變速箱齒輪的加工工藝研究

余濤 董輝

摘要：變速箱是汽車傳動系統(tǒng)非常重要的組成部分，對于換擋的工作要求是換擋平順齒輪間準確嚙合，不出現(xiàn)打齒卡齒等問題。所以對于變速箱的加工標準相較于普通齒輪更加嚴格，本文通過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，對總體加工要求以及工藝路線進行設(shè)計，對變速箱齒輪的實際加工過程具有良好的參考性價值。

Abstract： Transmission is an important part of the automobile transmission system. The working requirement of gear shifting is to make sure that the gears are engaged accurately and there are no problems such as gear beating and clamping. Therefore， the machining standard of transmission is more strict than that of ordinary gear. This paper introduces the processing technology requirements and main processing materials of the gear through studying the processing process of the gearbox gear， and designs the overall processing requirements and process route， which has good reference value for the actual processing process of the gear wheel of the transmission.

關(guān)鍵詞：加工流程;技術(shù)要求;工藝路線

Key words： processing flow;technical requirements;process route

中圖分類號：TG61;TG156? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2020）20-0097-02

0? 引言

變速箱的齒輪傳動是汽車運行的主要傳動方式，對于汽車的燃油經(jīng)濟性和動力性具有很大的影響，相較于帶傳動、鏈傳動等機械傳動方式具有可以確定傳動比、使用壽命長等優(yōu)點，所以齒輪傳動成為應(yīng)用最廣泛的機械傳動方式。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、維護性較差等問題，無法與國外先進機械制造企業(yè)競爭。而隨著中國工業(yè)與信息化產(chǎn)業(yè)的相互融合，現(xiàn)代的機械制造領(lǐng)域正在逐漸向產(chǎn)品設(shè)計精密化、生產(chǎn)設(shè)備智能化、產(chǎn)品管理信息化的方向在轉(zhuǎn)變，對于齒輪制造產(chǎn)業(yè)更應(yīng)該嚴格要求，齒輪制造工藝雖然較為基礎(chǔ)但是從側(cè)面反映了一個國家機械制造產(chǎn)業(yè)的水平，在很多情況下機械設(shè)備運行的優(yōu)劣性直接受到齒輪制造精密程度的影響。

1? 齒輪加工概述

1.1 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[1]和插齒加工[2]。由于汽車變速箱需要頻繁更換齒輪嚙合方式，所以對齒輪的機械強度要求較高，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)境十分惡劣對加工人員身體有一定影響，現(xiàn)在隨著機械加工技術(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，切削過程中產(chǎn)生的熱量大部分都被金屬切屑吸收，并快速從加工區(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，所以在實際加工過程中加入空氣冷卻系統(tǒng)和微量潤滑優(yōu)化加工工藝。

1.2 加工材料

齒輪的加工材料有多種，例如45號鋼、40MnBo、20CrMnTi等等，這些材料均具有優(yōu)良的機械強度和硬度，我們可以根據(jù)實際生產(chǎn)需要選擇合適的材料，45號鋼是一種碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的冷熱加工性能和機械性能并且價格低廉，但是缺點在于淬透性較差，在低溫鹽水中淬透可能出現(xiàn)材料開裂等問題;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，在進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)用于汽車中等負荷零件加工領(lǐng)域;20CrMnTi是一種滲碳鋼[3]，是這三種材料中淬透性最佳的材料，在進行滲碳淬火處理后材料表面堅硬耐磨，可以承受高強度沖擊和重載荷。綜合比較三種材料20CrMnTi是理想的齒輪加工材料，在未進行淬火處理之前具有良好的加工性能。

2? 加工工藝

2.1 總體加工要求

下面總結(jié)了在加工過程中需要滿足的要求，主要是從加工精度和加工尺寸兩個角度進行分析。按照總體要求進行加工可以最大程度減少加工過程中可能產(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)置得過小刀具無法進行準確地切削，尺寸設(shè)置得過大直接影響內(nèi)孔的尺寸精度，最佳的確定方式是根據(jù)切削刀具的直徑來確定圓角尺寸;其次齒輪的各個部分盡量采用統(tǒng)一的幾何公差，尤其是較為特殊的加工部位，這樣可以極大簡化齒輪的加工難度;最后在齒坯加工過程中材料的裝夾會產(chǎn)生一定量的彈性形變，這可能會影響齒形的尺寸精度，為了盡可能地提高齒輪的加工精度，可以采用穿軸車削的方式以內(nèi)孔為基準，完成上下端面以及齒面的車削工作。

