變速器倒擋內(nèi)花鍵變形控制研究

馬堅(jiān)

江鈴汽車股份有限公司 江西南昌 330001

汽車變速器520機(jī)型設(shè)計上采用的是倒擋與中間軸通過花鍵形式聯(lián)接，即倒擋內(nèi)花鍵與中間軸外花鍵相連裝配，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊、加工簡單。但是倒擋內(nèi)花鍵對熱處理工序加工不夠友好，零件滲碳淬火后內(nèi)花鍵出現(xiàn)軸向錐度大、M值超差現(xiàn)象，無法通過塞規(guī)，合格率低。

問題提出

江鈴汽車股份有限公司生產(chǎn)的一款變速器520機(jī)型用于商用車，其倒擋齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計為內(nèi)花鍵（見圖1），與中間軸外花鍵相配。在零件滲碳淬火（以下簡稱熱處理）后，內(nèi)花鍵呈現(xiàn)軸向錐度，M值超差，無法通過塞規(guī)檢測，不合格率高達(dá)20%以上。對于不合格品，采取的措施主要是通過熱后推刀硬拉的方式修正花鍵，必要時硬車內(nèi)花鍵小徑，以此來減少零件報廢。

圖1 零件結(jié)構(gòu)示意

內(nèi)花鍵結(jié)構(gòu)的熱處理變形問題一直是機(jī)械加工和熱處理行業(yè)的疑難問題。變速器520機(jī)型年產(chǎn)量為10萬臺左右，按20%的不合格率來計算，每年就有2萬件零件不合格。即使全數(shù)返工，最終也有10%左右的零件因變形嚴(yán)重?zé)o法返工回用而報廢。如何控制倒擋內(nèi)花鍵熱變形，提高零件熱加工后合格率成為擺在工程技術(shù)人員面前的一道難題。

倒擋內(nèi)花鍵熱變形控制研究

影響內(nèi)花鍵熱變形的因素很多，根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工路線來看，主要有原材料、鍛造、機(jī)加工和熱處理四個方面。因此，控制內(nèi)花鍵變形需要從這四個方面協(xié)同開展。

1.原材料因素

該倒擋齒輪材料為20CrMoH，材料冶煉工藝穩(wěn)定，淬透性好，碳氮共滲工藝性能良好，熱處理后的變形量小，加工制造性能和焊接性能均良好，適宜用于制造中小模數(shù)齒輪和軸類等零件。但是原材料的冶煉控制和質(zhì)量波動需要得到保障，才能減少原材料帶來的變形影響。

考慮到該倒擋齒輪結(jié)構(gòu)為薄壁，而淬透性是影響變形的重要因素，因此在可能的條件下，選取較低的淬透性原材料，并盡量減少淬透性帶寬，有利于零件熱處理變形。基于此，最終確定倒擋齒輪選用20C r M o H-L1型材料，末端淬透性滿足J5=35～43HRC，J9=29～37HRC，J15=23～31HRC。

2.鍛造與預(yù)熱處理因素

合適的鍛造工藝能夠使得鍛件內(nèi)部致密且組織均勻，有利于控制最終熱處理的零件變形。鍛造過程中的氧化、脫碳、過熱、過燒、鍛造流線及鍛造裂紋等缺陷，會影響齒輪內(nèi)花鍵的變形，需要選擇合適的鍛造溫度、鍛造模具、鍛造方式等工藝，并保持穩(wěn)定。鍛造后的預(yù)熱處理一般是正火，正火的溫度、保溫時間、冷卻速度與冷卻方式等需要確定合適的參數(shù)，并保持穩(wěn)定。必須穩(wěn)定鍛造與預(yù)熱處理過程，減少該過程的波動，以降低最終熱處理的零件變形。

3.機(jī)加工工藝因素

該零件為熱前冷拉方式加工內(nèi)花鍵。加工內(nèi)花鍵的方式有兩種：臥式拉床和立式拉床。拉花鍵的方式有兩種：正向拉花鍵和反向拉花鍵。倒擋齒輪內(nèi)花鍵上下兩端結(jié)構(gòu)基本上屬于勻稱，結(jié)構(gòu)對稱，驗(yàn)證正向拉花鍵和反向拉花鍵無顯著區(qū)別；比較臥式拉床和立式拉床拉花鍵后的軸向錐度，臥式拉花鍵錐度為0.035mm，立式拉花鍵錐度為0.02mm，立式拉花鍵錐度更小，選擇立式拉床加工。

4.熱處理工藝因素

通過前面三個方面的分析和控制，已經(jīng)把影響倒擋內(nèi)花鍵熱變形的外部因素降低到了最小，接下來是最為關(guān)鍵的熱處理工序。整個熱處理過程由滲碳、淬火和回火三個主要部分構(gòu)成，影響內(nèi)花鍵變形的關(guān)鍵因素有滲碳溫度、淬火溫度、淬火油溫、攪拌速度、工裝及裝爐方式等。

