汽車變速器56R擋中間軸校直裂紋的分析與研究

　　王慶元，李玉捷，姚海洋，徐金忠，白 萌，王金祥

　　(1.德州齒輪有限公司，山東德州253018)

　　摘要：為了降低汽車變速器56R擋中間軸自動(dòng)校直的校直裂紋廢品率，采用酸煮法檢測校直裂紋，通過分析校直裂紋的產(chǎn)生原因并采取相應(yīng)的改善措施，使其實(shí)際校直裂廢品率達(dá)到0.29%的行業(yè)較高水平。

　　關(guān)鍵詞：校直裂紋;自動(dòng)校直機(jī);變速器;酸煮法;QASS

    軸類零件在熱處理過程中容易產(chǎn)生彎曲變形，為保證熱后加工和產(chǎn)品質(zhì)量，這類零件在熱后通常需要校直。在校直過程中，受彎工件會(huì)受到不同程度的拉應(yīng)力，而當(dāng)拉應(yīng)力超過該截面的抗拉強(qiáng)度時(shí)，零件會(huì)產(chǎn)生裂紋甚至斷裂。傳統(tǒng)的手動(dòng)校直方法對零件產(chǎn)生的微裂紋無法進(jìn)行判斷，一般需要通過磁粉探傷或滲透著色探傷等方法來判斷工件是否有裂紋，但是這些方法均受到很多條件的限制，經(jīng)常出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。

　　為了校正因熱處理強(qiáng)化而產(chǎn)生的形變問題，在汽車工業(yè)開發(fā)了自動(dòng)校直機(jī)應(yīng)用于軸齒輪的校直工序。一方面，全球每天有成千上萬件的鋼軸在校直時(shí)因?yàn)榻?jīng)不住高負(fù)荷而不得不報(bào)廢;另一方面，總是存在著由于加工過程中產(chǎn)生的工件損傷未被識別出來，而將已經(jīng)損壞的鋼軸安裝到變速箱中的危險(xiǎn)。為識別被校直的堅(jiān)硬工件中所出現(xiàn)的損傷，2001年5月由兩位多年的好友RainerPeitz和 UlrichSeuthe在德國的Wetter小城成立了QASS責(zé)任有限公司。5個(gè)月后，當(dāng)年的10月份，第一套系統(tǒng)被成功裝載到校直機(jī)上，隨后的幾年時(shí)間，此自動(dòng)辨識工件在負(fù)荷過程中所出現(xiàn)裂紋的識別系統(tǒng)從美國遍布至全球。某公司為生產(chǎn)乘用車變速器軸齒輪引進(jìn)了具有QASS CiS.01軟件意大利進(jìn)口GALDIBINIPSA/3型自動(dòng)校直機(jī)，因裂紋報(bào)警值參數(shù)設(shè)定存在問題，在校直過程中被QASS系統(tǒng)識別出來的報(bào)警零件較多，致使校直裂廢品率居高不下。無益地增加加工成本，影響公司效益。況且，多年來也不知道其裂紋的狀態(tài)和產(chǎn)生部位，不利問題的改善與加工水平的提升。為此，對56R擋中間軸進(jìn)行校直裂的分析與研究。通過檢測校直裂、改善加工工藝、最終降低該零件的校直廢品率，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

　　1 校直裂紋的檢測

　　1.1 QASS技術(shù)

　　QASS CiS.01裂縫探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)用于監(jiān)控軸校直過程中,工件上出現(xiàn)裂縫和發(fā)生斷裂的情況。NDT過程實(shí)時(shí)起作用以便CiS.01及時(shí)探測出裂縫和斷裂的部位，并立即將這部分標(biāo)識出來并移開。該先進(jìn)系統(tǒng)減少了將有潛藏裂縫的工件應(yīng)用到最終產(chǎn)品中的可能性。QASS CiS.01裂縫探測系統(tǒng)是在在校直過程中監(jiān)控裂紋產(chǎn)生過程，由于工件承受巨大壓力而可能導(dǎo)致破裂。常規(guī)的裂紋探測方法往往并不十分適用。當(dāng)校直過程中的壓力釋放之后，裂紋已經(jīng)存在于工件當(dāng)中，因?yàn)楹芗?xì)小常規(guī)的裂紋探測或肉眼并無發(fā)現(xiàn)任何破損跡象。

　　1.2 QASS技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

　　(1) 區(qū)分明顯的篩選出受損工件。

　　(2)提供用以優(yōu)化生產(chǎn)過程以及減少報(bào)廢的信息。

　　1.3 QASS信號測評

　　在有裂縫出現(xiàn)的情況下,信號能量通常遵循著如圖1所示的曲線走向。

　　當(dāng)能量界值超過“裂紋界限”，該工件將被視為已開裂。

　　當(dāng)能量界值超過“斷裂界限”，該工件將被視為已斷裂。

　　圖1 信號能量

　　2 裂紋檢測

　　2.1 校直設(shè)備與工藝

　　該公司采用的是具有QASS CiS.01軟件GALDIBINIPSA/3型自動(dòng)校直機(jī)，圖2為56R擋中間軸實(shí)物圖片。QASS CiS.01軟件，在供貨范圍內(nèi)提供一套裂紋檢測裝置以及對工件的相關(guān)參數(shù)設(shè)置的預(yù)設(shè)置，為了得到準(zhǔn)確值我們在生產(chǎn)中做了大量實(shí)驗(yàn)工作以獲取該零件的出現(xiàn)裂紋最小能量值，即裂紋報(bào)警值。

　　圖2 56R擋中間軸

　　將裂紋報(bào)警值分別設(shè)定為200、160、120和70，對QASS系統(tǒng)識別出來的裂紋零件進(jìn)行分析并策劃檢測方案，實(shí)施酸煮實(shí)驗(yàn)進(jìn)行校直裂紋的確認(rèn)。