2.2 工藝路線的設(shè)計

傳統(tǒng)的齒輪加工工藝一般分為以下幾個步驟：坯件的熱鍛造、坯件的粗車和精車、拉內(nèi)花鍵、齒形的粗加工和精加工、材料熱處理、檢驗誤差入庫。材料的熱處理階段包括對齒部的淬火處理，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)過熱處理的零件通常會使幾何公差產(chǎn)生偏差，在變速箱裝配過程中就會出現(xiàn)齒輪嚙合情況不佳、換擋卡齒等問題，所以在本文設(shè)計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，第二部分是基準孔精加工處理，下面分析精加工處理的具體實現(xiàn)過程。

齒輪珩齒處理[4]，珩齒實際上是一種低速研磨拋光齒面的過程，其工作原理和剃齒類似，通過一對反向旋轉(zhuǎn)的螺旋齒輪無側(cè)隙嚙合，嚙合過程中產(chǎn)生相對滑動并對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法提升齒輪的加工精度而且還會破壞熱處理產(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，無法有效改變齒輪的幾何公差，但是也從另一個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，在珩齒過程中，桁輪作為主動輪帶動加工齒輪正反往復運動，齒輪沿軸向轉(zhuǎn)動的同時徑向不斷施加壓力，在桁輪和齒輪的嚙合過程中對齒輪的齒形和齒向進行校準，降低齒矩誤差、齒頂跳動誤差等等。在經(jīng)過珩齒處理后的齒輪變速箱的裝配過程中可以很好地和其它齒輪進行嚙合，提高變速箱總成的裝配精度延長使用時間。

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

2.3 熱處理過程

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因素的影響，其中包括冷卻方式和時間、保溫方式和時間等等，齒輪的熱處理過程包括有兩個階段，第一個階段是鍛件毛坯的預熱處理，第二個階段是齒部的熱處理。在進行材料熱處理時需要考慮以下兩個問題：鍛件毛坯的預熱處理是在材料加工前還是加工后進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。下面對這兩個問題進行具體分析。

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℃，保溫一點時間后空氣冷卻，正火處理可以有效提高材料的韌性和強度，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)該直接進行正火處理再粗加工還是將齒坯加工完成后再進行正火處理，對此并沒有相應(yīng)的行業(yè)標準，只能通過實際情況進行實驗驗證哪種正火處理時機可以獲得更加優(yōu)良的綜合力學性能，本文采用45號鋼與20CrMnTi進行對比實驗，兩種材料均設(shè)置為兩組，第一組直接進行正火處理，第二組進行粗加工后再進行正火處理，在實驗過程中首先將正火爐加熱到400-500℃，然后將第一組材料放置進爐內(nèi)，正火爐以80℃/h的速率進行升溫在溫度升高至600-650℃時持續(xù)保溫3h，之后以100℃/h的速率升溫使爐內(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℃，最后采用硬度儀測量材料硬度，通過實驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)45號鋼直接進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號鋼作為齒輪制造材料可以對鍛件毛坯直接進行正火處理，而20CrMnTi則需要粗加工過后再進行正火處理。

對齒輪齒部進行熱處理可以有效提升齒輪的疲勞強度以及耐磨性，這是齒輪機加工過程中必須要進行的一道工序，對于20CrMnTi等低碳鋼材料主要滲碳淬火的熱處理方式，但是此方式會使齒輪產(chǎn)生一定量的彈性形變，對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，對于彈性形變產(chǎn)生的影響因素主要有三種：滲碳碳勢、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有統(tǒng)一的標準，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℃三個淬火溫度，滲碳碳勢設(shè)置為0.8%、0.95%、1.05%三個等級，采用正交實驗法對比開口處的變形量得出實驗結(jié)論，每組實驗的滲碳時間均設(shè)置為強滲120min擴散100min，最終得出9組實驗數(shù)據(jù)，從實驗數(shù)據(jù)中可以得出滲碳溫度和淬火溫度對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;而滲碳碳勢和材料變形量也呈正相關(guān)關(guān)系，這是由于碳勢的增加會直接增加材料滲碳層的碳濃度，進而導致馬氏體以及不穩(wěn)定碳化物的增加，最終影響材料的變形量，所以在滲碳處理過程中要嚴格控制滲碳溫度和淬火溫度，盡可能減少滲碳碳勢，在獲得最佳機械性能的同時減小材料的形變量。

參考文獻：

[1]張洪強，耿玉香.基于數(shù)控加工的大型齒輪加工成形方法研究[J].煤礦機械，2020，41（09）：98-100.

[2]朱杰.薄壁硬齒面內(nèi)齒圈加工工藝[J].金屬加工（冷加工），2020（09）：44-45.

[3]高宇波，徐樂錢，孟曉玲.20CrMnTi齒輪鋼棒材控軋控冷工藝的優(yōu)化[J].機械工程材料，2020，44（08）：69-73.

[4]陳宇.汽車齒輪珩齒加工缺陷的工藝改進新方法[J].汽車工藝與材料，2020（03）：45-49.