1 引 言

　　碳氮共滲+油淬火，是提高變速器軸齒零件力學(xué)性能的必經(jīng)熱處理工序，工件的熱處理變形(以下簡稱熱變形)是該工序遇到的主要缺陷之一。熱變形問題會(huì)導(dǎo)致零件尺寸超差，超差嚴(yán)重的須直接報(bào)廢，或?qū)е伦兯倨餮b配困難，即使能裝車，也會(huì)影響到汽車變速器的噪聲。因此減小或控制熱變形，掌握零件的熱變形規(guī)律，是熱處理技術(shù)人員的一項(xiàng)重要任務(wù)。

　　熱變形是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，控制它是一件實(shí)踐性非常強(qiáng)的工作，需要工藝人員經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)才能掌握其規(guī)律。同時(shí)，只有掌握零件的熱變形規(guī)律，熟知熱變形的影響因素，才能快速解決生產(chǎn)過程中的零件質(zhì)量問題，才能盡力減小變速器的噪聲，才能在新產(chǎn)品的開發(fā)和新設(shè)備投放項(xiàng)目中少走彎路。

　　軸齒零件加工一般包含車削、滾齒、剃齒、熱處理，熱后磨削等工序，車滾剃磨工序都屬于機(jī)加工序，加工過程可隨時(shí)抽檢，因此控制起來簡單易行。但熱處理工序就不同，屬于特種工序，高溫狀態(tài)批量生產(chǎn)，抽檢頻次受限，一旦變形超差，挑出的零件只能報(bào)廢。因此，控制熱變形對熱處理工序的合格品率起著至關(guān)重要的作用。

　　2 零件熱變形簡介

　　乘用車變速器軸齒零件一般選用的材料為滲碳鋼(wc 小于0.30%)，熱處理選用推盤爐，采用滲碳或碳氮共滲工藝，等溫淬火油淬火。熱處理后表面硬度為HV760 ~ 820 , 心部硬度為350 ~ 500HV。零件的熱變形影響因素非常多, 在淬火油一定的條件下，工件的結(jié)構(gòu)形狀、原材料質(zhì)量、毛坯熱處理、熱前加工狀態(tài)、工件在加熱和冷卻過程中的裝夾方式、冷卻速度等，都有可能引起變形異常。

　　變速器零件根據(jù)其形狀和結(jié)構(gòu)不同，大致分為四類：細(xì)長類(軸)、盤類(小齒輪)、環(huán)類(主減速齒輪)、薄壁類 (齒套)。圖1是四類零件的代表。

　　圖1 變速器零件

　　衡量零件熱變形的主要指標(biāo)有：齒輪精度各項(xiàng)、R值、M值、軸向圓面跳動(dòng)量等。常超差的變形指標(biāo)有：徑向圓跳動(dòng)Fr，齒距累積Fp，形狀誤差ffα、ffβ，股形量Cα、Cβ，變動(dòng)量wfhα、wfhβ，軸向圓跳動(dòng)等。

　　3 常見熱變形問題分析與解決方法

　　3.1 軸類

　　軸類零件形狀特點(diǎn)是細(xì)長，軸向尺寸與徑向尺寸成倍數(shù)關(guān)系。因其細(xì)長且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，熱變形不好控制，常出現(xiàn)的變形問題有兩類。

　　3.1.1 齒輪精度指標(biāo)wfhα、wfhβ、Cα、Cβ超差

　　2006年研發(fā)BE變速器過程中，BE輸入軸在進(jìn)行首次熱變形調(diào)試時(shí)，齒輪精度指標(biāo)wfhα、wfhβ、Cα、Cβ超差，且散差大，沒有規(guī)律性。二次調(diào)試時(shí)，確保熱前白件所有齒輪精度參數(shù)均在要求范圍的信任區(qū)，且保持良好的一致性，熱處理后，齒輪精度仍然不合格，幾項(xiàng)指標(biāo)仍然超差，且因散差大，無法在熱前修形處理。針對該問題，技術(shù)人員對熱處理工裝夾具進(jìn)行了檢查，仔細(xì)比對后發(fā)現(xiàn)，BE輸入軸與MA輸入軸裝夾方式類似，支撐點(diǎn)數(shù)量也相同(均為4個(gè))，但是支撐面的平整度有很大差異，BE輸入軸的四個(gè)支撐點(diǎn)鑄造精度差，高度不一致，且支撐形狀為凸臺(tái)形(圖2), 零件與支撐臺(tái)接觸為點(diǎn)線接觸，把零件放置后用手去感覺, 發(fā)現(xiàn)大多零件支撐不平穩(wěn)，晃動(dòng)厲害，因此，鎖定熱變形超差原因是零件在淬火時(shí)晃動(dòng)造成的。

