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摘要：

變速箱齒輪熱處理工藝一般以滲碳淬火為主，該工藝中有許多影響熱處理變形的因素，如油溫、滲碳溫度、滲碳時間和淬火溫度等。采用正交試驗方法合理安排試驗方案，對試驗數據進行統計分析，選出最佳的滲碳淬火工藝參數，效果良好，變形穩定。通過試驗比較了不同熱處理設備對變形的影響規律，找到不同設備對變形的影響差異。

關鍵詞：

變速箱齒輪；熱處理工藝；正交試驗；變形

變速箱是汽車的核心部件之一，是主要的受力單元。對于重型汽車，常常處于惡劣的工作環境下，其變速箱往往受到更加頻繁的沖擊。經過數據統計和分析發現，接觸疲勞損傷和彎曲疲勞斷裂是重型汽車變速箱齒輪失效的主要形式[1,2]。因此對重型汽車變速箱的力學性能要求非常高，如需具有高沖擊性能、高強度、高耐磨性等。為了提高力學性能，一般對其進行以滲碳淬火為主的熱處理[3]。對于齒輪制造，影響其變形的因素很多很復雜，熱處理變形是其中的難點之一[4]，控制和穩定熱處理變形非常重要。

1熱處理工藝參數對變形的影響

1.1實驗材料與方法在現代機械制造工業，尤其是汽車工業中，滲碳淬火工藝被廣泛應用[5]。發動機齒輪主要采用箱式滲碳爐，變速箱零件主要采用連續式滲碳生產線。圖1連續式滲碳爐和箱式滲碳爐滲碳淬火工藝曲線。圖2為某變速箱主軸齒輪結構示意圖。齒輪材料為8620H，化學成分見表1。該材料韌性好，淬透性較20CrMnTi稍差，適用于生產重載齒輪[6]。試驗采取正交試驗方法，期望以最少的試驗次數獲得最佳工藝方案。選取3個因素來分析齒輪的熱處理變形，包括滲碳溫度、淬火保持溫度和淬火介質溫度。全部采用掛裝的裝夾方式，每個因素取3個水平。表2為正交試驗因素水平表。綜合考慮，試驗選擇在日本東方爐上進行。試驗方案按照L9（34）正交表安排，具體方案如表3，每次試驗隨機抽取10件進行檢驗，可知，經過優化設計后，大大減少了實驗次數，節省了人力物力，提高了效率。

1.2實驗結果及分析對9組試驗的數據進行整理，得到平均變動量和波動量如表4所示。圖3和圖4分別為內花鍵變動和齒輪M值變動柱形圖。可以看出，對于內花鍵變形較小且波動較規律的為試驗3、試驗5和試驗7。對于齒輪變形小且波動較規律的為試驗4和試驗5。綜合考慮以上兩種因素，與其他方案相比，試驗5更優。總體來說，淬火溫度越低變形波動越小，為提高熱處理生產效率，不宜選擇太低的滲碳溫度。為進一步分析淬火溫度和滲碳溫度對變形的影響，還將淬火溫度統一選擇為80℃，安排試驗如表5所示。綜合以上4次試驗結果與試驗5的結果，再進行整理得到滲碳溫度影響和淬火溫度影響變形柱狀圖5和圖6。可以看出，內花鍵的收縮量隨著滲碳溫度的提高由0.11mm減小到0.10mm，齒輪M值膨脹量和變動量隨滲碳溫度的提高分別由0.12mm和0.02mm增大到0.14mm和0.03mm。零件的膨脹量隨滲碳溫度的提高而逐漸增大。內花鍵的收縮量隨著淬火溫度的升高逐漸減小，由0.12mm減小到0.10mm。齒輪M值膨脹量隨著淬火溫度的升高，由0.11mm增大到0.14mm，變動量隨淬火溫度的升高增大了0.03mm。對于變形，淬火和滲碳溫度的影響是一致的，為控制尺寸變動，不應選擇過高的滲碳和淬火溫度綜合考慮上面的試驗結果，最佳工藝參數為：淬火油溫80℃、淬火溫度840℃、滲碳溫度920℃。

2熱處理設備對變形的影響

2.1實驗方法通過前面13組試驗基本選定了熱處理工藝參數，下面還對不同熱處理設備對變形的影響進行分析，公司主要熱處理生產線包括：UBE-600日本東方箱式滲碳爐、IPSEN多用箱式滲碳爐和連續式滲碳生產線等。保持工藝不變，在連續式滲碳生產線和IPSEN多用箱式滲碳爐進行對比試驗，試驗方案如表5。

2.2實驗結果與分析圖7為不同設備內花鍵變形柱狀圖。圖8為不同設備內齒輪變形柱狀圖。可以看出，IPSEN箱式滲碳爐的變動量沒有預熱的情況下要比預熱的情況下大，造成該差別的原因主要是裝爐量大，導熱容量因零件總量的增加而增大，由于零件在加熱時所處的位置不同，受熱情況也不一樣，內部零件升溫較慢，外圍靠近輻射管的零件受熱較早，因此產生溫度差異，溫差導致熱應力不同，從而變形量在淬火時也就不同。預熱后，零件溫差較小，能減小變形。因為有預熱過程，連續滲碳爐和IPSEN箱式滲碳爐的變動持平，但是內花鍵的收縮量因膨脹量較大而有所減小。由于連續爐除預熱外，還經過兩次加熱過程，加熱溫度分別為890℃和910℃，這使得零件在整個加熱過程中在爐內高溫停留時間過長，導致零件的膨脹量增大，最終變形量增大。

3結論

（1）變形受淬火介質溫度的影響最大，變形在高油溫低冷卻速度下較溫和，在低油溫高冷卻速度下較劇烈；應合理選擇冷卻速度以獲得更好的金相組織。（2）零件膨脹量隨滲碳溫度和淬火溫度的升高而增大，且變形越不規則；滲碳溫度決定滲碳速度，太低的滲碳溫度影響生產效率。（3）對于較大尺寸零件，進行預熱能使滲碳均勻度和變形穩定性得到顯著改善，預熱能一定程度減小熱處理變形。（4）對于不同的熱處理設備，熱處理變形取決于作用時間，漲量變形隨加熱時間的增加而變大。

參考文獻：

[1]廖正中．滲碳齒輪鋼的沖擊—彎曲性能與應用[J]．重型汽車，1996，32(1)：31-35．

[2]史美堂．金屬材料與熱處理[M]．上海:科技出版社，1987．

[3]潘一凡．齒輪熱處理變形控制[J]．機械設計與制造工程，2002，31(5)：85-90．

[4]文源康．國外齒輪滲碳淬硬工藝的研究與應用[J]．國外金屬熱處理，1990，11(5)：5-11．

[5]戴鳳梅．正交試驗法在熱處理工藝上的應用[J]．機械設計與制造，1999(6)：50-51．

[6]王承槐．滲碳齒輪與花鍵內孔的熱處理變形規律[J]．金屬熱處理，1989(12)：32-34.

作者：楊玲玲 李宇 潘杰花 單位：柳州鐵道職業技術學院 汽車技術學院 廣西大學 材料科學與工程學院 上汽通用五菱汽車股份有限公司