯得尤其重要。常用材料有20CrMoH、SCr420H、17CrNiMo6、TL4521等，本文提到的是屬于JIS標(biāo)準(zhǔn)的SCr420H鋼。對(duì)于毛坯進(jìn)貨稽查光譜分析以及對(duì)于購買成品樣品后的光譜分析化學(xué)成分，結(jié)果見表1。

表1 SCr420H鋼毛坯化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖1 乘用車變速箱零件

關(guān)于原材料淬透性的選擇方面，遵循小模數(shù)齒輪選擇淬透性帶寬中下限，大模數(shù)齒輪選擇淬透性帶寬中上限原則[2]。該齒輪的模數(shù)為2.25，因此淬透性帶寬取中下限，按照J(rèn)9=32～36HRC控制。

2.2 預(yù)處理

因?yàn)槠胀ㄕ鹛幚砜梢栽斐刹煌a(chǎn)品或同一產(chǎn)品相同部位的金相組織、硬度出現(xiàn)比較大的差別，并會(huì)由此帶來降低切削加工性能、加大熱處理變形的惡果，進(jìn)而會(huì)影響到乘用車變速箱齒輪的精度等級(jí)和其服役使用性能。因此，具有大批量生產(chǎn)特點(diǎn)的乘用車變速箱齒輪毛坯的預(yù)熱處理，采用的是目前已經(jīng)被各齒輪生產(chǎn)企業(yè)重視的等溫正火工藝。

等溫正火工藝即將齒輪毛坯完全加熱到Ac3線以上的某一適當(dāng)溫度獲得均勻的奧氏體后，通過特有的風(fēng)冷速冷方式將毛坯冷卻至奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖“鼻尖”溫度左右后保持在低溫爐里完成等溫轉(zhuǎn)變，出爐之后再空冷到室溫的工藝過程。在實(shí)現(xiàn)該工藝過程中，要根據(jù)毛坯的原材料、結(jié)構(gòu)因素來合理地選擇和控制等溫前的冷卻速度、等溫溫度和等溫時(shí)間這三個(gè)工藝參數(shù)，使毛坯在相對(duì)恒定的溫度下完成組織轉(zhuǎn)變，以此來獲得均勻的金相顯微組織與合適的硬度。

客戶標(biāo)準(zhǔn)里對(duì)于預(yù)處理需要達(dá)到的指標(biāo)規(guī)定為：不允許有混晶，等溫正火后硬度控制在156～186HBS，魏氏體組織≤1級(jí)，對(duì)于齒輪類產(chǎn)品帶狀組織≤2.5級(jí)，對(duì)于齒軸類產(chǎn)品帶狀組織≤3級(jí)，金相組織要求為接近等軸狀的鐵素體與珠光體均勻分布，是因?yàn)辇X輪各部分的原始組織如果出現(xiàn)不同，組織一致性差，在熱處理加熱至奧氏體狀態(tài)后存在成分的不均勻，因而可能影響淬火后的組織不均勻的變形。但是明確要求不允許有粒狀貝氏體組織存在，一方面，粒狀貝氏體組織的產(chǎn)生是由于熱處理等溫正火工藝的實(shí)現(xiàn)過程中冷卻速度過快，奧氏體組織向貝氏體組織轉(zhuǎn)變，而貝氏體組織又不是平衡組織，在實(shí)施滲碳加熱奧氏體化的過程中很容易導(dǎo)致組織遺傳，使奧氏體晶粒粗大，而晶粒粗大的產(chǎn)品在受力變形時(shí)，晶界部位的位錯(cuò)堆積是比較嚴(yán)重的，容易產(chǎn)生微裂紋，從而降低齒輪的疲勞壽命。另一方面，貝氏體組織的硬度比平衡組織要高，會(huì)導(dǎo)致熱處理之前的機(jī)械加工困難，切削加工過程當(dāng)中殘留下來的殘余應(yīng)力比較大，而殘余應(yīng)力在滲碳加熱的過程中會(huì)被釋放出來，進(jìn)而會(huì)加大產(chǎn)品的熱處理變形量。表2是惰輪毛坯在進(jìn)貨檢驗(yàn)時(shí)的硬度情況。

2.3 熱前的應(yīng)力狀態(tài)

