5種汽車變速箱齒輪材料在制造過程中的優(yōu)劣性分析

李昆，陳宇

（一汽-大眾汽車有限公司 傳動器車間，長春130011）

1 汽車齒輪常用材料介紹

汽車變速箱齒輪材料不僅要有良好的強(qiáng)度、韌性、耐磨性，而且還要求變形小、加工精度高。在齒輪的熱處理加工工藝中，除了一般的淬火、回火外，還采用滲碳淬火、氮化處理、高頻淬火等多種表面硬化工藝。對齒輪材料技術(shù)要求有：1）足夠的芯部淬透性、表面硬度和深層，并確保齒輪滲碳淬火時滲碳層和芯部不出現(xiàn)過冷奧氏體分解物；2）齒輪滲碳淬火后尺寸變形小且均勻，便于后續(xù)的精加工[1]。汽車齒輪常用的國產(chǎn)材料有20CrMnTi、20CrMo、20MnCr5、25CrMnS4 等[2]，本文對比了以上4 種國產(chǎn)材料及德國進(jìn)口材料（型號TL4521）在相同制造工藝下（機(jī)械加工工藝及熱處理工藝完全相同）所表現(xiàn)出來的材料優(yōu)劣性。

2 汽車齒輪制造過程的評價參數(shù)介紹

齒輪的設(shè)計參數(shù)有齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、齒頂高系數(shù)和螺旋角等；齒輪制造過程中的評價參數(shù)有跨棒距MDK、徑跳FR和齒輪精密測量報告等，表1 所示為汽車變速箱齒輪零件在制造過程的評價參數(shù)。

表1 汽車變速箱齒輪零件在制造過程的評價參數(shù)

齒輪的精密測量報告主要評價齒輪齒面修形誤差（實(shí)際形狀與設(shè)計的非理論漸開線齒形之間的偏差）及分度誤差（周節(jié)誤差）[3]，齒面修形誤差包括齒形角偏差、齒形形狀誤差、齒形鼓形量、齒向角偏差、齒向形狀誤差和齒向鼓形量等，分度誤差包括單個周節(jié)誤差、周節(jié)累計誤差等，這些參數(shù)決定了齒輪的加工精度等級，影響了變速箱的振動和噪聲。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

3.1 評價指標(biāo)選擇

為了對比上述的5 種材料在汽車變速箱齒輪加工制造過程中所體現(xiàn)的性能好壞，本文選取了表2 所示的關(guān)鍵指標(biāo)作為評價指標(biāo)，表中的尺寸全部為齒輪零件生產(chǎn)制造過程中的核心尺寸。評價尺寸的選擇并不是越多越好，最好用少而精的尺寸來準(zhǔn)確反映零件的整體性能。

表2 材料評價指標(biāo)

3.2 評分原則的確定

為了系統(tǒng)地評價上述5 種材料在齒輪加工制造過程中所體現(xiàn)的性能好壞，對尺寸變形的大小（波動及變形量）采用量化的評價指標(biāo)，同時為了考核不同批次毛坯材料及不同輪次實(shí)驗(yàn)的影響，增加了一項(xiàng)“材料性能一致性”評價指標(biāo)，用多輪實(shí)驗(yàn)中每項(xiàng)尺寸指標(biāo)平均變形量的最大值減去最小值，再除以該尺寸的公差來進(jìn)行評價，評價原則如表3 所示。

表3 尺寸變形評價規(guī)則

3.3 實(shí)驗(yàn)方案整體設(shè)計

實(shí)驗(yàn)采用ECM 真空熱處理爐，使用8 種齒輪類零件（4 種小齒輪，1 種大齒圈，2 種軸，1 種同步器）。按照精加工形式，又可以劃分為3 種磨齒類零件、4 種剃齒類零件。由于剃齒類零件最終成品尺寸由熱處理變形保證，因此對剃齒類零件進(jìn)行5 輪實(shí)驗(yàn)，對磨齒類零件進(jìn)行3 輪的實(shí)驗(yàn)，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。每輪實(shí)驗(yàn)中，5 種材料的實(shí)驗(yàn)件分別加工9 件，并排放在熱處理料盤的8 個角落及中心（即熱處理九點(diǎn)實(shí)驗(yàn)）。零件在熱處理投爐前按照表2 中的尺寸進(jìn)行測量，并在零件上標(biāo)注測量點(diǎn)，熱處理完成后按照相同的測量點(diǎn)再次進(jìn)行測量，從而獲得準(zhǔn)確的尺寸變形量。齒輪零件使用的真空熱處理主要參數(shù)如表4 所示。

表4 齒輪零件的真空爐主要參數(shù)

