鍵槽、花鍵孔類齒輪熱處理后問題淺談及某內矩形花鍵橋齒改善實例

■ 楊 鍇

齒輪類產品往往帶有各式各樣的鍵槽和內花鍵孔，在生產制造過程中會因為各式各樣的冷熱加工問題造成齒輪熱處理后鍵槽、花鍵孔不合格，塞規無法通過，造成制造瓶頸，甚至影響到主機廠正常裝機。

1. 常見問題及解決措施

我廠在生產制造各類帶有鍵槽、花鍵孔的齒輪產品過程中，常見有如下問題及相關解決措施：

（1）鍵槽較深的產品（如槽深5.1mm）鍵槽熱處理后通規不過。用氮碳共滲拉刀復拉挽救。或臨時用銼刀以低效率銼削挽救。原因是鍵槽深，鍵槽側面較寬，熱處理后變形會更大，尤其是鍵槽側面出現翹曲。

（2）帶有內花鍵的嚙合套類產品熱處理后，內花鍵雖然已經作熨光處理，但是凸臺端通規用力才能緊過。主機廠提出影響裝配，原因是結構不對稱，兩端收縮不一致，可靠熱處理后二次鹽浴加熱套入校正心軸返淬將內花鍵撐開滿足后序加工所需。中橋從動齒輪批次性出現內花鍵靠凸臺端收縮多，熱處理后通規部分無法順利通過，原因是毛坯供應商鍛造時發現毛坯尺寸不符合圖樣要求，輻板處油槽淺，供應商為了保證尺寸不從模具根源入手，卻直接將油槽車光至尺寸，破壞了金屬組織流線，熱處理時花鍵收縮加劇。

（3）燃油泵齒輪鍵槽熱處理后通規不過。熱處理后用銼刀挽救修復造成鍵槽平行度或垂直度超差。通規能部分通過，但不能完全通過（靠近凸臺面不能通過），止規又不能完全止住（靠近直孔端偏大）。鍵槽拉刀寬度基本上都按最上差設計，拉刀及導套決定了鍵槽的深度，而鍵槽深度基本上也是在最上差范圍。因為鍵槽寬度在軸向、徑向上熱處理后并不是一致性地全收縮，所以導致鍵槽深度按照最上差設計時磨內孔難免磨偏，出現鍵槽深度規止規不止。類似結構齒輪中心凸臺區域考慮增加一些可以反復進熱使用的鋼質輔助品（熱處理用簡易小工裝），來進一步減緩鍵槽處冷卻速度，降低熱處理變形。

（4）某些燃油泵齒輪鍵槽的中間區域通規可進入，而鍵槽的兩端區域通規只能緊過或不過。原因是由于燃油泵齒輪中心凸臺端面有涂抹防滲涂料進行防滲保護的要求，導致滲碳淬火后鍵槽及附近材料硬度低，熱處理后拋丸清理時鍵槽的兩端被拋毛。可考慮增加一些鋼質輔助品（拋丸用簡易小工裝）來保護低硬度鍵槽，并在拋丸后考慮鍵槽清理工藝。

（5）供應商提供的齒輪毛坯等溫正火處理時硬度處于規定指標范圍下限，甚至低于下限，硬度偏低，拉鍵時觀察拉屑狀況，可見鍵槽處翻毛刺掉肉。熱處理后鍵槽內翻毛刺掉肉部位被滲碳硬化，又會引發通規不過等問題。應當加強齒輪毛坯預處理的質量管控。

（6）鍵槽拉刀制造過程中不符合圖樣要求，側隙角偏大，除了確保按圖加工拉刀外，還應當考慮拋光措施，以提高鍵槽拉刀前刀面表面粗糙度。

（7）根據各種不同結構特點，齒輪鍵槽的熱處理前、后狀態考慮對于拉刀尺寸和塞規尺寸進行調整。表1是本廠四種齒輪調整實例。

表1 四種齒輪調整實例 （mm）

圖 1

2. 現有兩種橋齒輪花鍵孔變大的臨時齒輪措施

2017年度我廠承接了兩種橋齒輪，材料為20CrMnTiH3鋼，執行標準為Q/DFLCM1431—2007《汽車齒輪滲碳用鋼》，要求滲碳淬火處理，表面硬度58～64HRC，心部硬度30～40HRC，滲碳淬火有效硬化層深度帶磨量為1.2～1.6mm。帶磨量熱處理后半成品金相組織要求為：殘留奧氏體級別1～5級，碳化物級別1～5級。采用分級油淬火，淬火時油溫為120℃。圖1a所示為主動輪結構，圖1b所示為從動輪結構。