熱前零件經(jīng)歷過鍛造、等溫正火、清理拋丸以及各道機(jī)械加工等工序后，必然或多或少的會(huì)累積殘余應(yīng)力，而應(yīng)力集中對(duì)于熱處理變形的影響比較顯著。消除或控制殘余應(yīng)力的產(chǎn)生對(duì)后續(xù)熱處理工序控制熱處理變形很有好處。齒輪毛坯需要采用鍛造成形，鍛造比必須受控。鍛造可以消除原材料冶煉遺留下來的疏松缺陷，使毛坯組織更加致密，但是當(dāng)原材料的鐓粗方向不正確時(shí)，或選擇下料棒材的尺寸有誤時(shí)，或原材料在鍛造模腔內(nèi)出現(xiàn)放置歪斜時(shí)，會(huì)導(dǎo)致齒輪毛坯的鍛造流線分布出現(xiàn)不對(duì)稱[2]。鍛造過程中有效控制鐓粗方向等手段控制金屬纖維流線，使其沿齒輪毛坯外輪廓呈現(xiàn)對(duì)稱狀均勻分布；等溫正火過程中控制好帶狀組織形成趨勢(shì)，減少材料的各向異性；機(jī)械加工過程中力求切削均勻、刀具質(zhì)量穩(wěn)定來盡量避免機(jī)械加工應(yīng)力的過度累積和不均勻狀態(tài)。對(duì)于形狀復(fù)雜的工件，前序產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對(duì)后序淬火變形的影響很大，必要時(shí)應(yīng)采用去應(yīng)力回火或均勻化處理措施來減少或消除應(yīng)力。

2.4 熱處理變形

齒輪的幾何結(jié)構(gòu)形狀是決定熱處理變形的關(guān)鍵因素之一，由于齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無法避免的薄厚差異會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中并加大熱處理變形。由于熱處理變形是客觀存在的，一方面，熱處理工藝方面要根據(jù)已有的進(jìn)熱設(shè)備和可以實(shí)現(xiàn)的工藝條件來把熱處理變形控制在最小程度；另一方面，冷加工工藝要根據(jù)變形的規(guī)律性規(guī)劃好工藝路線，提前預(yù)留好加工余量或反補(bǔ)償量，使產(chǎn)品可以處于能夠被接受的變形區(qū)間內(nèi)。

表2 惰輪毛坯進(jìn)貨檢驗(yàn)硬度

熱處理變形有兩種主要形式：一種是工件幾何形狀上的變化，主要表現(xiàn)在尺寸及外形的變化，通常稱為扭曲或翹曲；另一種是體積上的變化，表現(xiàn)在工件體積按比例脹大或收縮[1]。本文提到的是在可控氣氛連續(xù)推盤爐油淬110℃分級(jí)油的條件下幾種典型產(chǎn)品的部分端面的翹曲凹陷、內(nèi)花鍵的縮孔呈現(xiàn)錐度等情況。

（1）關(guān)于內(nèi)環(huán)端面的翹曲凹陷 精加工以大主減終輸出齒輪的內(nèi)端面的大倒角面為基準(zhǔn)則，平行度應(yīng)當(dāng)不超過0.05mm，對(duì)于大主減輸出齒輪，起初是按照如圖2所示的裝夾方式進(jìn)行進(jìn)熱，熱處理夾具按照120°均分原則以三面支撐方式平裝齒輪于小平板上，結(jié)果出熱后發(fā)現(xiàn)內(nèi)環(huán)端面出現(xiàn)了翹曲凹陷，從圖3考核內(nèi)環(huán)狀端面平行度的跳動(dòng)值即可看出這種規(guī)律，也就是變成了圖4紅線所示的變形趨勢(shì)。

圖2 大主減終輸出齒輪初裝夾方式

圖3 內(nèi)環(huán)狀端面平行度的跳動(dòng)值

圖4 齒輪變形量

從工藝角度分析，平放的大主減輸出齒輪的熱處理端面翹曲大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其同一個(gè)齒面在磨削時(shí)不同的位置磨削量發(fā)生不一致，最終會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品同一個(gè)齒面的有效硬化層深淺不一致，會(huì)影響到產(chǎn)品的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)與疲勞強(qiáng)度。

