文/李良晨，鞠輝，邊劍宇，韓俊栓·中國重汽工藝研究院

本文介紹了一種驅(qū)動(dòng)橋輪邊斜齒齒圈的工藝開發(fā)過程。對產(chǎn)品的應(yīng)用條件、圖紙要求等方面分析后，確立了產(chǎn)品的開發(fā)路線。對影響產(chǎn)品精度的因素逐一分析后，選擇合適的方法和參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品，積累了經(jīng)驗(yàn)。

雙級(jí)減速橋通過主被動(dòng)錐齒輪和輪邊減速機(jī)構(gòu)進(jìn)行兩級(jí)減速，具有承載扭矩大，通過性好的優(yōu)點(diǎn)，是重型汽車常采用的驅(qū)動(dòng)橋形式。主流產(chǎn)品中，輪邊減速機(jī)構(gòu)均為太陽行星齒輪減速機(jī)構(gòu)。國內(nèi)現(xiàn)階段基本為直齒結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)嚙合系數(shù)低，容易產(chǎn)生沖擊振動(dòng)噪聲，傳動(dòng)不平穩(wěn)。與之相比，斜齒結(jié)構(gòu)體積小、重量輕、傳遞扭矩大，嚙合系數(shù)高，啟動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)比精細(xì)，逐漸被行業(yè)內(nèi)關(guān)注和研究。

車橋輪邊斜齒結(jié)構(gòu)中，制造最為困難的是斜內(nèi)齒圈。該產(chǎn)品為薄壁件，機(jī)加工難度大，受原材料、夾持、熱處理等因素影響，變形量大，難以保證精度?；诖?，本團(tuán)隊(duì)從原材料入手，逐步攻克毛坯、機(jī)加工、熱處理等過程，最終實(shí)現(xiàn)了輪邊斜齒齒圈的批量化生產(chǎn)。

產(chǎn)品特性

輪邊斜齒齒圈屬于薄壁內(nèi)齒類零件，齒部參數(shù)控制要求較高。生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品極易產(chǎn)生變形，齒圈的圓度、齒形的精度等下降嚴(yán)重，某些特定情況下，能下降 4～5 個(gè)級(jí)別。

初步工藝方案

對齒圈進(jìn)行分析后，初選的工藝方案為輾環(huán)→粗車→精車→車齒→壓淬。在對工藝流程逐一進(jìn)行分析后，認(rèn)為齒圈材料的選擇、齒圈毛坯的圓度、機(jī)加工過程中的受力以及滲碳過程中的熱處理變形對斜齒齒圈精度均有不同程度的影響。

齒圈材料的選擇

重型汽車領(lǐng)域常用的齒輪、齒圈材料有20CrMnTi、SAE8620H和22CrMo等。從材料成分、變形情況等方面進(jìn)行分析，確定最佳的原材料。

齒圈毛坯的圓度

輾環(huán)是一種環(huán)形鍛件的生產(chǎn)方式，材料利用率高、生產(chǎn)效率高、圓度好，被廣泛應(yīng)用于被動(dòng)錐齒輪、齒圈等環(huán)形毛坯(圖1)的制造。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，受到原材料組織不均勻等原因的影響，導(dǎo)致毛坯不同位置在冷卻時(shí)收縮不均勻，加之組織轉(zhuǎn)變時(shí)齒圈內(nèi)部產(chǎn)生的較大殘余應(yīng)力導(dǎo)致齒圈變形，圓度會(huì)受到影響。

圖1 輾環(huán)齒圈毛坯

機(jī)加工的受力情況

在車齒過程中，刀具和齒圈接觸時(shí)相互作用，切削力、夾緊力施加到齒圈后，齒圈會(huì)產(chǎn)生變形；同時(shí)，加工時(shí)夾緊方式為三點(diǎn)夾緊，夾具和齒圈間為點(diǎn)接觸，齒圈受力后也會(huì)失圓，導(dǎo)致齒形精度下降。

滲碳過程的熱處理變形

齒圈的殘余應(yīng)力是不可避免的。滲碳時(shí)加熱、保溫階段中的應(yīng)力釋放會(huì)導(dǎo)致齒圈變形；尤其是在滲碳爐內(nèi)溫度不均勻、裝爐方式不當(dāng)?shù)惹闆r下。

綜上，輪邊斜齒齒圈屬于薄壁類零件，輾環(huán)、機(jī)加工和滲碳過程中的控制不當(dāng)，都容易導(dǎo)致齒圈的變形，導(dǎo)致齒圈圓度和齒形精度下降，需有針對性的加以預(yù)防和控制。

