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重載齒輪單件滲碳熱處理技術-案例分享

隨著重型卡車司機對變速器質量要求的提高，變速箱齒輪加工精度的提高和零件加工的一致性成為齒輪加工工藝目前需要解決的首要問題。目前的滲碳淬火熱處理設備均為批量處理設備，但因批量處理時存在滲碳室溫度、氣氛均勻性差異，淬火室的冷卻均勻性差異均會引起零件變形的不一致性。對于中型以下的汽車或轎車齒輪均可采用熱后磨齒工藝對熱處理變形齒部精度進行修形，但對于重型卡車齒輪采用熱后磨齒會大大減少齒部的疲勞抗力。單件滲碳熱處理設備成為解決齒輪件滲碳熱處理變形小、重復性好的必備手段。

1.齒輪零件受力狀態和司機朋友的追求

變速箱中的齒輪及齒輪軸零件在使用中的主要應力狀態為齒面受接觸疲勞應力，齒根受彎曲疲勞應力。但司機對不同類車型的要求有著巨大的差異。對于小型車，因受力較小，追求加工精度，減少噪聲、提高運行平穩舒適成為其零件加工中的側重點；對于重型車在追求承受大的疲勞抗力的同時也最求小的噪聲和運行的平穩舒適性。

2.目前重型變速器齒輪零件齒部加工現狀

對于承受小負荷的中型以下齒輪，目前工藝普遍采用熱后磨齒的加工工藝來提高零件的尺寸符合性，滿足產品設計的尺寸要求和強度要求。對于重型變速器齒輪，不僅要有高的強度要求，而且還要高的尺寸符合性。以便保證承受大的接觸應力的同時，齒部有好的嚙合狀態。

（1）滾剃工藝

齒輪加工的工藝為:下料→鍛造→鍛熱→粗車→精加工→齒部滾齒→齒部剃齒→熱處理滲碳處理→熱后精加工（配合尺寸的精加工）。

滾剃工藝加工的齒輪由于熱處理變形，熱后齒部不加工，齒部沒有得到熱后矯正，齒部質量存在齒形齒向的差異，齒輪嚙合時會以點接觸或線接觸，造成齒面點蝕導致齒輪早期接觸疲勞失效。如圖1為齒輪齒面齒形齒向符合性好的一對齒輪副正常嚙合疲勞失效的零件照片，圖2為齒面齒形齒向符合性差的一對齒輪副疲勞失效的零件照片。

圖1 符合性好的零件疲勞失效的零件

圖2 符合性差的零件疲勞失效的零件

（2）滾剃+熱后磨齒工藝

齒輪加工的工藝為:下料→鍛造→鍛熱→粗車→精加工→齒部滾齒→齒部剃齒→熱處理滲碳處理→熱后精加工（磨齒及配合尺寸的精加工）。

滾剃+熱后磨齒工藝滾剃工藝加工的齒輪由于熱處理磨齒，齒部變形得到熱后修正，齒形齒向狀態符合設計嚙合形態，齒輪嚙合時狀態良好。但滲碳淬火齒輪的磨削量（齒的單側）一般在0.2～0.6mm范圍內，過深的磨削量不僅會將最佳的硬度、金相組織磨去，而且還會喪失表面起良好作用的殘余壓應力，削弱了齒面的接觸疲勞抗力，導致早期接觸疲勞失效。

3.目前重型變速器齒輪零件熱處理設備及裝料

目前的重型汽車齒輪滲碳熱處理設備按設備結構大體分為連續爐和周期爐，按工藝分為滲碳淬火、碳氮共滲、真空滲碳淬火（油淬）。

但不管哪種設備下的工藝均為批量熱處理，裝料如圖3、圖4所示。批量熱處理的優點顯而易見，但零件之間存在熱處理變形的差異化，主要在于滲碳室爐溫均勻性差異（目前合資熱處理企業能夠做到的爐溫均勻性±5℃）、氣氛均勻性差異，淬火室介質流動的均勻性差異、介質攪拌均勻性的差異等等，這些差異加上零件處于料盤不同區域的差異均會導致整盤零件加熱、滲碳、淬火的差異并從而導致零件變形不一致性。零件變形的差異化隨批量處理零件量的增加而增加。

圖3 批量生產時的裝量照片

圖4 批量生產時的裝量照片

圖5為零件設計要求的齒形、齒向圖示，圖6為批量熱處理的齒輪齒形、齒向圖例。這樣的零件符合性不僅噪音大，更是抗點蝕能力下降，使用壽命大大縮短。

圖5 零件要求的齒形、齒向框圖圖示

圖6 零件批量熱處理后的齒形、齒向框圖圖例

4.單件熱處理的發展前景

單件熱處理設備設計為連續爐、加熱區域較小，加熱元件布置合理，如圖7所示。零件在移動的每個工位溫度均勻性和氣氛均勻性差異會極小。淬火區域也很小，實現單件淬火，如圖8所示，還可以實現批量處理不能實現的氣體淬火工藝，零件冷卻狀態重復性、一致性好。實現零件變形量小，變形一致性、重復性好的目標。如圖9零件熱處理后的齒向框圖圖例，盡管齒向不符合設計要求，但一致性好、每個零件重復性好。