變速箱是汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)非常重要的組成部分，對(duì)于換擋的工作要求是換擋平順齒輪間準(zhǔn)確嚙合，不出現(xiàn)打齒卡齒等問(wèn)題。所以對(duì)于變速箱的加工標(biāo)準(zhǔn)相較于普通齒輪更加嚴(yán)格，本文通過(guò)研究變速箱齒輪的加工流程，介紹齒輪的加工技術(shù)要求以及主要的加工材料，對(duì)總體加工要求以及工藝路線進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)變速箱齒輪的實(shí)際加工過(guò)程具有良好的參考性價(jià)值。

　　01引言

　　變速箱的齒輪傳動(dòng)是汽車(chē)運(yùn)行的主要傳動(dòng)方式，對(duì)于汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性具有很大的影響，相較于帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)等機(jī)械傳動(dòng)方式具有可以確定傳動(dòng)比、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，所以齒輪傳動(dòng)成為應(yīng)用最廣泛的機(jī)械傳動(dòng)方式。傳統(tǒng)的齒輪制造領(lǐng)域存在有材料利用率低、產(chǎn)品精度低、制造工藝繁瑣、維護(hù)性較差等問(wèn)題，無(wú)法與國(guó)外先進(jìn)機(jī)械制造企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)。而隨著中國(guó)工業(yè)與信息化產(chǎn)業(yè)的相互融合，現(xiàn)代的機(jī)械制造領(lǐng)域正在逐漸向產(chǎn)品設(shè)計(jì)精密化、生產(chǎn)設(shè)備智能化、產(chǎn)品管理信息化的方向在轉(zhuǎn)變，對(duì)于齒輪制造產(chǎn)業(yè)更應(yīng)該嚴(yán)格要求，齒輪制造工藝雖然較為基礎(chǔ)但是從側(cè)面反映了一個(gè)國(guó)家機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的水平，在很多情況下機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的優(yōu)劣性直接受到齒輪制造精密程度的影響。

　　02齒輪加工概述

　　加工技術(shù)要求 ：現(xiàn)階段主流的齒形加工方式有兩種：滾齒加工和插齒加工。由于汽車(chē)變速箱需要頻繁更換齒輪嚙合方式，所以對(duì)齒輪的機(jī)械強(qiáng)度要求較高，采用傳統(tǒng)的齒輪加工方式不僅加工精度和工作效率均較低，而且加工環(huán)境十分惡劣對(duì)加工人員身體有一定影響，現(xiàn)在隨著機(jī)械加工技術(shù)的不斷革新，干式高速滾齒技術(shù)正在被逐漸推廣使用。該技術(shù)相較于傳統(tǒng)的滾齒技術(shù)取消了切削液和冷卻液的設(shè)置，切削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量大部分都被金屬切屑吸收，并快速?gòu)募庸^(qū)清理出去。少部分熱量被加工件和刀具吸收。采用這種加工方式雖然可以有效提高齒形加工效率，但是被加工件和刀具吸收的熱量在一定程度上減少了它們的使用壽命，所以在實(shí)際加工過(guò)程中加入空氣冷卻系統(tǒng)和微量潤(rùn)滑優(yōu)化加工工藝。

　　加工材料：齒輪的加工材料有多種，例如 45 號(hào)鋼、40MnBo、 20CrMnTi 等等，這些材料均具有優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度和硬度，我們可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要選擇合適的材料，45 號(hào)鋼是一種碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的冷熱加工性能和機(jī)械性能并且價(jià)格低廉，但是缺點(diǎn)在于淬透性較差，在低溫鹽水中淬透可能出現(xiàn)材料開(kāi)裂等問(wèn)題;40MnB 是一種中碳調(diào)制鋼，具有易于加工、淬透性良好等優(yōu)點(diǎn)，在進(jìn)行熱處理后材料可以獲得優(yōu)良的韌性和耐磨性，這種材料被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)中等負(fù)荷零件加工領(lǐng)域;20CrMnTi 是一種滲碳鋼，是這三種材料中淬透性最佳的材料，在進(jìn)行滲碳淬火處理后材料表面堅(jiān)硬耐磨，可以承受高強(qiáng)度沖擊和重載荷。綜合比較三種材料 20CrMnTi 是理想的齒輪加工材料，在未進(jìn)行淬火處理之前具有良好的加工性能。

　　03 加工工藝?

