本文通過(guò)分析研究齒輪加工的全過(guò)程，并通過(guò)對(duì)一汽解放傳動(dòng)事業(yè)部變速器廠生產(chǎn)的剃齒工藝齒輪進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，最終總站岀齒輪齒距累積偏差(Fp)如何100%保證8級(jí)的良品條件，并提煉出各工藝過(guò)程的關(guān)鍵控制要素。

　　變速器齒輪階次噪聲為整車(chē)主要噪聲來(lái)源之一，其 NVH性能對(duì)整車(chē)性能具有決定性的影響。而對(duì)變速器齒輪階次噪聲影響最大的就是齒輪精度，提升齒輪精度是提升變速器NVH性能的關(guān)鍵，但由于整個(gè)齒輪的制造工藝流程復(fù)雜，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、毛坯預(yù)處理、熱前加工、熱處理、熱后加工，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，都將對(duì)齒輪精度造成直接影響，特別是對(duì)于熱處理后不在進(jìn)行精加工的剃齒工藝齒輪來(lái)說(shuō)，受熱處理變形影響，其成品精度將更難得到保證。本文就如何保證滾剃工藝齒輪的齒距累積偏差(Fp)進(jìn)行研究。

　　對(duì)于變速器而言，為保證箱體的輕量化，傳動(dòng)比合理，總會(huì)有一兩種齒輪腹板更薄，直徑更大，該種齒輪在熱處理后更容易發(fā)生變形，其成品精度更加難以保證設(shè)計(jì);本文通過(guò)分析研究影響齒輪加工全過(guò)程，并選取一汽解放傳動(dòng)事業(yè)部變速箱廠生產(chǎn)的某寬徑比較大零件作為典型零件，通過(guò)控制變量法對(duì)每道工序的核心要素進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，最終提煉出齒輪齒距累積偏差(Fp)如何100%保證GB8級(jí)的關(guān)鍵控制要素。

　　一、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對(duì)齒輪齒距累積偏差(Fp)影響的分析預(yù)測(cè)

　　產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對(duì)齒輪齒距累積偏差(Fp)的分析預(yù)測(cè)

　　齒輪的設(shè)計(jì)必然影響其熱處理變形，齒輪熱處理后的變形受其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性、實(shí)體體積占比、齒輪外徑同厚度的比、腹板厚度等因素影響;齒輪各截面尺寸差異大，將導(dǎo)致零件在升溫及降溫過(guò)程中微區(qū)溫度場(chǎng)不同，不同部位受熱及冷卻速度不同，從而使零件不同部位所受應(yīng)力場(chǎng)的大小及方向不同，導(dǎo)致各部位膨縮量不均勻，使齒輪產(chǎn)生翹曲、彎曲和扭曲及橢圓變形，造成齒輪齒距累積偏差 (Fp)衰減。

　　針對(duì)變速箱齒輪而言，受整箱中心距及強(qiáng)度限制，零件實(shí)體體積占比及齒輪外徑同厚度的比一般較為確定，以下圖零件為例，該零件左右對(duì)稱，中間由腹板連接，并帶有半齒，如圖1所示。

　　對(duì)該零件的熱處理變形規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)，為降低零件的熱處理變形，應(yīng)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上作如下處理：

　　1)對(duì)稱增加零件腹板厚度，使齒輪各截面變化趨于均勻，從而使零件在加熱冷卻過(guò)程中受熱均勻，同時(shí)腹板厚度增加可以達(dá)到增加抗扭強(qiáng)度的目的，實(shí)現(xiàn)熱處理變形降低，提高齒輪齒距累積偏差(Fp)精度。

　　2)對(duì)零件腹板進(jìn)行鉆孔處理，使零件在升溫及降溫過(guò)程中的介質(zhì)循環(huán)得到改善，從而保證零件的不同位置受熱均勻，降低熱處理變形，提高齒輪齒距累積偏差(Fp)精度;為保證零件的對(duì)稱性，應(yīng)保證各孔位均布在腹板上，是零件升溫及冷卻過(guò)程個(gè)位置溫度變化均勻。

　　試驗(yàn)驗(yàn)證

　　腹板厚度對(duì)熱處理變形的影響：對(duì)一汽解放傳動(dòng)事業(yè)部變速器廠生產(chǎn)的某款變速器齒輪進(jìn)行熱處理變形試驗(yàn)，其零件結(jié)構(gòu)同圖2-1所示零件一致，齒頂圓直徑Φ210mm，內(nèi)孔Φ70mm，試驗(yàn)零件材料為FAS3420RH;準(zhǔn)備同一爐批號(hào)同一正火號(hào)毛坯40件，其腹板厚度分別車(chē)為10 mm、14mm、18 mm、20mm，每種10件，將此4批零件使用相同的機(jī)加及熱處理設(shè)備進(jìn)行加工，機(jī)加及熱處理工藝完全一致。在熱前及熱后100%檢測(cè)齒輪齒距累積偏差，其變形數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1。

