余涛 董辉

摘要：变速箱是汽车传动系统非常重要的组成部分，对于换挡的工作要求是换挡平顺齿轮间准确啮合，不出现打齿卡齿等问题。所以对于变速箱的加工标准相较于普通齿轮更加严格，本文通过研究变速箱齿轮的加工流程，介绍齿轮的加工技术要求以及主要的加工材料，对总体加工要求以及工艺路线进行设计，对变速箱齿轮的实际加工过程具有良好的参考性价值。

Abstract： Transmission is an important part of the automobile transmission system. The working requirement of gear shifting is to make sure that the gears are engaged accurately and there are no problems such as gear beating and clamping. Therefore， the machining standard of transmission is more strict than that of ordinary gear. This paper introduces the processing technology requirements and main processing materials of the gear through studying the processing process of the gearbox gear， and designs the overall processing requirements and process route， which has good reference value for the actual processing process of the gear wheel of the transmission.

關键词：加工流程;技术要求;工艺路线

Key words： processing flow;technical requirements;process route

中图分类号：TG61;TG156                          文献标识码：A                                       文章编号：1674-957X（2020）20-0097-02

0  引言

变速箱的齿轮传动是汽车运行的主要传动方式，对于汽车的燃油经济性和动力性具有很大的影响，相较于带传动、链传动等机械传动方式具有可以确定传动比、使用寿命长等优点，所以齿轮传动成为应用最广泛的机械传动方式。传统的齿轮制造领域存在有材料利用率低、产品精度低、制造工艺繁琐、维护性较差等问题，无法与国外先进机械制造企业竞争。而随着中国工业与信息化产业的相互融合，现代的机械制造领域正在逐渐向产品设计精密化、生产设备智能化、产品管理信息化的方向在转变，对于齿轮制造产业更应该严格要求，齿轮制造工艺虽然较为基础但是从侧面反映了一个国家机械制造产业的水平，在很多情况下机械设备运行的优劣性直接受到齿轮制造精密程度的影响。

1  齿轮加工概述

1.1 加工技术要求

现阶段主流的齿形加工方式有两种：滚齿加工[1]和插齿加工[2]。由于汽车变速箱需要频繁更换齿轮啮合方式，所以对齿轮的机械强度要求较高，采用传统的齿轮加工方式不仅加工精度和工作效率均较低，而且加工环境十分恶劣对加工人员身体有一定影响，现在随着机械加工技术的不断革新，干式高速滚齿技术正在被逐渐推广使用。该技术相较于传统的滚齿技术取消了切削液和冷却液的设置，切削过程中产生的热量大部分都被金属切屑吸收，并快速从加工区清理出去。少部分热量被加工件和刀具吸收。采用这种加工方式虽然可以有效提高齿形加工效率，但是被加工件和刀具吸收的热量在一定程度上减少了它们的使用寿命，所以在实际加工过程中加入空气冷却系统和微量润滑优化加工工艺。

1.2 加工材料

齿轮的加工材料有多种，例如45号钢、40MnBo、20CrMnTi等等，这些材料均具有优良的机械强度和硬度，我们可以根据实际生产需要选择合适的材料，45号钢是一种碳素结构钢，具有良好的冷热加工性能和机械性能并且价格低廉，但是缺点在于淬透性较差，在低温盐水中淬透可能出现材料开裂等问题;40MnB是一种中碳调制钢，具有易于加工、淬透性良好等优点，在进行热处理后材料可以获得优良的韧性和耐磨性，这种材料被广泛应用于汽车中等负荷零件加工领域;20CrMnTi是一种渗碳钢[3]，是这三种材料中淬透性最佳的材料，在进行渗碳淬火处理后材料表面坚硬耐磨，可以承受高强度冲击和重载荷。综合比较三种材料20CrMnTi是理想的齿轮加工材料，在未进行淬火处理之前具有良好的加工性能。

2  加工工艺

2.1 总体加工要求

下面总结了在加工过程中需要满足的要求，主要是从加工精度和加工尺寸两个角度进行分析。按照总体要求进行加工可以最大程度减少加工过程中可能产生的误差，提高齿轮加工精度。

齿轮的加工尺寸直接影响齿轮的成品质量，这里主要分析加工过程中需要注意的尺寸位置关系，首先齿轮内孔槽口和缘板之间的圆角尺寸要适宜，尺寸设置得过小刀具无法进行准确地切削，尺寸设置得过大直接影响内孔的尺寸精度，最佳的确定方式是根据切削刀具的直径来确定圆角尺寸;其次齿轮的各个部分尽量采用统一的几何公差，尤其是较为特殊的加工部位，这样可以极大简化齿轮的加工难度;最后在齿坯加工过程中材料的装夹会产生一定量的弹性形变，这可能会影响齿形的尺寸精度，为了尽可能地提高齿轮的加工精度，可以采用穿轴车削的方式以内孔为基准，完成上下端面以及齿面的车削工作。

