電動(dòng)汽車齒輪（以下簡稱齒輪）是我公司新開發(fā)的產(chǎn)品，因其內(nèi)孔直徑較大，壁薄的特點(diǎn)。試制初期，齒輪在滲碳淬火回火后，出現(xiàn)了一系列質(zhì)量問題：同一個(gè)齒輪的齒部端面部位硬度不均勻；同一個(gè)齒輪有效硬化層深度不均勻等問題；因內(nèi)孔橢圓嚴(yán)重，齒輪磨齒時(shí)齒面磨削不起來，產(chǎn)品不合格率達(dá)40%。經(jīng)認(rèn)真分析總結(jié)，通過工藝驗(yàn)證，采用專用滲碳工裝和合理的滲碳擺放方式相結(jié)合，從根本上解決了上述問題，滿足了產(chǎn)品的技術(shù)要求。
1.齒輪技術(shù)要求
如圖1所示是齒輪的簡圖，材料20CrMnTi，有效硬化層深度0.5～0.8mm，表面硬度58～63HRC，心部硬度30～43HRC。齒輪顯微組織按《汽車滲碳齒輪金相組織》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)。碳化物≤5級(jí)，殘留奧氏體、馬氏體≤5級(jí)；磨齒齒輪精度等級(jí)≤5級(jí)。
圖1 電動(dòng)汽車齒輪
2.齒輪加工工藝及檢驗(yàn)結(jié)果
（1）齒輪生產(chǎn)工藝過程
下料→鍛造→等溫正火→粗車→精車→滾齒→倒棱→鉆小孔→去毛刺→清洗→滲碳→回火→磨內(nèi)孔→磨齒→檢驗(yàn)→清洗→裝機(jī)。
（2）齒輪熱處理設(shè)備及滲碳工藝
齒輪的滲碳、淬火、回火設(shè)備采用滴注式氣體滲碳氮化爐自動(dòng)生產(chǎn)線。齒輪滲碳工藝如圖2所示。
圖2 電動(dòng)汽車齒輪滲碳工藝
（3）檢驗(yàn)結(jié)果
齒輪經(jīng)滲碳、淬火、回火后，解剖隨爐機(jī)加工廢品檢驗(yàn)金相組織、有效硬化層DC值、心部硬度和抽檢部分產(chǎn)品檢測(cè)齒輪齒部端面部位硬度。其檢測(cè)結(jié)果見附表。從表中可以看出：金相顯微組織1～2級(jí)，符合產(chǎn)品的技術(shù)要求。而齒輪端面部位硬度，有的硬度均勻且合格；有的硬度不均勻，忽高忽低，且有的硬度合格有的不合格；心部硬度和有效硬化層深度也出現(xiàn)類似情況。此外，用內(nèi)徑百分表和公法線千分尺分別測(cè)量其內(nèi)孔和公法線，發(fā)現(xiàn)齒輪內(nèi)孔圓度為0.024～0.16mm，內(nèi)孔變形較大；公法線長度變動(dòng)量：0.004～0.085mm。
電動(dòng)汽車齒輪金相組織、有效硬化層DC值及心部硬度、齒部端面硬度值檢測(cè)結(jié)果
試樣 編號(hào) | 碳化 物/級(jí) | 殘留奧氏 體/級(jí) | 馬氏 體/級(jí) | 鐵素 體/級(jí) | Dc（550HV） /mm | 心部硬度 HRC | 齒部端面硬 度HRC |
1 | 1 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 0.30～0.38 | 26.1～27.5 | 52.3～53.5 |
2 | 1 | 2 | 2 | 1.5 | 0.72～0.73 | 39.6～40.1 | 60.2～61.7 |
3 | 1 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 0.42～0.43 | 29.5～30.6 | 54.5～55.4 |
4 | 1 | 2 | 2 | 1.5 | 0.48～0.70 | 32.0～38.7 | 56.8～60.6 |
5 | 1 | 2 | 2 | 1.5 | 0.71～0.72 | 38.9～39.6 | 60.4～61.3 |
3.原因分析及改進(jìn)措施
（1）原因分析
針對(duì)產(chǎn)品出現(xiàn)一系列質(zhì)量問題。
首先，從監(jiān)控記錄儀中查看了該產(chǎn)品的滲碳全過程，各加熱區(qū)滲碳溫度升、降溫正常、碳勢(shì)變化穩(wěn)定、淬火油溫度、攪拌速度及油量未見異常，回火溫度和時(shí)間均正常。