（1）滲碳溫度 滲碳溫度過高，齒輪升溫速度過快，零件內(nèi)外溫差大，形成較大的熱應(yīng)力，不利于后續(xù)的變形控制。因此為減小變形，滲碳溫度從920℃調(diào)整為890℃，此溫度既滿足零件的滲碳生產(chǎn)效率，又降低了變形量。

（2）淬火溫度 淬火溫度越高，零件在淬火過程中產(chǎn)生的組織應(yīng)力越大，變形也越大。因此，為了減少變形，在確保零件中不出現(xiàn)鐵素體和非馬氏體組織，滿足表面硬度要求的前提下，盡量選擇較低的淬火溫度。經(jīng)工藝調(diào)整并兼顧生產(chǎn)效率，淬火溫度從850℃調(diào)整為835℃。

（3）淬火油溫 淬火油溫越高，零件淬火時的溫差越小，有利于減少熱應(yīng)力引起的變形。但是油溫不能超過油品的使用溫度值，且要滿足運(yùn)動黏度和冷卻特性值，確保零件淬火完成組織轉(zhuǎn)變，達(dá)到所需的表面硬度、硬化層深和心部組織。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，確定淬火油溫從60℃提升至80℃。

（4）攪拌速度 攪拌速度影響淬火烈度，快速攪拌在單位時間內(nèi)提供更多的淬火油給零件冷卻，同時帶來更大的變形。為了減少內(nèi)花鍵變形，淬火時必須要限制油的流動量，因此選擇較低的攪拌速度，有利于控制淬火變形。通過不同攪拌速度的驗(yàn)證，選擇600r/min的攪拌速度，可以獲得較為理想的變形量。

（5）工裝及裝爐方式 工裝及裝爐方式對零件的滲碳和淬火過程都有著直接的影響。在其他工藝參數(shù)穩(wěn)定不變的情況下，針對內(nèi)花鍵結(jié)構(gòu)采取補(bǔ)償淬火工裝的方式可以減少內(nèi)孔收縮量，從而降低內(nèi)花鍵變形。

裝爐方式主要有串裝吊立和平放疊裝兩種。傳統(tǒng)上認(rèn)為平放疊裝方式不利于內(nèi)花鍵變形，其原因?yàn)椋河捎邶X輪接觸面較大，使?fàn)t內(nèi)各零件溫度的均勻性和滲碳?xì)夥盏牧鲃有越档?。淬火時，淬火油較難均勻透入，因此這種裝爐方式，齒輪內(nèi)花鍵變形較大。故而多采用串裝吊立的方式裝爐（見圖2）。

圖2 串裝吊立示意

然而經(jīng)過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，采取以上措施和補(bǔ)償串桿方式裝爐熱處理后，倒擋齒輪內(nèi)花鍵的M值合格，但是仍然有10%比例的零件無法通過塞規(guī)。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，采用串裝吊立的方式熱處理，內(nèi)花鍵變形呈橢圓狀，雖然M值合格，但是內(nèi)花鍵的小徑因橢圓變形大，導(dǎo)致無法通過塞規(guī)。進(jìn)一步分析認(rèn)為，零件串裝吊立在高溫狀態(tài)下，受重力作用發(fā)生變形，下方部分沒有支撐向下拉墜，上方部分受串桿支撐阻擋向下拉墜，導(dǎo)致整個零件內(nèi)孔呈橢圓形變形（見圖3）。

圖3 串裝吊立受力示意（向下重力，向上支撐力）

考慮該零件為薄壁結(jié)構(gòu)且分布勻稱，無材料厚薄明顯之處，采用平放疊裝的方式裝爐，能夠減少重力對內(nèi)孔橢圓變形的影響（見圖4）。同時用補(bǔ)償芯軸來減少內(nèi)孔淬火油流速和流量，實(shí)現(xiàn)減少內(nèi)花鍵變形效果。驗(yàn)證結(jié)果顯示，零件M值合格，橢圓度從串裝的0.07mm減小至0.035mm，塞規(guī)100%通過，解決了該零件內(nèi)花鍵變形導(dǎo)致產(chǎn)品不合格的問題。

圖4 平放疊裝工裝及裝爐方式

倒擋內(nèi)花鍵熱變形控制研究的改善效果

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，公司對N520機(jī)型倒擋做外、內(nèi)兩個大系統(tǒng)的管控。外部方面，與鋼廠重新制定了材料標(biāo)準(zhǔn)，控制淬透性帶寬；與鍛造和預(yù)熱處理供應(yīng)商確定了合理的鍛造和預(yù)熱處理工藝，并形成定期溝通過程管控結(jié)果的機(jī)制，穩(wěn)定工藝過程。內(nèi)部方面，機(jī)加工工藝固化了立式拉床加工內(nèi)花鍵，熱處理工藝選擇了最佳溫度、淬火和工裝條件。通過以上措施的實(shí)行，倒擋內(nèi)花鍵不合格率降至零，徹底解決了內(nèi)花鍵變形的問題，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效果。

當(dāng)然，熱變形問題是熱處理持續(xù)關(guān)注的問題，是一個多因素綜合影響的問題，更是一個需要長期穩(wěn)健的過程，需要各方面協(xié)調(diào)處理。