　　從表1數(shù)據(jù)可以看出：

　　1)隨腹板厚度增加，零件齒距累積偏差(Fp)的熱處理變形量會(huì)降低，腹板厚度每增加40%，齒距累積偏差熱處理變形量降低約10%。

　　2)當(dāng)腹板厚度增加至一定程度時(shí)，零件的熱處理變形量保持穩(wěn)定，不再進(jìn)行變化。

　　腹板鉆孔處理對(duì)熱處理變形的影響：對(duì)一汽解放傳動(dòng)事業(yè)部變速箱廠生產(chǎn)的某種齒輪進(jìn)行熱處理變形試驗(yàn)，其零件結(jié)構(gòu)同圖2所示零件一致;齒頂圓直徑為Φ210mm，內(nèi)孔直徑Φ60mm，腹板厚度9mm;試驗(yàn)零件材料為FAS3420RH。

　　準(zhǔn)備同一爐批號(hào)同一正火號(hào)毛坯20件，將其中10件腹板進(jìn)行鉆6孔處理，另外10件腹板無(wú)孔作為對(duì)照組，將此兩批零件使用相同的機(jī)加及熱處理設(shè)備進(jìn)行加工，機(jī)加及熱處理工藝完全一致。在熱前及熱后100%檢測(cè)齒輪齒距累積偏差，其變形數(shù)據(jù)對(duì)比如圖2所示。

　　從圖2數(shù)據(jù)可以看出：①腹板無(wú)孔零件齒距累積偏差(Fp)平均變形量為26.14μm;②腹板進(jìn)行均布鉆孔處理后，零件齒距累積偏差(Fp)平均變形量降低至18. 72μm，熱處理變形量減少28%。

　　試驗(yàn)成果應(yīng)用

　　1)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，在盡量保證零件結(jié)構(gòu)對(duì)稱的前提下，應(yīng)適當(dāng)增加零件腹板厚度，使零件各截面變化趨于均勻，可有效降低熱處理變形，提高成品齒輪精度。

　　2)對(duì)于腹板寬度較大零件，應(yīng)在腹板均布設(shè)計(jì)通孔，保證熱處理升溫及降溫的各階段能夠有效改善介質(zhì)循環(huán)，降低熱處理變形。

　　二、毛坯預(yù)處理對(duì)齒輪齒距累積偏差(Fp)的影響

　　毛坯預(yù)處理對(duì)齒輪齒距累積偏差(Fp)的影響

　　由于我國(guó)現(xiàn)行鋼材的質(zhì)量穩(wěn)定性較差，化學(xué)成分波動(dòng)大，同一零件中存在硬度偏差范圍大、帶狀組織不合格等問(wèn)題，導(dǎo)致零件的熱處理變形增大，齒輪精度損失嚴(yán)重。為解決此問(wèn)題，常規(guī)工藝為增加等溫正火環(huán)節(jié)。等溫正火的原理是將工件加熱到AC3以上30~50℃，保溫一定時(shí)間后，以合適的方式冷卻到珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)域某一合適溫度，并在此溫度下保溫，使不同零件之間和同一零件的不同位置溫度均勻變化，并在該溫度下均勻的完成鐵素體+珠光體轉(zhuǎn)變，然后在空氣中冷卻。因此，要獲得均勻分布的組織、硬度，選擇合適的保溫溫度即等溫正火轉(zhuǎn)變溫度是獲得理想組織降低零件變形的關(guān)鍵，保證奧氏體向鐵素體+珠光體轉(zhuǎn)變充分。

　　試驗(yàn)驗(yàn)證

　　對(duì)一汽解放傳動(dòng)事業(yè)部變速器廠生產(chǎn)的某款變速器內(nèi)齒輪進(jìn)行熱處理變形試驗(yàn)，零件外徑Φ210mm，內(nèi)孔Φ60mm，試驗(yàn)零件材料為FAS3420RH;將同一爐批號(hào)的40件樣本分兩批進(jìn)行等溫正火，第一批的20件樣本正火工藝要求為等溫區(qū)(540 ± 10)℃，第二批的20件樣本正火工藝等溫區(qū)溫度升高至(580 ±10)℃，其余正火工藝兩批零件完全一致。將兩批零件使用相同的機(jī)加及熱處理設(shè)備進(jìn)行加工，機(jī)加及熱處理工藝完全一致。