　　圖2 凸臺(tái)形的支撐形狀

　　熱處理工裝是耐熱鋼精鑄而成，價(jià)格高，對已有的工裝不能報(bào)廢處理，先將一個(gè)BE輸入軸料盤送維修車間磨削支撐面。因耐熱鋼沒有磁性，需要預(yù)先做好夾緊處理，使經(jīng)過磨削后的所有支撐點(diǎn)變?yōu)橹蚊?圖3)，且均在同一個(gè)平面上，平面度應(yīng)≤0.02mm。用此料盤進(jìn)行第三次試驗(yàn)，結(jié)果齒輪精度指標(biāo)全部合格，一致性良好。

　　圖3 所有支撐點(diǎn)變?yōu)橹蚊?/span>

　　此問題的分析解決方法說明，軸類零件熱處理工裝設(shè)計(jì)要保證工件與支撐面垂直，且支撐平穩(wěn)不能晃動(dòng)，太長的軸還需要用雙層工裝卡住。如果工件重心和軸線不在同一垂線上，由于重力作用，在加熱時(shí)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重變形，尤其是零件東倒西歪方向不一致時(shí)，淬火油攪拌會(huì)讓零件晃動(dòng)，導(dǎo)致熱變形散差大，沒有規(guī)律性，熱前就無法修形處理了。

　　3.1.2 花鍵精度超差

　　BE輸入軸投產(chǎn)后，出現(xiàn)幾次離合器花鍵變形超差。用環(huán)規(guī)檢查，不合格率為0.2% ~ 9.0%，現(xiàn)場對滾軋機(jī)刀具鎖緊鍥塊進(jìn)行了緊固，更換了滾軋輪，均沒有改善效果，且不合格品出現(xiàn)無規(guī)律性。該問題的出現(xiàn)，導(dǎo)致零件抽檢由原來的100件中抽檢1件更改為100%用環(huán)規(guī)檢查，工時(shí)成本大幅增加，生產(chǎn)率低下。經(jīng)過排查，熱處埋時(shí)零件裝夾平穩(wěn)，工藝正常，齒輪精度變形均在合格范圍，因此分析認(rèn)為，這是零件毛坯狀態(tài)不一致造成的。為此工藝技術(shù)人員進(jìn)行對比試驗(yàn)驗(yàn)證，即取300件毛坯，用熱處理工裝垂直裝夾，采用640℃+3H工藝進(jìn)行退火;再取300件未退火毛坯，同時(shí)安排上線進(jìn)行熱前加工，同期在一臺(tái)設(shè)備上進(jìn)行滾軋，同時(shí)在一臺(tái)設(shè)備上進(jìn)行熱處理。熱后檢查結(jié)果：未退火毛坯花鍵變形不合格率9%，已退火毛坯花鍵變形不合格率為0%。后續(xù)與毛坯廠家交流，鍛造毛坯新增640℃+3h退火工藝，且將無序堆積裝夾方式更改為垂直裝夾，花鍵變形超差問題得到解決。

　　另外，軸類零件如果因冷速控制不當(dāng)，也會(huì)引起熱變形超差，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)校直困難或校直裂紋率高等問題。所以軸類零件在原材料不變的前提下，熱處理工藝參數(shù)要保持恒定，不能隨意更改，并且原材料供應(yīng)廠家要盡力保持材料化學(xué)成分的穩(wěn)定性。

　　3.2 盤類(小齒輪)

　　小齒輪結(jié)構(gòu)雖然較復(fù)雜，但對稱性好，軸向與徑向尺寸比例適當(dāng)，熱變形相對而言比較好控制。生產(chǎn)過程中常見熱變形問題有三類。