熱處理后檢測硬度指標和金相指標均合格，但是轉入精加工工序時反映內矩形花鍵孔變形大。為了不影響生產，確保主機廠正常裝機，我廠機械加工工藝人員采用了如下的臨時解決措施來保障生產不中斷。

（1）經測量并確認好熱處理后用熨光刀的各部分參數后，將齒輪熱處理前內矩形花鍵熨光，兩種齒輪內矩形花鍵孔可以明顯地熨下來少許。

（2）針對磨外圓時出現小部分黑皮的現象，在內孔磨工序增加穿入錐度花鍵心軸找正來加工內孔。穿心軸磨外圓，數磨加工端面內孔。在可以確保一定程度的花鍵塞規通過率下，對于花鍵塞規無法通過件找正內孔返修。

（3）采取穿入錐度花鍵心軸磨外圓，而后再夾著外圓磨內孔。

（4）用推刀過一遍來修復花鍵小徑與花鍵偏心問題。效果良好，可以矯正內孔大徑與小徑的同軸度。

但是內孔的變形量較大時會導致穿不進錐度心軸。經過測量發現穿不進心軸的齒輪內矩形花鍵大徑的縮減量最大可達到0.17mm，即使采取改小花鍵錐度心軸來返修，錐度心軸穿不進的風險依舊存在。

3. 全面分析解決橋齒輪問題

由于以上臨時措施只能緩解燃眉之急，無法適應這兩種橋齒輪的大批量生產模式，為此廠里安排冷熱工藝聯合進行分析。這兩種橋齒輪內矩形花鍵熱處理后通規不過。原因都是屬于結構不對稱件，如圖1所示左側凸出部位冷速太快，即便是采用最佳入油方向入油，也仍然會導致矩形內花鍵孔兩端收縮不一致，一頭大，另一頭小。塞規無法通過。部分變形大的產品甚至需要在熱處理后采用線切割挽救。一是影響到成品質量，二是生產效率非常低，并增加了制造成本，影響到產品發交并引起客戶抱怨。

從動輪矩形內花鍵要求為：鍵寬、小徑m、大徑mm。從動輪精車內孔尺寸為φmm；主動輪矩形內花鍵要求為：鍵寬mm、小徑、大徑

為此，首先取10件從動輪編號后分別按照刻字位置以順時針方向測量熱處理前和熱處理后的3個數據，并根據前后對應數據測算變動量后取平均值，數據統計如表2和圖2所示。

為了減緩凸臺處的冷速，在采用了常規降低淬冷烈度方式如降低淬火溫度、降低油攪拌速度、調整淬火油溫、調整淬火冷卻介質類型、調整淬火入油方向等各種措施都不奏效的情況下，考慮采用常規廉價45鋼為材料設計制作了一種簡易的內撐塞，塞入矩形內花鍵孔內，并靠內撐塞的大端阻礙孔口處淬火油的自由流動，如圖3a、3b所示。初始內撐塞尺寸暫定為φ再取任意5件從動輪編號后塞入該內撐塞，進熱處理后測量熱處理后數據，并在測量尺寸后做硬度、金相分析，同樣可滿足圖樣要求。

尺寸測量統計如表3所示。

因為內撐塞拔出時，會使孔口處的測量位置受到擠壓，導致測量尺寸變大。剔除問題數據后，可以發現內孔的尺寸基本處于拉刀的尺寸范圍以內。由此可看出，不加內撐塞的矩形內花鍵孔基本上縮了0.10mm，而且變動量相對均勻。不加內撐塞則后續的磨量會相應地增大，增加了磨削內孔序的工作量；塞入內撐塞的數據變動量非常小，基本維持在原狀態附近。

表2 熱前和熱處理后的變動量 （mm）

表3 塞入內撐塞熱處理后數據（mm）

圖2 變動量均值（縮減量）

參照從動輪塞入內撐塞取得的效果，我們也仿制了主動輪的內撐塞開始小批量試用。但接到后續精加工反映，有少部分主動輪、從動輪的內矩形花鍵的縮減量相對較大，熱處理后花鍵軸仍然穿不進去。

根據縮減量統計情況，懷疑在小批量進熱試用過程中，部分熱處理后花鍵軸穿不進去的主動齒輪有可能在進行熱處理時，由于某些原因沒有塞入內撐塞。隨后在與車間裝卸操作工的溝通中得到了證實。反復使用過的內撐塞由于在塞入的過程當中出現了困難，導致部分主動齒輪未能及時加裝內撐塞。對于操作員反饋的5件塞入困難的內撐塞按照圖4所示的上、中、下位置進行測量，統計如表5所示。