　　第一批樣本檢測(cè)其金相組織為3級(jí)，毛坯硬度最大為 200HB。在熱處理前后分別100%檢測(cè)其齒距累積偏差(Fp)，試驗(yàn)結(jié)果為：此20件樣本周累(Fp)精度熱處理后最大變形量為50μm，平均變形量為27μm (圖3)。

　　第二批樣本檢測(cè)其金相組織為3級(jí)，毛坯硬度最大為 175HB，此20件樣本周累(Fp)精度熱處理后最大變形量 38μm，平均變形量為18μm(圖4)。

　　從兩組數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出：

　　1)在一定溫度區(qū)間內(nèi)，提高正火轉(zhuǎn)變溫度，能夠使奧氏體向鐵素體+珠光體轉(zhuǎn)變更充分，并且能夠充分釋鍛造產(chǎn)生的應(yīng)力，零件熱處理平均變形量由27μm降低至18μm，變形量降低33%。

　　2)等溫正火工藝其正火區(qū)溫度升高以后，毛坯硬度從200HB降低至175HB。

　　試驗(yàn)成果應(yīng)用

　　1)等溫區(qū)溫度升高后其毛坯硬度會(huì)降低，熱處理變形量會(huì)減少，毛坯硬度降低至一定程度后會(huì)影響材料的切削性能，導(dǎo)致刀具不斷屑等問(wèn)題，因此我們需要在保證其切削性能的前提下，盡量提高等溫區(qū)溫度，從而達(dá)到降低熱處理變形的目的。

　　2)可以通過(guò)檢測(cè)毛坯最大硬度來(lái)監(jiān)控其等溫正火溫度及時(shí)間是否按照要求執(zhí)行;可以通過(guò)檢測(cè)同一批次零件的硬度散差及同一零件不同位置的硬度散差來(lái)初步判斷零件在正火過(guò)程中是否實(shí)現(xiàn)均勻受熱，從而排查零件是否存在擺放位置、姿態(tài)不合理等問(wèn)題。

　　三、滾齒加工對(duì)齒輪齒距累積偏差(Fp)的影響

　　滾齒加工對(duì)齒輪齒距累積偏差(Fp)影響分析

　　影響齒輪齒距累積偏差(Fp)的主要原因是，滾刀和被加工齒輪的相對(duì)位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生了變化。相對(duì)位置的變化(幾何偏心)產(chǎn)生齒輪徑向誤差;相對(duì)運(yùn)動(dòng)的變化 (運(yùn)動(dòng)偏心)產(chǎn)生齒輪切向誤差。

　　齒輪切向誤差是指滾齒時(shí)，因滾齒機(jī)分齒傳動(dòng)鏈誤差，引起瞬時(shí)傳動(dòng)比不穩(wěn)定，使機(jī)床工作臺(tái)不等速旋轉(zhuǎn)，所切齒輪的輪齒沿切向發(fā)生位移所引起的齒距累積誤差。對(duì)于傳統(tǒng)三軸滾齒機(jī)而言，在分齒傳動(dòng)鏈的各傳動(dòng)元件中，影響傳動(dòng)誤差的最主要環(huán)節(jié)是工作臺(tái)下面的分度蝸輪及齒輪箱分齒掛輪。自2013年以來(lái)，國(guó)內(nèi)各滾齒機(jī)制造廠家紛紛推出了 5 軸數(shù)控滾齒機(jī)，并成為市場(chǎng)主流，該類滾齒機(jī)取消了分齒掛輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)改為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)渦輪副配有消隙機(jī)構(gòu)，從而在極大程度上減少了齒輪的切向誤差，所以影響齒輪齒距累積偏差(Fp)主要原因就是由于幾何偏心導(dǎo)致的齒輪徑向誤差。

　　齒輪徑向誤差是由于滾齒時(shí)的旋轉(zhuǎn)中心與齒輪工作時(shí)的旋轉(zhuǎn)中心不重合導(dǎo)致的。齒坯裝在漲套上滾齒時(shí)，若其回轉(zhuǎn)中心相對(duì)于其工作中心即內(nèi)孔發(fā)生偏移，則加工出來(lái)的齒輪整個(gè)齒廓相對(duì)于工作中心產(chǎn)生徑向偏移，因?yàn)辇X廓在加工時(shí)是圍繞機(jī)床工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)的;這種齒輪各輪齒齒高不等，齒槽是一邊深寬一邊淺窄，使所切齒輪的輪齒發(fā)生徑向位移而引起齒距累積誤差(Fp)，這種誤差可以測(cè)量齒圈徑向跳動(dòng)來(lái)直接得到。