控制措施

為了防止或減少輪邊斜齒齒圈在生產(chǎn)過程中的變形，可從上述幾個(gè)方面針對性入手，進(jìn)行有效的控制，從而提高零件的精度。

通過研判國內(nèi)外同類產(chǎn)品，并結(jié)合材料特性，確定齒圈的材料為22CrMo，能夠滿足齒輪滲碳有效硬化層深1.1～1.4mm，齒輪表面與心部硬度分別為60～64HRC和35～40HRC。選用這種材料的原因是，Mo作為顯著提高滲碳鋼淬透性的元素，在相同的滲碳淬火工藝下，22CrMo較20CrMnTi的有效硬化層深且心部硬度值高，工藝性能和使用性能較好。之所有由此效果，是因?yàn)镸o元素具有細(xì)化奧氏體晶粒，而且滲入奧氏體中增加了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，從而有效提高材料的淬透性，提高心部硬度，使整齒的抗彎性能得以提高。

通過恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，在保證零件綜合機(jī)械性能的基礎(chǔ)上，可以控制熱處理過程中的變形，提高齒輪副的嚙合精度、降低噪聲。殘余應(yīng)力是導(dǎo)致齒圈失圓的最主要因素。為盡量減少殘余應(yīng)力的影響，設(shè)計(jì)進(jìn)行多道次熱處理消除殘余應(yīng)力。輾環(huán)后進(jìn)行等溫正火，以減少鍛造過程引入的內(nèi)應(yīng)力，從而減少熱處理變形。

(1)產(chǎn)品試制階段，通過打表找正(圖2)，壓板壓緊產(chǎn)品端面的方法控制產(chǎn)品圓度，減少夾持變形；為批量生產(chǎn)設(shè)計(jì)了花瓣彈性夾具(圖3)，增加接觸點(diǎn)數(shù)量，合理分布夾持力，減少變形。

圖2 打表找正

圖3 花瓣形夾具

(2)齒圈淬火過程采用限形淬火和壓淬工裝(圖4)，對齒圈內(nèi)孔進(jìn)行限制，同時(shí)對端面施加一個(gè)壓力，控制內(nèi)孔花鍵跨棒距、圓度及端面跳動(dòng)。實(shí)施時(shí)，淬火油流量、油路、油溫等多項(xiàng)參數(shù)都應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。壓淬用機(jī)床如圖5所示。

圖4 滲碳淬火用壓淬工裝

圖5 滲碳淬火壓淬機(jī)床

工藝流程及研究結(jié)果

綜合各預(yù)防斜齒齒圈變形的手段，最終指定的工藝流程為下料→輾環(huán)→正火→粗車→精車→車齒→壓淬→回火。

(1)毛坯制?。狠毉h(huán)是環(huán)形鍛造毛坯的主要生產(chǎn)方式之一，具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)較高圓度的毛坯生產(chǎn)。生產(chǎn)時(shí)，選用φ100mm×202mm的材料，輾環(huán)完成后毛坯外徑264.5mm，內(nèi)徑229.5mm，長度102mm。輾環(huán)完成后，對毛坯進(jìn)行正火處理，以消除應(yīng)力，減少在后續(xù)加工過程中的變形。

(2)粗精車：粗車、精車均采用CAK5085BJ進(jìn)行，粗車時(shí)，保留一定精車余量；在精車時(shí)，重點(diǎn)控制尺寸公差、粗糙度、端面跳動(dòng)、圓度等幾何、形位公差。

(3)齒形加工：車齒加工采用YK8150車齒機(jī)，花瓣式彈性夾持工裝(圖6)，保證跨棒距，齒跳等要求，走刀(圖7)循環(huán)中至少有兩個(gè)循環(huán)采用小余量切削，以保證最終齒部精度要求。

圖6 花瓣式彈性夾持工裝

(4)壓淬：加工完成后，需要對齒圈進(jìn)行滲碳處理，保證齒面硬度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。為了減少滲碳過程中的高溫(860℃)導(dǎo)致的產(chǎn)品變形，選擇壓淬的方式進(jìn)行淬火。壓淬又叫限形淬火，使用下模限制內(nèi)孔直徑，保持M值穩(wěn)定及圓度，上模壓緊限制端面跳動(dòng)；油路分內(nèi)外兩路控制，注意控制內(nèi)外冷卻均勻。淬火后回火溫度選擇為150℃，最大限度降低溫度，延長時(shí)間，充分釋放齒圈的內(nèi)應(yīng)力。

在生產(chǎn)過程中，對齒圈的齒部精度進(jìn)行了測量(表1)，能夠滿足要求。其中，壓淬前的齒圈齒部精度要求高于成品要求至少兩個(gè)精度等級(jí)，壓淬后的齒圈齒部精度才能達(dá)到成品要求。

表1 齒圈的齒部精度

結(jié)束語

在輪邊斜齒齒圈的工藝開發(fā)過程中，對影響齒圈精度的因素進(jìn)行了分析，并有針對性的制定了相關(guān)措施，設(shè)計(jì)了合理的工藝流程，生產(chǎn)得到了符合要求的產(chǎn)品。在生產(chǎn)過程中，積累了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，對解決齒類變形具有一定的指導(dǎo)意義。