對(duì)比了5種不同的金屬材料，針對(duì)熱處理指標(biāo)、尺寸變形和生產(chǎn)平順性選擇合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)，在相同的制造工藝前提下(機(jī)械加工工藝及熱處理工藝完全相同)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析了5種汽車變速箱齒輪材料在生產(chǎn)制造過程中表現(xiàn)出的優(yōu)劣性，為汽車變速箱材料選型提供了依據(jù)。

　　1 汽車齒輪常用材料介紹

　　汽車變速箱齒輪材料不僅要有良好的強(qiáng)度、韌性、耐磨性，而且還要求變形小、加工精度高。在齒輪的熱處理加工工藝中，除了一般的淬火、回火外，還采用滲碳淬火、氮化處理、高頻淬火等多種表面硬化工藝。對(duì)齒輪材料技術(shù)要求有：

　　1)足夠的芯部淬透性、表面硬度和深層，并確保齒輪滲碳淬火時(shí)滲碳層和芯部不出現(xiàn)過冷奧氏體分解物;

　　2)齒輪滲碳淬火后尺寸變形小且均勻，便于后續(xù)的精加工。

　　汽車齒輪常用的國(guó)產(chǎn)材料有 20CrMnTi、20CrMo、 20MnCr5、25CrMnS4 等，本文對(duì)比了以上 4 種國(guó)產(chǎn)材料及德國(guó)進(jìn)口材料(型號(hào) TL4521)在相同制造工藝下(機(jī)械加工工藝及熱處理工藝完全相同) 所表現(xiàn)出來的材料優(yōu)劣性。

　　2 汽車齒輪制造過程的評(píng)價(jià)參數(shù)介紹

　　齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)有齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、齒頂高系數(shù)和螺旋角等;齒輪制造過程中的評(píng)價(jià)參數(shù)有跨棒距MDK、徑跳 FR和齒輪精密測(cè)量報(bào)告等，表 1 所示為汽車變速箱齒輪零件在制造過程的評(píng)價(jià)參數(shù)。

　　表1 汽車變速箱齒輪零件在制造過程的評(píng)價(jià)參數(shù)

　　齒輪的精密測(cè)量報(bào)告主要評(píng)價(jià)齒輪齒面修形誤差(實(shí)際形狀與設(shè)計(jì)的非理論漸開線齒形之間的偏差)及分度誤差(周節(jié)誤差)，齒面修形誤差包括齒形角偏差、齒形形狀誤差、齒形鼓形量、齒向角偏差、齒向形狀誤差和齒向鼓形量等，分度誤差包括單個(gè)周節(jié)誤差、周節(jié)累計(jì)誤差等，這些參數(shù)決定了齒輪的加工精度等級(jí)，影響了變速箱的振動(dòng)和噪聲。

　　3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇： 為了對(duì)比上述的 5 種材料在汽車變速箱齒輪加工制造過程中所體現(xiàn)的性能好壞，本文選取了表 2 所示的關(guān)鍵指標(biāo)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，表中的尺寸全部為齒輪零件生產(chǎn)制造過程中的核心尺寸。評(píng)價(jià)尺寸的選擇并不是越多越好，最好用少而精的尺寸來準(zhǔn)確反映零件的整體性能。

　　表2 材料評(píng)價(jià)指標(biāo)

　　評(píng)分原則的確定：為了系統(tǒng)地評(píng)價(jià)上述 5 種材料在齒輪加工制造過程中所體現(xiàn)的性能好壞，對(duì)尺寸變形的大小(波動(dòng)及變形量)采用量化的評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)為了考核不同批次毛坯材料及不同輪次實(shí)驗(yàn)的影響，增加了一項(xiàng)“材料性能一致性”評(píng)價(jià)指標(biāo)，用多輪實(shí)驗(yàn)中每項(xiàng)尺寸指標(biāo)平均變形量的最大值減去最小值，再除以該尺寸的公差來進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)原則如表 3 所示。

　　表3 尺寸變形評(píng)價(jià)規(guī)則

　　實(shí)驗(yàn)方案整體設(shè)計(jì)：實(shí)驗(yàn)采用 ECM 真空熱處理爐，使用 8 種齒輪類零件(4 種小齒輪，1 種大齒圈，2 種軸，1 種同步器)。按照精加工形式，又可以劃分為 3 種磨齒類零件、4 種剃齒類零件。由于剃齒類零件最終成品尺寸由熱處理變形保證，因此對(duì)剃齒類零件進(jìn)行 5 輪實(shí)驗(yàn)，對(duì)磨齒類零件進(jìn)行 3 輪的實(shí)驗(yàn)，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。每輪實(shí)驗(yàn)中，5 種材料的實(shí)驗(yàn)件分別加工 9 件，并排放在熱處理料盤的 8 個(gè)角落及中心(即熱處理九點(diǎn)實(shí)驗(yàn))。零件在熱處理投爐前按照表 2 中的尺寸進(jìn)行測(cè)量，并在零件上標(biāo)注測(cè)量點(diǎn)，熱處理完成后按照相同的測(cè)量點(diǎn)再次進(jìn)行測(cè)量，從而獲得準(zhǔn)確的尺寸變形量。齒輪零件使用的真空熱處理主要參數(shù)如表 4 所示。