　　對(duì)于滾剃工藝齒輪，若工件在滾齒時(shí)產(chǎn)生較大的幾何偏心，測(cè)量其齒輪精度會(huì)發(fā)現(xiàn)齒圈徑向跳動(dòng)(Fr)及齒距累積偏差(Fp)均存在超差現(xiàn)象，且該零件在剃齒加工完成后的齒圈徑跳(Fr)精度會(huì)得到修正，但是齒距累積偏差(Fp)會(huì)發(fā)生衰減。這是因?yàn)樘挲X屬于自由嚙合展成法加工。剃齒時(shí)因?yàn)樵诘毒吆凸ぜg沒(méi)有剛性運(yùn)動(dòng)聯(lián)系，所以在剃齒加工的誤差源中不存在機(jī)床的傳動(dòng)鏈誤差。但剃齒加工會(huì)產(chǎn)生切向誤差，此項(xiàng)誤差是由剃前齒輪即前序滾齒產(chǎn)生 的徑向誤差轉(zhuǎn)化而來(lái)。具有幾何偏心的齒輪，剃齒后左右兩齒面出現(xiàn)大小相等、方向相反的誤差，這是具有運(yùn)動(dòng)偏心時(shí)所發(fā)生的情況。因此，剃齒加工使齒輪的幾何偏心轉(zhuǎn)化成了運(yùn)動(dòng)偏心。

　　試驗(yàn)驗(yàn)證

　　對(duì)一汽解放傳動(dòng)事業(yè)部變速器廠生產(chǎn)的某款變速器齒輪進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，該零件齒數(shù)：47，模數(shù)：2. 9mm;精車(chē)后檢測(cè)齒坯內(nèi)孔同端面垂直度為0. 01mm;滾齒時(shí)測(cè)量夾具徑跳為0.03mm;按照正常的工藝節(jié)拍進(jìn)行滾齒，其徑跳精度(Fr)為0. 076mm，齒距累積偏差(Fp)0.074mm，如圖5 所示。

　　如圖6所示，將該零件進(jìn)行剃齒加工，剃齒后測(cè)量其精度，齒圈徑跳(Fr)為0.029mm，齒距累積偏差(Fp)0.071mm。

　　試驗(yàn)成果應(yīng)用

　　1)為了保證零件熱前齒距累積偏差(Fp)滿足工藝要求，應(yīng)在滾齒階段盡量提高夾具的徑跳精度。

　　2)為了保證夾具徑向跳動(dòng)精度不衰減，對(duì)國(guó)產(chǎn)滾齒機(jī)的夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化,將夾具本體同設(shè)備工作臺(tái)的連接形式螺栓連接更改為錐孔配合，該夾具成功將夾具的徑跳精度能夠穩(wěn)定控制在0. 015mm以內(nèi)不衰減。

　　四、熱處理對(duì)齒輪齒距累積偏差(Fp)的影響

　　熱處理對(duì)齒輪齒距累積偏差(Fp)影響分析

　　熱處理過(guò)程中加熱和冷卻的不均勻以及相變的不等時(shí)性，都會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超出材料的強(qiáng)度屈服極限，就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力塑性變形。在加熱和冷卻過(guò)程中，零件的內(nèi)外層加熱和冷卻速度不同造成各處溫度不一致，致使熱脹冷縮的程度不同，這樣會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力塑性變形。零件內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變發(fā)生的時(shí)間不同，會(huì)產(chǎn)生組織應(yīng)力塑性變形。為了減少和控制熱處理變形，除了控制前文提到的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、毛坯預(yù)處理等環(huán)節(jié)外，熱處理工藝參數(shù)的設(shè)置也是控制熱處理變形的關(guān)鍵。

　　在熱處理工藝中，對(duì)工件熱加工的溫度設(shè)定是重中之重，在溫度超過(guò)AC3線后，工件的硬度并不隨溫度的上升有明顯提高，但由于溫度升高導(dǎo)致會(huì)導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力增大，導(dǎo)致變形增大;降低加熱區(qū)工藝溫度后，工件的高溫強(qiáng)度損失較小，塑性抗力增強(qiáng)，這樣工件因內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的塑性變形會(huì)減少。工藝溫度降低以后，工件加熱、冷卻的溫度梯度減少，由此引發(fā)的各個(gè)部位的溫度不一致性也會(huì)降低，從 而導(dǎo)致的熱應(yīng)力和和組織應(yīng)力也相對(duì)減少，這樣變形也會(huì)減少。