　　總體加工要求：

? ? ? ?下面總結(jié)了在加工過(guò)程中需要滿足的要求，主要是從加工精度和加工尺寸兩個(gè)角度進(jìn)行分析。按照總體要求進(jìn)行加工可以最大程度減少加工過(guò)程中可能產(chǎn)生的誤差，提高齒輪加工精度。

　　齒輪的加工尺寸直接影響齒輪的成品質(zhì)量，這里主要分析加工過(guò)程中需要注意的尺寸位置關(guān)系，首先齒輪內(nèi)孔槽口和緣板之間的圓角尺寸要適宜，尺寸設(shè)置得過(guò)小刀具無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確地切削，尺寸設(shè)置得過(guò)大直接影響內(nèi)孔的尺寸精度，最佳的確定方式是根據(jù)切削刀具的直徑來(lái)確定圓角尺寸;其次齒輪的各個(gè)部分盡量采用統(tǒng)一的幾何公差，尤其是較為特殊的加工部位，這樣可以極大簡(jiǎn)化齒輪的加工難度;最后在齒坯加工過(guò)程中材料的裝夾會(huì)產(chǎn)生一定量的彈性形變，這可能會(huì)影響齒形的尺寸精度，為了盡可能地提高齒輪的加工精度，可以采用穿軸車(chē)削的方式以內(nèi)孔為基準(zhǔn)，完成上下端面以及齒面的車(chē)削工作。

　　工藝路線的設(shè)計(jì)：

　　傳統(tǒng)的齒輪加工工藝一般分為以下幾個(gè)步驟：坯件的熱鍛造、坯件的粗車(chē)和精車(chē)、拉內(nèi)花鍵、齒形的粗加工和精加工、材料熱處理、檢驗(yàn)誤差入庫(kù)。材料的熱處理階段包括對(duì)齒部的淬火處理，齒部的淬火處理方法分為兩種：滲碳淬火和高頻淬火，無(wú)論采用哪種方式都可以極大地提升齒輪的硬度和耐磨性，但是經(jīng)過(guò)熱處理的零件通常會(huì)使幾何公差產(chǎn)生偏差，在變速箱裝配過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)齒輪嚙合情況不佳、換擋卡齒等問(wèn)題，所以在本文設(shè)計(jì)的工藝路線中材料熱處理之后還要加上精加工處理的步驟，將精加工處理分為兩部分，第一部分是齒輪珩齒處理，第二部分是基準(zhǔn)孔精加工處理，下面分析精加工處理的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

　　齒輪珩齒處理，珩齒實(shí)際上是一種低速研磨拋光齒面的過(guò)程，其工作原理和剃齒類似，通過(guò)一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)的螺旋齒輪無(wú)側(cè)隙嚙合，嚙合過(guò)程中產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)并對(duì)需要處理的齒面施加一定的壓力。但是傳統(tǒng)的剃齒磨齒工藝不僅無(wú)法提升齒輪的加工精度而且還會(huì)破壞熱處理產(chǎn)生的滲碳層，珩齒工藝可以完全取代傳統(tǒng)的剃齒磨齒工藝，但是珩齒處理主要是為了去除熱處理之后齒面產(chǎn)生的毛刺和凸起，無(wú)法有效改變齒輪的幾何公差，但是也從另一個(gè)角度提升了齒輪的加工質(zhì)量。珩齒處理的具體操作步驟如下：將需要珩齒處理的內(nèi)花鍵芯軸作為加工基準(zhǔn)，在珩齒過(guò)程中，桁輪作為主動(dòng)輪帶動(dòng)加工齒輪正反往復(fù)運(yùn)動(dòng)，齒輪沿軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)徑向不斷施加壓力，在桁輪和齒輪的嚙合過(guò)程中對(duì)齒輪的齒形和齒向進(jìn)行校準(zhǔn)，降低齒矩誤差、齒頂跳動(dòng)誤差等等。在經(jīng)過(guò)珩齒處理后的齒輪變速箱的裝配過(guò)程中可以很好地和其它齒輪進(jìn)行嚙合，提高變速箱總成的裝配精度延長(zhǎng)使用時(shí)間。

　　基準(zhǔn)孔的精加工，主要是對(duì)內(nèi)孔和內(nèi)花鍵進(jìn)行精加工，作為加工和裝配基準(zhǔn)的內(nèi)孔，在進(jìn)行完畢熱處理后一定要進(jìn)行精加工，否則會(huì)影響變速箱總成的裝配精度，具體操作步驟如下：在進(jìn)行齒端跳動(dòng)和齒底跳動(dòng)誤差校準(zhǔn)之后對(duì)內(nèi)孔進(jìn)行精加工，以齒輪基準(zhǔn)端面作為校正基準(zhǔn)對(duì)內(nèi)花鍵進(jìn)行精加工。