經過查驗主動齒輪的內撐塞原始值為53.62～53.67mm，由此可發現內撐塞上部略大，中部尺寸基本偏小，而下部尺寸波動比較大。為了查明這是特例現象還是普遍現象，除以上測量的5件內撐塞之外，又再次隨機抽取了另外10件塞入不順利的內撐塞，測量統計數據如表6和圖5所示。

表4 大小徑尺寸統計 （mm）

表5 內撐塞上、中、下尺寸 （mm）

表6 隨機抽取10件內撐塞測量上、中、下尺寸 （mm）

圖 3

由此可以看出呈現出同樣規律：經過分析認為，內撐塞上部超出原始設定的尺寸，導致車間操作人員在裝卸內撐塞時出現裝入困難的狀況，原因是透出部位經過多次滲碳處理后使得尺寸變大了；內撐塞中部尺寸基本偏小，是由于反復塞拔過程中表面磨損；內撐塞下部尺寸處于一個波動比較大的范圍內，是由于內撐塞下部的部分位置貼近內矩形花鍵部分比較緊，對于滲碳有阻礙作用，而部分位置貼近內矩形花鍵部分比較松，致使表面滲碳條件比較寬松導致。

為了驗證是否塞入內撐塞有明顯的差異性，取任意兩件未塞入內撐塞熱處理后通規不過件和任意兩件已塞入內撐塞熱處理后通規不過件，來手工測量從動輪的花鍵大徑，測量統計結果如表7、表8和圖6所示。

圖 4

圖 5

表7 參與測驗的內塞規的測量數據 （mm）

由于熱處理后的齒輪采用同樣型號的同一臺機床由同一名操作工加工，據此可觀測出大徑加不加塞的同軸度差別比較明顯，不加塞的齒輪內矩形花鍵的大小徑同軸度逼近0.09mm，而加入內撐塞的齒輪內矩形花鍵的大小徑同軸度縮小到約0.05mm，效果很顯著，說明加入內撐塞在一定程度上保證了大小徑同軸的一致性。同時還可以發現在鍵寬指標上加塞與不加塞的區別不明顯。

在經過了數次調整和比較后，最終確定主動齒輪的內撐塞直徑為53.62～53.67mm，從動齒輪的內撐塞直徑為44.62～44.67mm。

當內撐塞因為反復使用發生尺寸變化，導致塞入困難時，由車間工段長與生產制造部門協商，匯總后統一加工到合適尺寸范圍內，或在有必要時重新訂貨。

4. 改善效益測算

改善前主動齒輪熱處理后縮減變形大者若線切割矩形內花鍵，線切割費用69元/件。改善后有80%熱處理后無此問題，可保障精加工生產，改善過程中總共投入了200件內撐塞，其材料費用+工時費用總計為11.31元/件，兩個月內總共已經達到667件主動齒輪。則主動齒輪降成本額可達到：

667件×69元/件×80%–200件×11.31元/件＝34556.4元

改善前從動齒輪熱處理后縮減變形大者若線切割矩形內花鍵，線切割費用59.5元/件。改善后90%熱處理后無此問題，可保障精加工生產，改善過程中總共投入了175件內撐塞，其材料費用+工時費用總計為11.3元/件，兩個月內總共進熱已經達到466件從動齒輪。則從動齒輪降成本額可達到：

466件×59.5元/件× 90%-175件×11.3元/件＝22976.8元

兩種橋齒輪雙月總降成本額預計達：34556.4元+22976.8元=57533.2元

綜上述及的這種改善措施的關鍵點在于，要反復調整內撐塞尺寸，使其與生產實際情況相適配，如若尺寸選擇不當，會造成熱處理后齒輪內縮與內撐塞卡緊，采取液壓機等設備才能將內撐塞卸出的風險。通過增加以上述及的簡易小工裝，大幅度改善了目前高產月所面臨的生產瓶頸問題，既達到了按時交貨保障主機廠裝機不停線的目的，又降低了生產制造成本，減少了批量質量風險。目前，內矩形花鍵拉刀設計部門和橋齒輪機械加工工藝部門在熱處理改善的基礎上正在進一步優化拉刀結構，為生產現場服務。

表8 大徑尺寸和拉刀尺寸 （mm）

圖 6