其次，察看現(xiàn)場(chǎng)情況，發(fā)現(xiàn)裝料方法有問題。主要是裝料工裝料擺放不合理，齒輪堆放過密。裝料方法不合理對(duì)熱處理畸變有著重要影響。該滲碳擺放方式示意圖如圖3所示。齒輪平放在蜂窩狀的方形耐熱鋼板上，齒輪擺滿一層后上面鋪上耐熱鋼絲網(wǎng)接著再擺放2層齒輪。經(jīng)過分析，貼近耐熱鋼板和鋼絲網(wǎng)的齒輪端面在滲碳淬火過程中，齒輪的上、下端面升溫、降溫、淬火時(shí)溫度不均勻，滲碳?xì)夥諗U(kuò)散循環(huán)不暢、滲碳速度快慢不一致，且有滲碳死角，淬火油流動(dòng)不暢，冷卻速度不一致，這是導(dǎo)致齒輪有效硬化層深度和端面部位硬度、心部硬度不均勻的主要因素；再加上高溫下滲碳時(shí)零件堆放過密，齒輪機(jī)加工應(yīng)力、熱應(yīng)力、組織應(yīng)力、齒輪自重和工裝的重量相互疊加這是誘導(dǎo)齒輪端面蠕變而翹曲變形的另一原因。
齒輪滲碳、淬火時(shí)，由于齒輪上、下端面溫度不均勻，齒輪內(nèi)孔直徑較大，壁薄且該處鉆有8個(gè)小孔，機(jī)加工應(yīng)力較大，齒輪在高溫下的強(qiáng)度較低，這種應(yīng)力及組織應(yīng)力都會(huì)加劇齒輪內(nèi)孔和公法線長度的熱處理畸變。
圖3 電動(dòng)汽車齒輪滲碳擺放方式示意
（2）改進(jìn)措施
為了確保齒輪的熱處理質(zhì)量，我們必須從滲碳淬火方面考慮，合理的工裝與齒輪裝夾方式、淬火介質(zhì)及合理的攪拌是關(guān)鍵的畸變控制措施。
對(duì)此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)環(huán)形墊圈作為齒輪滲碳專用工裝，環(huán)形墊圈簡圖如圖4所示，該工裝加工制作簡單方便，生產(chǎn)成本低。采用另外一種滲碳擺放方式與環(huán)形墊圈配合使用，該擺放方式示意圖如圖5所示。
為了驗(yàn)證滲碳擺放方式可靠性，我們繼續(xù)采用了原滲碳工藝，以便新的滲碳擺放方式與原來的方法相比較。
具體裝料方法：先從料框最下層開始由下往上裝料，每層一塊方形耐熱鋼板，每個(gè)料框裝8塊蜂窩狀的耐熱鋼板，各耐熱鋼板之間保證間隙均勻，每塊鋼板上先均勻的擺放11個(gè)環(huán)形墊圈，擺料時(shí)每個(gè)齒輪薄壁處的凹槽向下且正好落在環(huán)形墊圈上。該滲碳擺放方式的特點(diǎn)：由于環(huán)形墊圈的壁薄，齒輪滲碳、淬火時(shí)，升、降溫對(duì)齒輪的熱量傳遞影響不大；齒輪的齒部上、下端面不直接接觸工裝，對(duì)齒輪的齒形、齒向變形影響更??；齒輪上下端面、前后、左右之間間隙均勻，升溫、降溫速度均勻；滲碳?xì)夥昭h(huán)通暢無死角；淬火冷卻速度均勻、淬火介質(zhì)流通順暢；這樣就保證了齒輪各部位加熱、冷卻均勻；滲碳?xì)夥占按慊鸾橘|(zhì)流動(dòng)均勻，使齒輪可以獲得較小的變形和較均勻的變形規(guī)律。此外，該生產(chǎn)操作方法安全簡單方便。
圖4 環(huán)形墊圈簡圖
圖5 電動(dòng)汽車滲碳擺放方式示意
為了驗(yàn)證該滲碳擺放方法的可行性。齒輪經(jīng)滲碳淬火回火后檢測(cè)結(jié)果如下：齒輪端面部位硬度：60.2～61.7HRC；線切割實(shí)物檢測(cè)有效硬化層深度：0.70～0.73mm；心部硬度：38.8～39.2HRC；金相顯微組織：碳化物1級(jí)，殘留奧氏體和馬氏體2級(jí)，鐵素體1級(jí)。內(nèi)孔圓度：0.003～0.06mm,公法線長度變動(dòng)量：0.002～0.020mm，磨齒后齒輪精度等級(jí)3～5級(jí)。從檢測(cè)結(jié)果可以看出，通過設(shè)計(jì)環(huán)形墊圈和采用新的滲碳擺放方式，齒輪的各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果均符合產(chǎn)品的技術(shù)要求。產(chǎn)品合格率達(dá)100%。經(jīng)多次小批量試生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。現(xiàn)已采用此工藝進(jìn)行批量生產(chǎn)。
4.結(jié)語
齒輪在滲碳淬火過程中出現(xiàn)一系列質(zhì)量問題，通過設(shè)計(jì)環(huán)形墊圈并與合理的滲碳擺放方式相互結(jié)合，有效地解決了問題，確保了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。
作者：黃錦財(cái)、賴香功、廖曉文
單位：贛州核力機(jī)械股份有限公司
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