　　表4 齒輪零件的真空爐主要參數(shù)

　　4 數(shù)據(jù)分析

　　熱處理指標(biāo)分析：由 5 種齒輪零件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出來：

　　1)材料TL4521、20MnCr5、20CrMnTi (J₉=37~40)、20CrMnTi (J₉= 35~38)在芯部硬度、表面硬度和層深等3方面全部合格 ;

　　2)材料 20CrMo 及 20CrMnTi(J₉=32~35)由于淬透性不足，導(dǎo)致在相同的工藝條件下，芯部硬度不足夠，其中 20CrMo 材料對(duì)應(yīng)的一擋換擋齒輪零件的各項(xiàng)熱處理指標(biāo)如圖 1 所示;

　　表5 熱處理指標(biāo)分析

　　3)材料 25CrMnS4 只在軸零件上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)論是熱處理指標(biāo)全部合格。

　　尺寸變形分析：如表 6 所示，由 5 種齒輪零件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：

　　表6 尺寸變形分析

　　1)5 種零件的累計(jì)總分，TL4521 最高，其次是 20CrMo 和 20CrMnTi (J₉=35 ~38);

　　2)單項(xiàng)最低分方面，20MnCr5、20CrMnTi(J₉=37~40)及 20CrMnTi(J₉=32~35)都出現(xiàn) 0 分項(xiàng)，即變形量超出了公差范圍;

　　3)材料 25CrMnS4 只在軸零件上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn) ，總分由高到低的順序?yàn)?TL4521、25CrMnS4、20CrMo、20MnCr5、20CrMnTi。

　　在尺寸變形評(píng)價(jià)過程中，已經(jīng)對(duì)異常數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析和剔除，以避免由于數(shù)據(jù)異常造成的分析結(jié)果差異，但由于采樣評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)點(diǎn)有限，不能保證完全體現(xiàn)材料的真實(shí)性能。

　　生產(chǎn)平順性： 在實(shí)驗(yàn)的過程中，4 種國(guó)產(chǎn)材料(20CrMnTi、20CrMo、 20MnCr5、25CrMnS4) 在車削工序出現(xiàn)了不同程度的纏屑，如圖 2(a)所示。20CrMnTi 材料對(duì)應(yīng)的一擋換擋齒輪在插齒工序出現(xiàn)了材料黏刀現(xiàn)象，導(dǎo)致加工完成的零件端面有壓傷，屬于外觀缺陷，如圖 2(b)所示。提高國(guó)產(chǎn)毛坯材料的硬度，可減少車削工序纏屑和插齒工序材料黏刀現(xiàn)象，比如20CrMnTi 材料的硬度由原來的 167~192 HB 提升到 180~200 HB。再結(jié)合車床、插齒機(jī)設(shè)備參數(shù)優(yōu)化，可完全消除這些加工缺陷，滿足生產(chǎn)平順性要求。

　　5 結(jié) 論

　　本文對(duì)比了5種不同的金屬材料(TL4521、20CrMnTi、 20CrMo、20MnCr5、 25CrMnS4)，從熱處理指標(biāo)、尺寸變形和生產(chǎn)平順性等 3 個(gè)方面出發(fā)，通過選擇合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)，在相同的制造工藝前提下(機(jī)械加工工藝及熱處理工藝完全相同)開展實(shí)驗(yàn)，分析了 5 種汽車變速箱齒輪材料在生產(chǎn)制造過程中體現(xiàn)出的優(yōu)劣性。

　　在熱處理指標(biāo)方面，TL4521、20MnCr5、20CrMnTi(J9= 37~40)、20CrMnTi(J9=35~38)能保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)全部在合格范圍內(nèi);在尺寸變形方面，采用量化的評(píng)價(jià)方式，齒輪和同步器零件尺寸變形由大到小的順序?yàn)門L4521、 20CrMo、20CrMnTi、20MnCr5，軸零件尺寸變形由大到小的順序?yàn)?TL4521、25CrMnS4、20CrMo、20MnCr5、 20CrMnTi;在生產(chǎn)平順性方面，4 種國(guó)產(chǎn)材料在車削工序出現(xiàn)了不同程度的纏屑，材料 20CrMnTi 在插齒工序出現(xiàn)材料黏刀現(xiàn)象，通過調(diào)整毛坯硬度及優(yōu)化設(shè)備加工參數(shù)，缺陷可以完全消除。

　　本文提供的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，不同于實(shí)驗(yàn)室里的材料組織成分分析及齒輪疲勞壽命評(píng)價(jià)，是從生產(chǎn)制造角度對(duì)常用汽車齒輪材料的優(yōu)劣性進(jìn)行評(píng)價(jià)，給變速箱齒輪材料選型提供另一種參考維度。汽車變速箱齒輪材料的具體選型需要綜合考慮成本、質(zhì)量、壽命等，依據(jù)變速箱臺(tái)架實(shí)驗(yàn)及整車路試實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行最終確定。