　　2.1 酸煮實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果

　　采用不同裂紋報(bào)警值，通過QASS系統(tǒng)識別出來具有不同能量值的“裂紋零件”見表1，并及時(shí)采用酸煮法實(shí)驗(yàn)檢測確認(rèn)其是否存在校直裂紋。酸煮實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果見圖3。從檢測結(jié)果觀察，該零件的最小裂紋能量值約為202;裂紋部位出現(xiàn)在傳感器02或04部位;裂紋報(bào)警零件能量值為333-454未發(fā)現(xiàn)校直裂紋的5件，為設(shè)備存在噪音干擾產(chǎn)生的誤報(bào)現(xiàn)象。

　　表1 自動(dòng)校直機(jī)QASS系統(tǒng)檢測出來校裂紋零件的能量值

　　圖3 校直裂紋實(shí)物照片

　　3 校直裂紋技術(shù)分析

　　3.1 熱處理變形

　　56R擋中間軸采用20CrMnTiH材料制造，其預(yù)先熱處理采用等溫正火處理，最終熱處理為滲碳淬火處理。任何造成前序滲碳淬火熱處理變形的因素均會(huì)間接使校直工藝性惡化，易出現(xiàn)校直裂問題。即校直初始變形量越大，校直產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)越大。齒輪加熱過程中的變形、齒輪淬火冷卻過程的變形、鋼材冶金因素對變形的影響。具體表現(xiàn)為：(1)應(yīng)力的釋放與變形;(2)加熱中組織轉(zhuǎn)變與變形;(3)加熱的不均勻性與變形;(4)齒輪毛坯等溫正火后組織和硬度的離散度與滲碳加熱變形;(5)預(yù)熱、階梯升溫加熱與變形;(6)工件結(jié)構(gòu)因素引起的冷卻不均勻與變形;(7)工件裝卡引起的冷卻不均勻與變形;(8)冷卻介質(zhì)特性引起的冷卻不均勻與變形;(9)鋼材的冶金因素，如晶粒度、非金屬夾雜、帶狀組織、淬透性與變形。

　　3.2 工件結(jié)構(gòu)因素

　　從檢測結(jié)果觀察到56R擋中間軸發(fā)生校直裂紋的部位均出現(xiàn)在傳感器02或04部位，說明階梯軸類零件的過渡圓角與油孔的倒角是應(yīng)力集中處，應(yīng)力集中削弱了工件的最大彈性彎矩。若熱前過渡圓角與油孔的倒角尺寸加工不夠大，對校直裂的產(chǎn)生影響很大。對QASS識別出來的裂紋零件，采用輪廓儀測量，報(bào)告顯示存在油孔倒角<0.30、過渡圓角

　　3.3 自動(dòng)校直工藝

　　56R擋中間軸校直精度為0.03，設(shè)備采用6個(gè)傳感器監(jiān)控零件加工與變化情況。自動(dòng)校直機(jī)過程設(shè)計(jì)著重從以下幾點(diǎn)考慮：

　　(1)初始變形量：設(shè)定不同的初始變形量識別零件并合理分批，有針對性地采用不同的校直程序進(jìn)行加工。

　　(2)支撐點(diǎn)和下壓點(diǎn)的確定：遵循力學(xué)理論以及零件結(jié)構(gòu)合理確定。56R擋中間軸采用墊鐵P303墊鐵、P353兩點(diǎn)支撐，兩個(gè)壓點(diǎn)的工藝設(shè)計(jì)。增加油孔檢測程序，避開油孔與階梯軸過渡圓角處正對壓頭時(shí)進(jìn)行校直。

　　(3)下壓量：采用自動(dòng)校直機(jī)試教的方式確定下壓量。避免過度校直和反復(fù)校直造成的加工硬化惡化校直工藝性情況出現(xiàn)。

　　(4)下壓速度：產(chǎn)前試教調(diào)整時(shí)，結(jié)合生產(chǎn)節(jié)拍，在生產(chǎn)效率能滿足30s的情況下，首選較緩慢的下壓速度，可減少校直裂紋的產(chǎn)生。

　　4 工藝改善與效果

　　依據(jù)酸煮試驗(yàn)檢測取得的該零件校直裂紋的具體狀況，重點(diǎn)對56R擋中間軸熱前的過渡圓角與油孔的倒角加工質(zhì)量的進(jìn)行跟蹤，并及時(shí)優(yōu)化機(jī)加工加工程序，使其外形尺寸達(dá)到工藝技術(shù)要求。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)工藝優(yōu)化改善后跟蹤一個(gè)月，56R擋中間軸校直裂實(shí)際廢品率0.29%，降低了該零件的實(shí)際廢品率，減小公司的加工成本，趕上或超過世界該領(lǐng)域的先進(jìn)加工水平。

　　5 結(jié)語

　　通過檢測校直裂，獲取到56R擋中間軸校直裂紋最小能量值約為202，并對校直裂問題采取相應(yīng)的改善措施，使56R擋中間軸校直裂實(shí)際廢品率達(dá)到0.29%的較高水平。后續(xù)將對以下殘留問題開展工作：

　　(1)持續(xù)跟蹤校直加工過程，不斷修正與優(yōu)化校直報(bào)警參數(shù)。

　　(2)改善設(shè)備存在噪音，盡量消除其干擾產(chǎn)生的誤報(bào)現(xiàn)象。

　　(3)校核QASS系統(tǒng)精度。

　　最后并將此56R擋中間軸校直裂紋的分析與研究橫展至汽車變速器輸入軸校直裂紋改善之中。