　　3.2.1 內(nèi)花鍵熱變形異常

　　生產(chǎn)過程中，帶內(nèi)花鍵的MA五檔主動(dòng)齒輪終檢時(shí)發(fā)現(xiàn)，20% ~25%的工件內(nèi)孔變形超差，心軸穿不進(jìn)，無法進(jìn)行磕碰傷檢査。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，M值變小了，最大變形量 0. 022mm(要求0 ~ 0. 015mm)，圓度散差大，最大0. 097mm(正常≤0. 04mm)。由于該零件長期以來熱變形無異常，所以分析原因時(shí)，直接懷疑到毛坯突變。與毛坯供應(yīng)商交流后得知，該零件剛改用新線鍛造，工藝有所不同，以為不會(huì)對后續(xù)熱處理工序造成影響，故沒有通知神龍公司進(jìn)行試切。為了驗(yàn)證不同鍛造工藝毛坯的熱變形差異，將新老毛坯同時(shí)上線試切。結(jié)果表明：用老毛坯生產(chǎn)的零件100%合格，新鍛造工藝的毛坯30件中有8件不合格，不合格率 27% ，與發(fā)現(xiàn)問題時(shí)的不合格率正好吻合。此問題分析解決經(jīng)驗(yàn)證明，毛坯鍛造工藝更改，需要送樣試切，驗(yàn)證合格后方能大批量供應(yīng)。

　　3.2.2 內(nèi)孔磨削黑皮

　　新變速器BE一、二檔從動(dòng)齒輪在批接受階段，珩磨內(nèi)孔工序黑皮比例達(dá)4%。將黑皮零件送計(jì)量室檢測，發(fā)現(xiàn)熱后內(nèi)孔變形較大，呈喇叭形，且散差大沒有規(guī)律性。在一定磨削余量的前提下，內(nèi)孔變形散差大肯定會(huì)造成一定比例的蘑削黑皮。對此問題，從兩個(gè)方面著手分析，一是原材料毛坯，二是熱處理工裝。

　　用進(jìn)口毛坯和國產(chǎn)毛坯同時(shí)進(jìn)行試切比對，結(jié)果表明，兩種材料的內(nèi)孔變形無明顯差異，散差仍然很大。再從熱處理工裝著手，檢查發(fā)現(xiàn)，前期為節(jié)約投資，該零件采用老產(chǎn)品的支撐格架裝夾，定位心軸直徑比零件內(nèi)孔小很多，裝夾后間隙很大，料盤在髙溫推盤爐內(nèi)移動(dòng)時(shí)，零件在支撐面上容易晃動(dòng)，心軸會(huì)與內(nèi)孔壁碰撞，同時(shí)在淬火冷卻時(shí)，穿過內(nèi)孔的淬火油流量大，內(nèi)孔壁冷速過快，造成內(nèi)孔變形大，且散差大。后設(shè)計(jì)專用熱處理工裝，用柱桿裝夾，裝料后內(nèi)孔間隙單邊預(yù)留1.5mm，熱后檢查發(fā)現(xiàn)，內(nèi)孔變形明顯變小，批次跟蹤珩磨后內(nèi)孔黑皮比例下降到0. 5%。

　　3.2.3 形狀誤差ffα、ffβ超差

　　如果熱后發(fā)現(xiàn)小齒輪的形狀誤差ffα、ffβ有異常，一般不是熱變形引起的，原因有兩個(gè)方面：一是熱前機(jī)加工序超差，主要跟插齒和剃齒刀具相關(guān)，應(yīng)從進(jìn)給量太大、切削液冷卻是否到位、刀刃變鈍、修形參數(shù)不合理等方面查找分析;二是跟清理拋丸和零件表面清潔度有關(guān)，零件表面清理干凈、清潔度好，是熱后測量基本要求。圖4中曲線出現(xiàn)凸臺(tái)，是零件表面不干凈的典型例子。

　　圖4 曲線出現(xiàn)凸臺(tái)

　　3.3 環(huán)類(主減速齒輪)