　　熱處理過(guò)程：

? ? ? ?齒輪的熱處理是決定了齒輪硬度和耐磨性的關(guān)鍵工序，不同材料的熱處理方式受到多個(gè)因素的影響，其中包括冷卻方式和時(shí)間、保溫方式和時(shí)間等等，齒輪的熱處理過(guò)程包括有兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是鍛件毛坯的預(yù)熱處理，第二個(gè)階段是齒部的熱處理。在進(jìn)行材料熱處理時(shí)需要考慮以下兩個(gè)問(wèn)題：鍛件毛坯的預(yù)熱處理是在材料加工前還是加工后進(jìn)行以及齒部的熱處理應(yīng)該采用哪種方式才能使材料變形量最小。下面對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行具體分析。

　　鍛件毛坯的熱處理方式一般為正火處理，將材料加熱到 Ac3 溫度以上 30-50℃，保溫一點(diǎn)時(shí)間后空氣冷卻，正火處理可以有效提高材料的韌性和強(qiáng)度，還能改善材料的切削性能。由于各種材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成各有不同，所以毛坯的正火處理是應(yīng)該直接進(jìn)行正火處理再粗加工還是將齒坯加工完成后再進(jìn)行正火處理，對(duì)此并沒(méi)有相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，只能通過(guò)實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證哪種正火處理時(shí)機(jī)可以獲得更加優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，本文采用 45 號(hào)鋼與 20CrMnTi 進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，兩種材料均設(shè)置為兩組，第一組直接進(jìn)行正火處理，第二組進(jìn)行粗加工后再進(jìn)行正火處理，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中首先將正火爐加熱到 400-500℃，然后將第一組材料放置進(jìn)爐內(nèi)，正火爐以 80℃/h 的速率進(jìn)行升溫在溫度升高至 600-650℃時(shí)持續(xù)保溫3h，之后以 100℃/h 的速率升溫使?fàn)t內(nèi)溫度保持在 860-880℃持續(xù)2h，之后將材料出爐利用空氣冷卻降溫至 350-400℃，最后采用硬度儀測(cè)量材料硬度，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn) 45 號(hào)鋼直接進(jìn)行正火處理還是粗加工后正火處理材料硬度變化不明顯，但是 20CrMnTi 在粗加工后正火處理材料硬度擁有了顯著的提升。所以如果采用 45 號(hào)鋼作為齒輪制造材料可以對(duì)鍛件毛坯直接進(jìn)行正火處理，而 20CrMnTi 則需要粗加工過(guò)后再進(jìn)行正火處理。

　　對(duì)齒輪齒部進(jìn)行熱處理可以有效提升齒輪的疲勞強(qiáng)度以及耐磨性，這是齒輪機(jī)加工過(guò)程中必須要進(jìn)行的一道工序，對(duì)于 20CrMnTi 等低碳鋼材料主要滲碳淬火的熱處理方式，但是此方式會(huì)使齒輪產(chǎn)生一定量的彈性形變，對(duì)于如何盡可能地減少這種彈性形變是齒部熱處理的研究重點(diǎn)，對(duì)于彈性形變產(chǎn)生的影響因素主要有三種：滲碳碳勢(shì)、滲碳溫度、淬火溫度。由于各種材料組分的不同，三種因素的影響程度也沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，所以本文只分析 20CrMnTi 這種材料受這三種因素的影響程度。

　　采用井式氣體滲碳爐作為滲碳設(shè)備，煤油作為滲碳劑，設(shè)置 870℃、900℃、930℃三種滲碳溫度，設(shè)置 800℃、 820℃、840℃三個(gè)淬火溫度，滲碳碳勢(shì)設(shè)置為 0.8%、0.95%、 1.05%三個(gè)等級(jí)，采用正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)比開(kāi)口處的變形量得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，每組實(shí)驗(yàn)的滲碳時(shí)間均設(shè)置為強(qiáng)滲 120min 擴(kuò)散 100min，最終得出 9 組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以得出滲碳溫度和淬火溫度對(duì)材料變形影響程度較大，這是由于隨著滲碳溫度的升高，材料內(nèi)部的奧氏體組織容易受到溫度影響而膨脹變大;而滲碳碳勢(shì)和材料變形量也呈正相關(guān)關(guān)系，這是由于碳勢(shì)的增加會(huì)直接增加材料滲碳層的碳濃度，進(jìn)而導(dǎo)致馬氏體以及不穩(wěn)定碳化物的增加，最終影響材料的變形量，所以在滲碳處理過(guò)程中要嚴(yán)格控制滲碳溫度和淬火溫度，盡可能減少滲碳碳勢(shì)，在獲得最佳機(jī)械性能的同時(shí)減小材料的形變量。