考慮到不同的裝爐方式，大主減輸出齒輪在淬火冷卻過程中入油的阻力大小與冷卻的均勻性均會(huì)發(fā)生變化。零件產(chǎn)生變形主要在淬火過程，由于零件平放，有防錯(cuò)的環(huán)形槽在下，變形趨勢(shì)則為中間內(nèi)孔處凸起，如圖4所示。下端外圓臺(tái)階先進(jìn)行淬火，會(huì)導(dǎo)致下端外圓臺(tái)階產(chǎn)生向中心的淬火應(yīng)力，在應(yīng)力的作用下，導(dǎo)致形成中間凸起的變形趨勢(shì)。

為了減少內(nèi)環(huán)端面的變形，進(jìn)行了幾種工裝試驗(yàn)，圖5a所示屬于齒輪吊掛立放，圖5b是內(nèi)孔處使用平板結(jié)構(gòu)保護(hù)，外圓處設(shè)計(jì)臺(tái)階，防止外圓端面提前淬火而產(chǎn)生下部臺(tái)階由外向內(nèi)的淬火應(yīng)力導(dǎo)致內(nèi)端面凸起的熱處理變形，即內(nèi)環(huán)端面支撐而外端面保護(hù)；圖5c是加工厚度約3mm的片狀圓環(huán)，圓環(huán)部位恰好卡在內(nèi)環(huán)端面下部并臨時(shí)采用細(xì)鐵絲綁縛固定，來試圖減小淬火后齒輪內(nèi)環(huán)端面的翹曲變形；圖5d采用的是同時(shí)對(duì)外端面和內(nèi)環(huán)端面進(jìn)行面支撐，并試圖通過中部結(jié)構(gòu)減弱淬火時(shí)淬火油的流動(dòng)對(duì)內(nèi)環(huán)端面的沖擊來減少內(nèi)環(huán)端面的翹曲變形，即內(nèi)環(huán)端面防護(hù)而外端面支撐的方式；而圖5e采取了一種摞壓方式裝夾，10個(gè)齒輪為一組并被兩個(gè)帶有均布導(dǎo)油孔的墊環(huán)夾持后定位裝夾在中心大立柱上。

圖5 幾種工裝試驗(yàn)

工藝試驗(yàn)后的熱處理變形指標(biāo)見表3。

表3 熱處理變形指標(biāo)

掛裝立放在加熱的過程中，由于自重的影響會(huì)有導(dǎo)致內(nèi)孔圓度增大的風(fēng)險(xiǎn)，而摞壓裝夾方式下大主減速輸出齒輪的外端面冷卻比較快，內(nèi)端面的冷卻又比較慢，中心的支撐定位大立柱又很好地減弱了淬火過程中淬火油對(duì)內(nèi)環(huán)端面的沖擊力度，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外端面的冷卻速度在不同方式下得到了控制，使熱后內(nèi)環(huán)端面的熱處理變形減小。為此確定了摞壓裝夾方式為批量進(jìn)熱準(zhǔn)備。

（2）關(guān)于內(nèi)花鍵熱處理變形改善 圖6是輸入齒輪和輸出齒輪，起初進(jìn)熱是采用圖7a的方式，即試驗(yàn)小工裝和平板工裝相互適配，定位牢靠后將輸出齒輪按照?qǐng)D7b所示方式立放，但是檢測(cè)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的長約31mm的內(nèi)花鍵有將近0.06mm的錐度。輸入齒輪結(jié)構(gòu)與之類似，內(nèi)部也有長約26mm的內(nèi)花鍵，也出現(xiàn)了同樣的內(nèi)花鍵錐度問題。

圖6 輸入齒輪和輸出齒輪示意

圖7 裝夾方式

為了減少內(nèi)花鍵變形，我們?cè)O(shè)計(jì)了圖8所示的補(bǔ)償座工裝：

1）支撐面設(shè)計(jì)成臺(tái)階面，即工裝沉臺(tái)面，沉臺(tái)面考慮做成圓弧，線接觸。

2）補(bǔ)償座工裝內(nèi)孔尺寸和輸出齒輪的相應(yīng)位置外徑配合位置按照直徑適配設(shè)計(jì)，單邊留有0.4mm間隙。

3）保護(hù)內(nèi)花鍵薄壁處的墊環(huán)部分留有均勻的圓孔或如圖8a所示的腰形孔，以便淬火油通過，確保齒輪外圓滿足滲碳層和硬度要求。

4）增加一個(gè)如圖8b所示的小立柱支撐在該齒輪的內(nèi)孔中心，起到一定程度上減弱淬火過程中淬火油對(duì)內(nèi)花鍵的沖擊程度和冷卻烈度的作用。

