某變速箱內齒圈加工技術

石 敏

（中航工業(yè)長沙中傳機械有限公司，湖南長沙 410200）

1 項目背景

某變速箱內齒圈是一個重要零件，起著重要的傳動作用，零件形狀見圖1。

圖1 零件形狀

此零件材料相當于國產材料20MnCr5，整體滲碳淬火，深度0.4～0.7 mm（HV610），內齒滾棒尺寸要求237.932+0.248，尺寸變化范圍不超過0.10 mm，齒形、齒向偏差符合DIN9級精度。內齒圈為薄壁件，變形大，國內都是通過磨齒或更改材料做氮化工藝或感應淬火來達到圖樣上要求。筆者公司通過一系列工藝技術試驗和攻關，結合控制熱處理變形，確保零件不磨齒即能滿足精度要求。

2 變形控制

2.1 變形因素分析

控制熱處理變形是多方面的，分析從機械加工開始，在熱處理前后對數(shù)據(jù)進行多批次收集，找尋各工序過程影響熱處理變形的因素，部分具體數(shù)據(jù)見表1。

利用MINTAB軟件的數(shù)據(jù)分析功能，對表1進行數(shù)據(jù)分析篩選主要影響因素。

（1）采用假設檢驗對批次的差異造成熱處理變動的影響進行分析。

由于兩批次按時間先后和不同的原材料爐次進行投產，故從批次上可以區(qū)分環(huán)境溫度和原材料化學成分微量變化。根據(jù)圖2顯示，可以利用數(shù)據(jù)證明環(huán)境溫度和原材料化學元素的變動對熱處理前后的變形無顯著影響。

表1 熱處理前后數(shù)據(jù)mm

圖2 假設檢驗

（2）利用多元回歸分析對熱前工序的精度影響熱處理變形的大小進行計算。

圖3 多元回歸

從圖3中圖形顯示，車工跳動、插齒跳動、滲碳后跳動對淬火后內齒圈跳動均有影響，故熱前機械加工過程的精度和滲碳后的變形控制都是影響熱處理變形的關鍵因素。

（3）由于滲碳和淬火后零件齒圈均存在跳動，根據(jù)數(shù)據(jù)分析滲碳后跳動和淬火跳動對產品的跳動均有顯著相關性，故采用DOE確定經(jīng)濟合理的跳動數(shù)值，具體實驗運行和結果見表2和圖4。根據(jù)實驗設計測得數(shù)據(jù)，以及經(jīng)濟性的要求，確定要求：“滲碳后跳動小于0.18；淬火后跳動小于0.12”。

表2 DOE實驗設計

2.2 滲碳前的機加工變形控制

由于內齒圈零件為薄壁件，采用普通的固定、夾緊方式，零件因加持處受力變形，而導致零件跳動增大，如圖5所示，在外圓面上呈規(guī)律的三角形，即三爪夾持力造成。

對現(xiàn)有工藝進行改進，車外圓時使用專用的夾具，內孔定位，端面支靠和固定，避免零件變形，見圖6。

車內孔和端面時，則采用包爪形式，加大零件受力面積，減少壓強，減小零件因變形而導致的跳動增大［1］。

圖4 實驗運行結果

圖5 零件圓度測量結果

圖6 零件夾具設計示意圖

同時插齒切削力大，導致機加應力，在測量階段即出現(xiàn)在設備上測量和從機床夾具上取下測量的結果不一致的現(xiàn)象。在插齒工序中增加釋放粗插齒應力工步，調整和控制零件夾緊力，降低插齒的切削應力。粗插齒后將夾緊螺釘松一個螺距后，再次夾緊，有效釋放切削應力，確保精插齒后尺寸的一致性。

2.3 通過改進工藝來改善滲碳后的變形

對熱處理工藝而言滲碳后的變形有幾個因素影響：滲碳溫度；升溫速度；裝料方式；滲碳后冷卻速度［2］。所以為控制滲碳后齒圈變形采取了措施：通過以上措施聯(lián)合作用滲碳后外圓橢圓度平均在0.15 mm以內。

（1）降低滲碳溫度，同等條件下外圓平均橢圓度由900℃的0.35 mm提高到了0.25 mm；

（2）采用預熱方式減少加溫過快產生的熱應力變形，先將零件預熱再進爐滲碳［3］；

（3）滲碳完成后零件隨爐冷到830℃左右再空冷，減少冷卻速度太快產生的變形；

（4）在裝爐方式上進行了控制，避免冷卻不均而產生變形，采用比較合適和經(jīng)濟的裝爐重疊數(shù)，不超過2件。

2.4 淬火變形控制

采用零件外圓滑塊擠壓淬火，淬火示意如圖7所示。

圖7 壓力淬火模具示意圖

為了使外環(huán)錐面通過滑塊把力均勻作用在零件外圓上，芯模外齒必須與機床中心同軸度要很小，所以底模必須與機床堵頭定位，才能保證零件淬火時同時受力且均勻。

2.5 齒形齒向變形控制

通過對09-3批熱處理后內齒圈齒廓形狀進行了檢查，發(fā)現(xiàn)齒廓偏差呈錐度（見圖8），從中看出均勻有規(guī)律，故試驗對零件采用熱前預留變形來抵消熱后齒廓形狀錐度偏差。

圖8 零件熱后齒廓形狀偏差

將插齒刀的齒廓形狀設計成反錐度，見圖9。零件采用修形插齒刀后齒形見圖10。改進后對2010-2批進行試驗，熱處理后，內齒圈零件齒形得到有效修正，見圖11，成功改進內齒齒廓形狀偏差不合格狀態(tài)。

圖9 插齒刀齒廓形狀偏差

圖10 修形插齒刀加工的零件齒廓偏差

圖11 修形后零件熱后齒廓偏差

3 達到的效果

薄壁滲碳淬火內齒圈變形加工技術研究達到了預期效果，滲碳、淬火后校正比例小，即使校正了也達到了變形要求。經(jīng)過批生產驗證成功取消了磨齒工序，質量穩(wěn)定，變形符合設計要求。

4 創(chuàng)新點

（1）利用MINITAB軟件對內齒圈熱處理變形數(shù)據(jù)進行分析，優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)。

（2）插齒工序粗插齒后增加釋放插齒應力工步，調整夾緊力，消除機加工應力。

（3）采用齒廓反錐度的插齒刀增加內齒圈的熱處理預變形。

（4）淬火由傳統(tǒng)的齒頂固定單向控制花鍵變形改變?yōu)檎w花鍵芯模固定，外圓擠壓雙向控制變形，解決花鍵橢圓和錐度技術難點。

［1］吳拓.現(xiàn)代機床夾具設計［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2011.

［2］張俊善.材料的高溫變形與斷裂［M］.北京：科學出版社，2007.

［3］金榮植.齒輪熱處理常見缺陷分析與對策［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2013.