某型變速器一擋齒輪內(nèi)花鍵熱處理變形改善

摘要：針對某型汽車變速器一擋齒輪在熱處理（滲碳淬火）后出現(xiàn)內(nèi)花鍵M值超差，影響塞規(guī)檢測和裝配，從齒輪的材料淬透性、機(jī)加工和熱處理等環(huán)節(jié)進(jìn)行了相關(guān)研究和改善驗(yàn)證，得出了影響該內(nèi)花鍵變形的因子并采取相應(yīng)措施進(jìn)行優(yōu)化，減少和控制內(nèi)花鍵變形量，解決M值和錐度引起的內(nèi)花鍵問題，提高產(chǎn)品合格率。

關(guān)鍵詞：內(nèi)花鍵M值；結(jié)構(gòu)；反向拉花鍵；熱處理；變形；優(yōu)化

某型變速器一擋和中間軸通過花鍵壓裝連接，實(shí)現(xiàn)600N·m轉(zhuǎn)矩的傳遞，簡化了中間軸結(jié)構(gòu)，有利于中間軸加工。然而一擋齒輪采用內(nèi)花鍵結(jié)構(gòu)，熱處理后變形大（M值在軸向呈現(xiàn)錐度且超差），影響塞規(guī)檢測，引起裝配不合格。當(dāng)前對內(nèi)花鍵變形的研究，總結(jié)起來的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)主要是通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，控制材料淬透性，熱處理工藝調(diào)整[1]，或者機(jī)加工方式的變化（改變拉花鍵方向，熱后拉花鍵）等[2]。本文結(jié)合零件實(shí)際結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，研究零件的熱變形控制。

問題提出

變速器7T800機(jī)型是某世界汽車巨頭全球新車型的傳動(dòng)系統(tǒng)，其一擋齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為內(nèi)花鍵，與中間軸外花鍵通過壓裝相配連接。該零件的內(nèi)花鍵較長，內(nèi)孔壁厚變化較大，熱處理（滲碳淬火）時(shí)內(nèi)孔徑向變形不一致，導(dǎo)致內(nèi)花鍵上中下三段M值不同，呈現(xiàn)軸向錐度，如圖1所示。該熱處理變形導(dǎo)致的不合格率約為10%，對產(chǎn)品質(zhì)量和交付造成了較大影響。

1.原材料

一擋齒輪材料為20MnCr5，材料冶煉要求高，與常見的20CrMnTi和20CrMoH相比熱處理后的變形量小。淬透性的變化會帶來淬火后的尺寸變化，材料設(shè)計(jì)上選擇低淬透性并收窄淬透性帶寬，末端淬透性按J5=

37～41HRC，J9=29～33HRC，J15=26～30HRC控制。

2.機(jī)加工藝

一擋齒輪內(nèi)花鍵是通過拉花鍵方式加工。由于上下兩端結(jié)構(gòu)不對稱，且內(nèi)孔一端突出輪輻較多，形成凸臺，因此加工內(nèi)花鍵的方式有正向和反向拉花鍵兩種方式，如圖2所示。

抽取正向和反向拉花鍵的產(chǎn)品各30件，測量內(nèi)花鍵M值進(jìn)行雙樣本T分析。H0：正向與反向拉花鍵對M值沒有顯著差異；H1：正向與反向拉花鍵對M值有顯著差異。分析結(jié)果如圖3所示，P值＜0.05，拒絕H0，正向和反向拉花鍵的一擋內(nèi)花鍵M值存在明顯差異。因此，確定熱前改用反向拉花鍵的工藝。

3.熱處理

熱處理過程是控制和改善零件熱變形的關(guān)鍵工序，主要從以下三個(gè)方面做改善。

（1）焊接應(yīng)力" 該零件為齒輪齒圈焊接結(jié)構(gòu)，考慮焊接產(chǎn)生較大的應(yīng)力可能引起內(nèi)花鍵變形大，采用200℃回火2h的方案進(jìn)行驗(yàn)證。取去應(yīng)力回火（200℃×2h）和正常生產(chǎn)的零件各30件，測量M值進(jìn)行雙樣本T分析。H0：熱處理前回火去應(yīng)力對M值沒有顯著影響；H1：熱處理前回火去應(yīng)力對M值有顯著影響。分析結(jié)果如圖4所示，P值＜0.05，拒絕H0，去應(yīng)力和不去應(yīng)力的一擋內(nèi)花鍵內(nèi)花鍵M值存在明顯差異。據(jù)此，零件焊接探傷后增加去應(yīng)力回火工序。

（2）攪拌速度" 理論上降低淬火烈度，有利于淬火變形的改善。通過改變淬火攪拌速度，降低淬火油的流量，驗(yàn)證內(nèi)花鍵的熱變形變化。不同攪拌速度的驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示，從四種攪拌速度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，600r/min淬火的M值數(shù)據(jù)均值靠近中差，且標(biāo)準(zhǔn)差最小，數(shù)據(jù)更優(yōu)，配合拉刀的調(diào)整可以實(shí)現(xiàn)熱后M值合格。

（3）工裝及裝爐方式" 工裝主要分為補(bǔ)償變形和自由變形兩種方式；裝爐方式主要分為串裝吊立和平放疊裝兩種。

通常而言，串裝吊立方式會因?yàn)榱慵灾貛砣渥?，?nèi)孔圓度變差，內(nèi)花鍵錐度和周累變大。而平放能使零件徑向冷卻均勻，周累和錐度變形較小[3]。然而該零件的結(jié)構(gòu)特殊，齒輪大而輪輻薄，且內(nèi)孔上下結(jié)構(gòu)不一致，平放時(shí)的變形程度更加嚴(yán)重。因此結(jié)合該零件內(nèi)孔有凸臺，并非對稱結(jié)構(gòu)，做平裝并增加補(bǔ)償套的方式，對比用補(bǔ)償芯軸串裝吊立的方式來驗(yàn)證能否減少內(nèi)花鍵變形。驗(yàn)證結(jié)果如圖6所示，熱處理平裝和串裝的一擋內(nèi)花鍵M值存在明顯差異，且串裝的均值和標(biāo)準(zhǔn)差好于平裝。

結(jié)語

通過上述多個(gè)影響內(nèi)花鍵變形因子的驗(yàn)證，針對該一擋齒輪實(shí)施以下措施：

1）簽訂材料標(biāo)準(zhǔn)，收窄淬透性帶寬。

2）拉花鍵工藝固化，采用反向拉內(nèi)花鍵。

3）焊接后增加去應(yīng)力回火處理。

4）降低淬火有攪拌速度。

5）采用補(bǔ)償芯軸串裝方式裝爐熱處理。

上述措施實(shí)施后，一擋內(nèi)花鍵熱處理后M值合格，且錐度由0.08縮小為0.04，效果顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1] 崔鼎，車永平. 帶內(nèi)花鍵零件的畸變控制方法[J]. 金屬熱處理，2022（3）：252-256.

[2] 楊更青. 探究提高零件內(nèi)花鍵M值穩(wěn)定性的方法[J]. 機(jī)械管理開發(fā)，2019（4）：55-57.

[3] 陳國民. 對齒輪熱處理畸變控制技術(shù)的評述[J]. 金屬熱處理，2012（2）：1-13.