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 熱處理指標(biāo)分析

由5 種齒輪零件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出來：1）材料TL4521、20MnCr5、20CrMnTi(J9=37 ～40)、20CrMnTi(J9=35～38)在芯部硬度、表面硬度和層深等3方面全部合格；2）材 料20CrMo 及20CrMnTi(J9=32～35)由于淬透性不足，導(dǎo)致在相同的工藝條件下，芯部硬度不足夠，其中20CrMo 材料對應(yīng)的一擋換擋齒輪零件的各項(xiàng)熱處理指標(biāo)如圖1 所示；3）材料25CrMnS4 只在軸零件上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)論是熱處理指標(biāo)全部合格。

4.2 尺寸變形分析

如表6 所示，由5 種齒輪零件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：1）5 種零件的累計總分，TL4521 最高，其次是20CrMo 和20CrMnTi (J9=35 ～38)；2）單 項(xiàng) 最 低 分 方 面，20MnCr5、20CrMnTi(J9=37～40)及20CrMnTi(J9=32～35)都出現(xiàn)0 分項(xiàng)，即變形量超出了公差范圍；3）材料25CrMnS4 只在軸零件上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，總分由高到低的順序?yàn)門L4521、25CrMnS4、20CrMo、20MnCr5、20CrMnTi。

表5 熱處理指標(biāo)分析

圖1 20CrMo 材料對應(yīng)的一擋換擋齒輪零件各項(xiàng)熱處理指標(biāo)

在尺寸變形評價過程中，已經(jīng)對異常數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析和剔除，以避免由于數(shù)據(jù)異常造成的分析結(jié)果差異，但由于采樣評價的數(shù)據(jù)點(diǎn)有限，不能保證完全體現(xiàn)材料的真實(shí)性能。

4.3 生產(chǎn)平順性

在實(shí)驗(yàn)的過程中，4 種國產(chǎn)材料（20CrMnTi、20CrMo、20MnCr5、25CrMnS4）在車削工序出現(xiàn)了不同程度的纏屑，如圖2(a)所示。20CrMnTi 材料對應(yīng)的一擋換擋齒輪在插齒工序出現(xiàn)了材料黏刀現(xiàn)象，導(dǎo)致加工完成的零件端面有壓傷，屬于外觀缺陷，如圖2(b)所示。提高國產(chǎn)毛坯材料的硬度，可減少車削工序纏屑和插齒工序材料黏刀現(xiàn)象，比如20CrMnTi 材料的硬度由原來的167～192 HB提升到180～200 HB。再結(jié)合車床、插齒機(jī)設(shè)備參數(shù)優(yōu)化，可完全消除這些加工缺陷，滿足生產(chǎn)平順性要求。

表6 尺寸變形分析

圖2 生產(chǎn)平順性問題照片

5 結(jié) 論

本文對比了5 種不同的金屬材料（TL4521、20CrMnTi、20CrMo、20MnCr5、25CrMnS4），從熱處理指標(biāo)、尺寸變形和生產(chǎn)平順性等3 個方面出發(fā)，通過選擇合適的評價指標(biāo)，在相同的制造工藝前提下（機(jī)械加工工藝及熱處理工藝完全相同）開展實(shí)驗(yàn)，分析了5 種汽車變速箱齒輪材料在生產(chǎn)制造過程中體現(xiàn)出的優(yōu)劣性。

在熱處理指標(biāo)方面，TL4521、20MnCr5、20CrMnTi(J9=37～40)、20CrMnTi(J9=35～38)能保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)全部在合格范圍內(nèi)；在尺寸變形方面，采用量化的評價方式，齒輪和同步器零件尺寸變形由大到小的順序?yàn)門L4521、20CrMo、20CrMnTi、20MnCr5，軸零件尺寸變形由大到小的順序?yàn)門L4521、25CrMnS4、20CrMo、20MnCr5、20CrMnTi；在生產(chǎn)平順性方面，4 種國產(chǎn)材料在車削工序出現(xiàn)了不同程度的纏屑，材料20CrMnTi 在插齒工序出現(xiàn)材料黏刀現(xiàn)象，通過調(diào)整毛坯硬度及優(yōu)化設(shè)備加工參數(shù)，缺陷可以完全消除。

本文提供的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，不同于實(shí)驗(yàn)室里的材料組織成分分析及齒輪疲勞壽命評價，是從生產(chǎn)制造角度對常用汽車齒輪材料的優(yōu)劣性進(jìn)行評價，給變速箱齒輪材料選型提供另一種參考維度。汽車變速箱齒輪材料的具體選型需要綜合考慮成本、質(zhì)量、壽命等，依據(jù)變速箱臺架實(shí)驗(yàn)及整車路試實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行最終確定。