汽車(chē)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(chē)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(cè)校直裂紋，通過(guò)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(lèi)零件在熱處理過(guò)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(lèi)零件在熱后通常需要校直。在校直過(guò)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(guò)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(duì)零件產(chǎn)生的微裂紋無(wú)法進(jìn)行判斷，一般需要通過(guò)磁粉探傷或滲透著色探傷等方法來(lái)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(wèn)題，在汽車(chē)工業(yè)開(kāi)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(wàn)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(guò)程中產(chǎn)生的工件損傷未被識(shí)別出來(lái)，而將已經(jīng)損壞的鋼軸安裝到變速箱中的危險(xiǎn)。為識(shí)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(guó)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(shí)工件在負(fù)荷過(guò)程中所出現(xiàn)裂紋的識(shí)別系統(tǒng)從美國(guó)遍布至全球。某公司為生產(chǎn)乘用車(chē)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(wèn)題，在校直過(guò)程中被QASS系統(tǒng)識(shí)別出來(lái)的報(bào)警零件較多，致使校直裂廢品率居高不下。無(wú)益地增加加工成本，影響公司效益。況且，多年來(lái)也不知道其裂紋的狀態(tài)和產(chǎn)生部位，不利問(wèn)題的改善與加工水平的提升。為此，對(duì)56R擋中間軸進(jìn)行校直裂的分析與研究。通過(guò)檢測(cè)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(cè)

　　1.1 QASS技術(shù)

　　QASS CiS.01裂縫探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)用于監(jiān)控軸校直過(guò)程中,工件上出現(xiàn)裂縫和發(fā)生斷裂的情況。NDT過(guò)程實(shí)時(shí)起作用以便CiS.01及時(shí)探測(cè)出裂縫和斷裂的部位，并立即將這部分標(biāo)識(shí)出來(lái)并移開(kāi)。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(cè)系統(tǒng)是在在校直過(guò)程中監(jiān)控裂紋產(chǎn)生過(guò)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(cè)方法往往并不十分適用。當(dāng)校直過(guò)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(cè)或肉眼并無(wú)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?xún)?yōu)化生產(chǎn)過(guò)程以及減少報(bào)廢的信息。

　　1.3 QASS信號(hào)測(cè)評(píng)

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

　　當(dāng)能量界值超過(guò)“裂紋界限”，該工件將被視為已開(kāi)裂。

　　當(dāng)能量界值超過(guò)“斷裂界限”，該工件將被視為已斷裂。

　　圖1 信號(hào)能量

　　2 裂紋檢測(cè)

　　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(cè)裝置以及對(duì)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?cè)谏a(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(duì)QASS系統(tǒng)識(shí)別出來(lái)的裂紋零件進(jìn)行分析并策劃?rùn)z測(cè)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(cè)結(jié)果

　　采用不同裂紋報(bào)警值，通過(guò)QASS系統(tǒng)識(shí)別出來(lái)具有不同能量值的“裂紋零件”見(jiàn)表1，并及時(shí)采用酸煮法實(shí)驗(yàn)檢測(cè)確認(rèn)其是否存在校直裂紋。酸煮實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。從檢測(cè)結(jié)果觀(guān)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(cè)出來(lái)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(wèn)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(guò)程中的變形、齒輪淬火冷卻過(guò)程的變形、鋼材冶金因素對(duì)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(cè)結(jié)果觀(guān)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(shuō)明階梯軸類(lèi)零件的過(guò)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(guò)渡圓角與油孔的倒角尺寸加工不夠大，對(duì)校直裂的產(chǎn)生影響很大。對(duì)QASS識(shí)別出來(lái)的裂紋零件，采用輪廓儀測(cè)量，報(bào)告顯示存在油孔倒角<0.30、過(guò)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(guò)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(shí)別零件并合理分批，有針對(duì)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(cè)程序，避開(kāi)油孔與階梯軸過(guò)渡圓角處正對(duì)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(guò)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(mǎn)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(cè)取得的該零件校直裂紋的具體狀況，重點(diǎn)對(duì)56R擋中間軸熱前的過(guò)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(guò)世界該領(lǐng)域的先進(jìn)加工水平。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)檢測(cè)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(duì)校直裂問(wèn)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(duì)以下殘留問(wèn)題開(kāi)展工作：

　　(1)持續(xù)跟蹤校直加工過(guò)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(chē)變速器輸入軸校直裂紋改善之中。