5）為了方便后期量產(chǎn)正規(guī)工裝的實(shí)現(xiàn)，將該齒輪的上下方位進(jìn)行倒置裝夾。工裝高度按照?qǐng)D示高度來設(shè)計(jì)，即為圖9所示的裝夾形式（為了突出結(jié)構(gòu)隱藏了中間小立柱）。

圖8 補(bǔ)償座工裝

圖9 倒置裝夾形式

通過以上措施既增加了薄壁內(nèi)花鍵處加熱過程中的蓄熱量，又起到了一定程度上減小淬火過程中內(nèi)花鍵孔流油量和冷卻速度，控制住了內(nèi)花鍵孔的收縮錐度變形。

工裝改善后需重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)花鍵錐度變形結(jié)果，因此任意抽取三件輸出齒輪檢測(cè)了內(nèi)花鍵的M值，內(nèi)花鍵M值熱后檢測(cè)結(jié)果見表4。

表4 內(nèi)花鍵M值熱后檢測(cè)結(jié)果 （mm）

從檢測(cè)結(jié)果來看：花鍵圓度在0.01mm以內(nèi)，花鍵的上下錐度在0.02～0.03mm，較改善之前錐度達(dá)到0.05～0.06mm，有了比較好的改善效果。

（3）中間軸齒輪 若進(jìn)熱裝夾時(shí)采用平放方式裝夾（齒輪軸線垂直），則無論是正放還是反放，齒輪大平面都會(huì)呈現(xiàn)出熱后異常翹曲狀態(tài)，導(dǎo)致后續(xù)精加工無法正常進(jìn)行，因此必須采用掛放的方式裝夾（齒輪軸線水平）的狀態(tài)進(jìn)熱才可以有效降低熱處理變形程度，這里不再詳述。

2.5 熱處理工藝過程要素

工件的加熱速度、滲碳溫度、淬火溫度、油攪拌速度等工藝參數(shù)的調(diào)整，淬火冷卻介質(zhì)和回火工藝等的不同也能夠影響到齒輪的熱處理變形情況以及綜合力學(xué)性能。例如通過尋找某外部資源進(jìn)行了連續(xù)爐自動(dòng)線鹽浴淬火工藝試驗(yàn)，采用如下工藝：進(jìn)熱時(shí)直接進(jìn)入到820℃進(jìn)行第一次加熱，然后再進(jìn)入到920℃滲碳，其強(qiáng)滲碳勢(shì)Cp=1.0%，而擴(kuò)散碳勢(shì)Cp=0.85%。滲碳完成后降溫到890℃開始進(jìn)行鹽浴淬火，滲碳齒輪的淬火鹽浴屬于低溫鹽浴，因此選用的是熔點(diǎn)低的硝鹽來配置，即50%KNO3+50%NaNO2配比組成之鹽浴，該配比鹽浴熔點(diǎn)為140℃，常用使用溫度為150～550℃，屬于硝鹽浴中的低溫浴。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上考慮盛鹽浴空間大的部位盡量朝下放置以減少兜鹽。料盤帶著工件先進(jìn)220℃鹽浴里，適度短時(shí)均溫保溫后又第二次進(jìn)入160℃鹽浴中，再適度短時(shí)均溫保溫后出鹽浴直到淬火結(jié)束。鹽浴淬火過程完成之后需要依靠風(fēng)冷循環(huán)機(jī)構(gòu)把鹽浴溫度降低回位。以上所有動(dòng)作自動(dòng)完成。

鹽浴溫度設(shè)定在稍高于材料的Ms點(diǎn)（Ms點(diǎn)指的是齒輪滲碳后表層材料的Ms點(diǎn)），一般在145～170℃。從本質(zhì)上來講，滲碳齒輪的鹽浴淬火為“鹽浴淬－空氣淬”型分級(jí)淬火。齒輪加熱奧氏體化完成滲碳后，進(jìn)行鹽浴冷卻，心部將先行在鹽浴中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，而滲碳表層材料的馬氏體轉(zhuǎn)變將在空冷時(shí)延后進(jìn)行。由于空氣是緩和的冷卻介質(zhì)，因此采用鹽浴淬火會(huì)降低齒輪的淬火應(yīng)力，從而減少齒輪的淬火變形。在這樣的工藝實(shí)現(xiàn)過程當(dāng)中，以上的幾種典型乘用車變速箱零件即便不采取如上所示裝夾方式的變更甚至在沒有增加補(bǔ)償套底座的情況下，其熱處理變形程度就可以滿足后序精加工的要求。