　　環(huán)類(大直徑齒輪)實(shí)際就是主減速齒輪，結(jié)構(gòu)雖然簡單，對稱性也好，但徑向尺寸大，與軸向尺寸成倍數(shù)關(guān)系，生產(chǎn)中熱變形不好控制。配重載車型的主減速齒輪，用壓淬工藝才能保證其熱變形在合格范圍，而乘用車類小型變速器的主減速齒輪，如果采用壓淬工藝，不僅生產(chǎn)率低下，生產(chǎn)成本也高。只要掌握了其熱變形規(guī)律，還是可以做到有效控制的。生產(chǎn)過程中常出現(xiàn)的熱變形問題有3類。

　　3.3.1 齒距累積Fp和徑向圓跳動(dòng)Fr超差

　　Fp超差(圖5)是主減速齒輪最常見的熱變形問題, 主要原因有以下3個(gè)方面：

　　圖5 Fp超差

　　1)熱后磨偏。2013年公司開發(fā)BE-T9主減速齒輪，工藝調(diào)試過程中，因Fp超差一直不能投產(chǎn)，前期總定位于熱變形過大造成，換到其他熱處理生產(chǎn)線調(diào)試，結(jié)果仍不合格。為了查找原因，進(jìn)行熱后磨削與不磨削的對比檢查，數(shù)據(jù)見表1。從數(shù)據(jù)可以看出，未磨削的零件Fp均未超差，而經(jīng)過磨床磨削內(nèi)孔后的零件2/8超差。進(jìn)一步檢查分析，最后鎖定的原因是夾具有墊屑。在解決新產(chǎn)品Fp超差的同時(shí)，也解決了現(xiàn)生產(chǎn)中同類產(chǎn)品Fp超差的問題。

　　2) 內(nèi)孔熱變形過大。主減速齒輪內(nèi)孔熱變形過大，排除原材料因素后，主要原因是熱處理時(shí)裝夾不當(dāng)造成的。裝夾不當(dāng)包含四個(gè)方面：一是支撐面不平整，零件重心與軸線不在同一條垂線上;二是定位柱子與零件內(nèi)孔間隙過大，造成推料和淬火時(shí)零件晃動(dòng);三是定位柱子與零件內(nèi)孔間隙過小甚至撐著零件內(nèi)孔，零件加熱時(shí)內(nèi)孔膨脹不均勻，冷卻時(shí)收縮也不均勻;四是裝料柱桿插頭與底托內(nèi)孔間隙過大,淬火時(shí)柱桿晃動(dòng)。所以，主減速齒輪熱處理工裝設(shè)計(jì)要點(diǎn)是支撐面平整(平面度誤差≤ 0.02mm)，柱桿與零件內(nèi)孔間隙(單邊1.5mm)合理，柱桿在底托上不晃動(dòng)。

　　3) 測量誤差過大。因?yàn)橹鳒p速齒輪屬于環(huán)類，徑向尺寸過大，在計(jì)量檢測裝夾時(shí)，會(huì)出現(xiàn)裝夾不平整的情況，基準(zhǔn)位置不準(zhǔn)確，測量結(jié)果誤差就大。遇到這種情況，需要進(jìn)行多次復(fù)查，如果復(fù)查多次還不合格，就要從其他方面分析。

　　主減速齒輪徑向圓跳動(dòng)Fr超差(圖6)的原因，與Fp 超差原因基本一致，也從以上3個(gè)方面進(jìn)行分析和排查。

　　圖6 Fr超差

　　3.3.2 端面跳動(dòng)超差

　　公司產(chǎn)品有MA和BE兩種主減速齒輪，均出現(xiàn)過端面跳動(dòng)超差問題，歸納起來主要有2個(gè)方面的原因：

　　1)支撐面不平穩(wěn)。除了上述的支撐面平面度不合格是原因之一外，由于BE主減速齒輪直徑大，且有臺(tái)階，用小 MA墊環(huán)支撐時(shí)，內(nèi)孔間隙會(huì)使零件晃動(dòng)，最下面一層的零件就會(huì)與水平面成一個(gè)角度，穩(wěn)定性很差，上面七層均會(huì)跟著傾斜，所有零件重心與軸線不在同一條垂線上，淬火時(shí)端面變形就會(huì)變大，導(dǎo)致超差。操作工一定要嚴(yán)格按工藝卡要求裝夾零件，避免錯(cuò)裝，才能避免該問題的發(fā)生。

