汽車變速箱齒輪材料不僅要有良好的強度、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,便于后續的精加工。
汽車齒輪常用的國產材料有 20CrMnTi、20CrMo、 20MnCr5、25CrMnS4 等,本文對比了以上 4 種國產材料及德國進口材料(型號 TL4521)在相同制造工藝下(機械加工工藝及熱處理工藝完全相同) 所表現出來的材料優劣性。
齒輪的設計參數有齒數、模數、壓力角、齒頂高系數和螺旋角等;齒輪制造過程中的評價參數有跨棒距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。
表1 汽車變速箱齒輪零件在制造過程的評價參數
齒輪的精密測量報告主要評價齒輪齒面修形誤差(實際形狀與設計的非理論漸開線齒形之間的偏差)及分度誤差(周節誤差),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誤差、周節累計誤差等,這些參數決定了齒輪的加工精度等級,影響了變速箱的振動和噪聲。
評價指標選擇: 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的性能好壞,本文選取了表 2 所示的關鍵指標作為評價指標,表中的尺寸全部為齒輪零件生產制造過程中的**尺寸。評價尺寸的選擇并不是越多越好,**用少而精的尺寸來準確反映零件的整體性能。
表2 材料評價指標
評分原則的確定:為了系統地評價上述 5 種材料在齒輪加工制造過程中所體現的性能好壞,對尺寸變形的大?。ú▌蛹白冃瘟浚┎捎昧炕脑u價指標,同時為了考核不同批次毛坯材料及不同輪次實驗的影響,增加了一項“材料性能一致性”評價指標,用多輪實驗中每項尺寸指標平均變形量的*大值減去*小值,再除以該尺寸的公差來進行評價,評價原則如表 3 所示。
表3 尺寸變形評價規則
實驗方案整體設計:實驗采用 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*終成品尺寸由熱處理變形保證,因此對剃齒類零件進行 5 輪實驗,對磨齒類零件進行 3 輪的實驗,以保證實驗結果的準確性。每輪實驗中,5 種材料的實驗件分別加工 9 件,并排放在熱處理料盤的 8 個角落及中心(即熱處理九點實驗)。零件在熱處理投爐前按照表 2 中的尺寸進行測量,并在零件上標注測量點,熱處理完成后按照相同的測量點再次進行測量,從而獲得準確的尺寸變形量。齒輪零件使用的真空熱處理主要參數如表 4 所示。
表4 齒輪零件的真空爐主要參數
熱處理指標分析:由 5 種齒輪零件的實驗結果可以看出來:
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,導致在相同的工藝條件下,芯部硬度不足夠,其中 20CrMo 材料對應的一擋換擋齒輪零件的各項熱處理指標如圖 1 所示;
表5 熱處理指標分析
3)材料 25CrMnS4 只在軸零件上進行了實驗,結論是熱處理指標全部合格。
尺寸變形分析:如表 6 所示,由 5 種齒輪零件的實驗結果可以看出:
表6 尺寸變形分析
1)5 種零件的累計總分,TL4521 **,其次是 20CrMo 和 20CrMnTi (J9=35 ~38);
2)單項**分方面,20MnCr5、20CrMnTi(J9=37~40)及 20CrMnTi(J9=32~35)都出現 0 分項,即變形量超出了公差范圍;
3)材料 25CrMnS4 只在軸零件上進行了實驗 ,總分由高到低的順序為 TL4521、25CrMnS4、20CrMo、20MnCr5、20CrMnTi。
在尺寸變形評價過程中,已經對異常數據點進行分析和剔除,以避免由于數據異常造成的分析結果差異,但由于采樣評價的數據點有限,不能保證完全體現材料的真實性能。
生產平順性: 在實驗的過程中,4 種國產材料(20CrMnTi、20CrMo、 20MnCr5、25CrMnS4) 在車削工序出現了不同程度的纏屑,如圖 2(a)所示。20CrMnTi 材料對應的一擋換擋齒輪在插齒工序出現了材料黏刀現象,導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象,比如20CrMnTi 材料的硬度由原來的 167~192 HB 提升到 180~200 HB。再結合車床、插齒機設備參數優化,可完全消除這些加工缺陷,滿足生產平順性要求。
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、尺寸變形和生產平順性等 3 個方面出發,通過選擇合適的評價指標,在相同的制造工藝前提下(機械加工工藝及熱處理工藝完全相同)開展實驗,分析了 5 種汽車變速箱齒輪材料在生產制造過程中體現出的優劣性。
在熱處理指標方面,TL4521、20MnCr5、20CrMnTi(J9= 37~40)、20CrMnTi(J9=35~38)能保證實驗數據全部在合格范圍內;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為TL4521、 20CrMo、20CrMnTi、20MnCr5,軸零件尺寸變形由大到小的順序為 TL4521、25CrMnS4、20CrMo、20MnCr5、 20CrMnTi;在生產平順性方面,4 種國產材料在車削工序出現了不同程度的纏屑,材料 20CrMnTi 在插齒工序出現材料黏刀現象,通過調整毛坯硬度及優化設備加工參數,缺陷可以完全消除。
本文提供的實驗分析結果,不同于實驗室里的材料組織成分分析及齒輪疲勞壽命評價,是從生產制造角度對常用汽車齒輪材料的優劣性進行評價,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、質量、壽命等,依據變速箱臺架實驗及整車路試實驗結果進行*終確定。
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