表5是采用可控氣氛推盤式連續(xù)爐油淬生產(chǎn)線進(jìn)熱工藝，采用的是110℃分級(jí)油淬火。輸出齒輪熱處理試驗(yàn)件檢測(cè)項(xiàng)目匯總情況見表6。

表5 可控氣氛推盤式連續(xù)爐油淬生產(chǎn)線進(jìn)熱工藝

表6 輸出齒輪熱處理試驗(yàn)件檢測(cè)項(xiàng)目匯總

（續(xù)）

圖10 試驗(yàn)件檢測(cè)項(xiàng)目檢測(cè)

2.6 強(qiáng)力噴丸工藝的應(yīng)用

強(qiáng)力噴丸是將大小、尺寸、硬度、圓度均受控的鋼丸以很高的速度射出，通過連續(xù)地?fù)舸螨X輪的根部和齒面后使齒面或齒根部形成一定深度的殘余壓應(yīng)力層的加工方法。當(dāng)齒輪承受彎曲疲勞載荷時(shí)，其赫茲接觸應(yīng)力達(dá)到最大，因此疲勞核心在齒面處形成后沿著與最大應(yīng)力垂直的方向進(jìn)行擴(kuò)展，當(dāng)微裂紋發(fā)展成宏觀裂紋時(shí)，硬化層會(huì)開始脫落甚至?xí)霈F(xiàn)斷齒情況。

研究表明：滲碳齒輪的彎曲疲勞抗力隨著其強(qiáng)度的提高而升高，彎曲疲勞抗力也可以隨著齒輪表層殘余壓應(yīng)力的增加而提高。殘余壓應(yīng)力能夠抵消部分外部載荷的拉應(yīng)力，抑制住微裂紋在齒輪承受接觸應(yīng)力時(shí)的再次擴(kuò)展，有效地消除齒輪設(shè)計(jì)過程和工藝實(shí)現(xiàn)過程中的應(yīng)力集中的影響，也能夠部分地消除滲碳淬火過程中產(chǎn)生的晶界氧化造成的不利影響，并且進(jìn)一步地增加零件表面的接觸疲勞強(qiáng)度。

圖11是中間軸進(jìn)行強(qiáng)噴裝夾示意，中間軸的兩端根據(jù)客戶要求予以遮蔽處理，使用硬度超過60HRC的AWCH28型丸料，在調(diào)整好噴嘴坐標(biāo)、循環(huán)次數(shù)、噴嘴移動(dòng)速度、行星轉(zhuǎn)臺(tái)自轉(zhuǎn)速度及噴丸流量等參數(shù)，覆蓋率滿足300%以上，弧高值超過0.4mmA的前提下，采用3.5bar（1bar=105Pa）的較低氣壓下可以獲得的齒輪齒根處的強(qiáng)噴殘余壓應(yīng)力效果，見表7。

圖11 中間軸進(jìn)行強(qiáng)噴裝夾示意

表7 強(qiáng)噴殘余壓應(yīng)力效果

（續(xù)）

3 結(jié)束語

通過以上述及的試制改善工作后，確定了如圖12所示的量產(chǎn)工裝和量產(chǎn)裝夾方式：圖12a為輸入齒輪量產(chǎn)裝夾方式，圖12b為中間軸齒輪量產(chǎn)裝夾方式，圖12c為大主減終輸出齒輪量產(chǎn)裝夾方式。

圖12 量產(chǎn)裝夾方式

在現(xiàn)有的熱處理設(shè)備和工藝條件下，通過掌握這些規(guī)律和共性，并通過裝爐方式的優(yōu)化或采取補(bǔ)償?shù)鬃ぱb的應(yīng)用，以及相應(yīng)的工藝參數(shù)和淬火冷卻介質(zhì)優(yōu)化的措施來控制滲碳淬火產(chǎn)生的變形程度，使熱處理后的產(chǎn)品可以滿足精加工的要求。后期再輔以強(qiáng)力噴丸工藝過程的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的殘余壓應(yīng)力和疲勞強(qiáng)度，最終使產(chǎn)品的性能滿足了其服役需求。