　　2)柱桿變形過大，撐著零件內(nèi)孔，使零件無法落平 (圖7)。熱處理工裝柱桿反復(fù)在高溫爐內(nèi)滲碳，天長日久就會(huì)變形脹大，甚至裂開，其外接圓直徑會(huì)與零件內(nèi)孔干涉, 零件無法靠重力自然落到下面的支撐面上，會(huì)處于懸空狀態(tài)，零件在爐內(nèi)受熱就會(huì)膨脹不均勻，淬火冷卻時(shí)收縮也不均勻，軸向圓跳動(dòng)量超差就不足奇怪了。所以現(xiàn)場要定期檢查清理主減速齒輪工裝，變形過大的柱桿要及時(shí)報(bào)廢。

　　圖7 柱桿變形過大使零件無法落平

　　3.4 薄壁類(齒套)

　　薄壁類零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與其他類零件差異很大，最大特點(diǎn)是形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁薄、結(jié)構(gòu)不對稱等，熱變形問題多，難解決，不合格率高，所以許多廠家在碳氮共滲熱處理后進(jìn)行挑選，將熱變形過大的齒套挑選出來重新加熱后壓淬。其實(shí)只要掌握了其變形規(guī)律，找到引起熱變形的主要因素并加以控制，不用壓淬也能很好地控制零件質(zhì)量。常見的熱變形問題有以下2類。

　　3.4.1 軸向圓跳動(dòng)超差

　　軸向圓跳動(dòng)超差會(huì)引起裝配困難，一般要求軸向圓跳動(dòng) ≤0.08mm。與主減速齒輪一樣，要想控制好軸向圓跳動(dòng)量， 需注意熱處理工裝的2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：一是支撐面平整，并且支撐面越大越好;二是串裝柱桿穩(wěn)定，料盤在爐內(nèi)行走和淬火時(shí)不能晃動(dòng)，確保淬火時(shí)重心與軸線在同一條垂線上。

　　此外，齒套軸向圓跳動(dòng)超差會(huì)受熱前機(jī)加工序的影響。BE五檔齒套在進(jìn)行到預(yù)批量階段時(shí)，出現(xiàn)裝配困難問題，對熱前車床檢查發(fā)現(xiàn)，支撐面有墊屑，且該工序留下的毛刺大，白件檢査端面跳動(dòng)，超差率見表2，機(jī)床調(diào)整后，零件軸向圓跳動(dòng)立即恢復(fù)正常。

　　3.4.2 內(nèi)花鍵變形超差

　　齒套內(nèi)花鍵變形異常也會(huì)造成裝配困難;軸向圓跳動(dòng)合格，內(nèi)花鍵變形也會(huì)異常。在軸向圓跳動(dòng)合格的前提下，內(nèi)花鍵變形主要從2個(gè)方面進(jìn)行分析：一是毛坯材料;二是拉刀。

　　對薄壁零件的毛坯材料，需要控制其化學(xué)成分，尤其是含碳量要保持相對穩(wěn)定，淬透性指標(biāo)要保持相對穩(wěn)定，F(xiàn)和P的等級也要在一個(gè)穩(wěn)定范圍，鍛造流線要正常，等溫退火時(shí)毛坯裝夾要平整擺放，不要胡亂堆積。大爐號采購，毛坯樣檢項(xiàng)目固化，定期到毛坯供應(yīng)商處檢查，都是控制毛坯質(zhì)量的良好手段。

　　齒套的內(nèi)花鍵基本都是拉力加工出來的，不同批次毛坯對拉刀的加工余量敏感度不一樣，殘留的加工應(yīng)力也會(huì)增加淬火時(shí)的變形程度，所以拉刀要按加工余量形成系列備用。每來一種毛坯，先選用拉刀試切，以便選擇最合適的拉刀加工該批次毛坯。

　　4 結(jié)論

　　十年來的熱變形分析與解決過程說明，熱處理工裝設(shè)計(jì)與零件裝夾方法、毛坯材料的穩(wěn)定性、熱前白件機(jī)加、熱后黑件磨削、檢測方法等，是引起零件熱變形超差的主要因素，只要掌握其規(guī)律和方法，熱變形問題都會(huì)迎刃而解。