　　試驗(yàn)驗(yàn)證

　　對(duì)一汽解放傳動(dòng)事業(yè)部變速器廠生產(chǎn)的某款變速器齒輪進(jìn)行熱處理變形試驗(yàn)，齒頂圓：Φ220mm，內(nèi)孔：Φ58mm，齒寬34mm。試驗(yàn)零件材料為FAS3420RH;將同一爐批號(hào)、正火號(hào)的20件樣本使用相同機(jī)加設(shè)備進(jìn)行熱前加工，將此20件樣本分兩批進(jìn)行熱處理;第一批樣本加熱區(qū)溫度為900℃(圖9)，第二批樣本將加熱區(qū)溫度降低至870℃(圖10)，其余熱處理工藝參數(shù)完全一致，在熱處理前后100%測(cè)量其齒距累積偏差(Fp)，第一批樣本其熱處理變形量平均為17.58μm，第二批樣本的熱處理變形量平均為11.94μm，熱處理變形量降低32%。

　　試驗(yàn)成果應(yīng)用

　　在設(shè)定熱處理工藝參數(shù)時(shí)，在保證產(chǎn)品硬度、層深的前提下，應(yīng)盡量降低加熱區(qū)的溫度，從而降低零件的熱處理變形。

　　五、磨內(nèi)孔對(duì)齒輪齒距累積偏差(Fp)的影響

　　磨內(nèi)孔加工對(duì)齒輪齒距累積偏差(Fp)影響分析

　　在前文已經(jīng)對(duì)齒距累積偏差產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，主要是因?yàn)閹缀纹暮瓦\(yùn)動(dòng)偏心，磨內(nèi)孔加工偏心是典型的幾何偏心，若磨內(nèi)孔夾具精度衰減嚴(yán)重，就會(huì)導(dǎo)致零件的裝配基準(zhǔn)即內(nèi)孔產(chǎn)生偏心，此幾何偏心與滾剃齒過(guò)程中的幾何偏心進(jìn)行適量合成導(dǎo)致齒圈徑跳精度(Fp)超差，從而使齒距累積偏差(Fp)超差。

　　試驗(yàn)驗(yàn)證

　　對(duì)一汽解放傳動(dòng)事業(yè)部變速器廠生產(chǎn)的某款變速器內(nèi)的某中間軸齒輪進(jìn)行磨內(nèi)孔試驗(yàn)，該零件齒數(shù)：65，模數(shù)：2.5mm，齒頂圓：Φ160mm，內(nèi)孔：Φ60mm。在試驗(yàn)前測(cè)量?jī)?nèi)孔磨床夾具精度，端跳0.01mm，徑跳0. 025mm(圖11);樣本數(shù)量20件，在熱磨內(nèi)孔前、磨內(nèi)孔后均進(jìn)行了 100% 檢測(cè)，齒距累積偏差(Fp)精度平均衰減21μm，最大衰減50μm。

　　將薄膜卡盤(pán)卡爪進(jìn)行自磨后，再次進(jìn)行磨孔前后的齒輪精度對(duì)比試驗(yàn)，加工前測(cè)量夾具端跳及徑跳，全部達(dá)到 0. 01mm以內(nèi)(圖12)，樣本數(shù)量20件，此20件在磨內(nèi)孔后周累精度平均提高8. 7μm。

　　試驗(yàn)成果應(yīng)用

　　為了保證零件磨內(nèi)孔后的齒距累積偏差(Fp)不衰減，應(yīng)在磨內(nèi)孔工序盡量提高夾具的徑跳精度;可以通過(guò)增強(qiáng)夾爪硬度來(lái)增強(qiáng)耐磨性，可以在定位端面增加氣檢的方式保證工件裝夾不產(chǎn)生虛接。

　　六、結(jié)論

　　通過(guò)對(duì)齒輪類零件的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、等溫正火工藝、滾齒、熱處理、熱后磨內(nèi)孔工序的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行控制，一汽解放傳動(dòng)事業(yè)部滾剃齒輪齒距累積偏差精度整體提升1個(gè)級(jí)別，選取5種齒輪進(jìn)行熱處理變形試驗(yàn)，GB8級(jí)精度合格率接近 100% ，見(jiàn)表 2。