2.2 工艺路线的设计

传统的齿轮加工工艺一般分为以下几个步骤：坯件的热锻造、坯件的粗车和精车、拉内花键、齿形的粗加工和精加工、材料热处理、检验误差入库。材料的热处理阶段包括对齿部的淬火处理，齿部的淬火处理方法分为两种：渗碳淬火和高频淬火，无论采用哪种方式都可以极大地提升齿轮的硬度和耐磨性，但是经过热处理的零件通常会使几何公差产生偏差，在变速箱装配过程中就会出现齿轮啮合情况不佳、换挡卡齿等问题，所以在本文设计的工艺路线中材料热处理之后還要加上精加工处理的步骤，将精加工处理分为两部分，第一部分是齿轮珩齿处理，第二部分是基准孔精加工处理，下面分析精加工处理的具体实现过程。

齿轮珩齿处理[4]，珩齿实际上是一种低速研磨抛光齿面的过程，其工作原理和剃齿类似，通过一对反向旋转的螺旋齿轮无侧隙啮合，啮合过程中产生相对滑动并对需要处理的齿面施加一定的压力。但是传统的剃齿磨齿工艺不仅无法提升齿轮的加工精度而且还会破坏热处理产生的渗碳层，珩齿工艺可以完全取代传统的剃齿磨齿工艺，但是珩齿处理主要是为了去除热处理之后齿面产生的毛刺和凸起，无法有效改变齿轮的几何公差，但是也从另一个角度提升了齿轮的加工质量。珩齿处理的具体操作步骤如下：将需要珩齿处理的内花键芯轴作为加工基准，在珩齿过程中，桁轮作为主动轮带动加工齿轮正反往复运动，齿轮沿轴向转动的同时径向不断施加压力，在桁轮和齿轮的啮合过程中对齿轮的齿形和齿向进行校准，降低齿矩误差、齿顶跳动误差等等。在经过珩齿处理后的齿轮变速箱的装配过程中可以很好地和其它齿轮进行啮合，提高变速箱总成的装配精度延长使用时间。

基准孔的精加工，主要是对内孔和内花键进行精加工，作为加工和装配基准的内孔，在进行完毕热处理后一定要进行精加工，否则会影响变速箱总成的装配精度，具体操作步骤如下：在进行齿端跳动和齿底跳动误差校准之后对内孔进行精加工，以齿轮基准端面作为校正基准对内花键进行精加工。

2.3 热处理过程

齿轮的热处理是决定了齿轮硬度和耐磨性的关键工序，不同材料的热处理方式受到多个因素的影响，其中包括冷却方式和时间、保温方式和时间等等，齿轮的热处理过程包括有两个阶段，第一个阶段是锻件毛坯的预热处理，第二个阶段是齿部的热处理。在进行材料热处理时需要考虑以下两个问题：锻件毛坯的预热处理是在材料加工前还是加工后进行以及齿部的热处理应该采用哪种方式才能使材料变形量最小。下面对这两个问题进行具体分析。

锻件毛坯的热处理方式一般为正火处理，将材料加热到Ac3温度以上30-50℃，保温一点时间后空气冷却，正火处理可以有效提高材料的韧性和强度，还能改善材料的切削性能。由于各种材料内部结构和组成各有不同，所以毛坯的正火处理是应该直接进行正火处理再粗加工还是将齿坯加工完成后再进行正火处理，对此并没有相应的行业标准，只能通过实际情况进行实验验证哪种正火处理时机可以获得更加优良的综合力学性能，本文采用45号钢与20CrMnTi进行对比实验，两种材料均设置为两组，第一组直接进行正火处理，第二组进行粗加工后再进行正火处理，在实验过程中首先将正火炉加热到400-500℃，然后将第一组材料放置进炉内，正火炉以80℃/h的速率进行升温在温度升高至600-650℃时持续保温3h，之后以100℃/h的速率升温使炉内温度保持在860-880℃持续2h，之后将材料出炉利用空气冷却降温至350-400℃，最后采用硬度仪测量材料硬度，通过实验数据可以发现45号钢直接进行正火处理还是粗加工后正火处理材料硬度变化不明显，但是20CrMnTi在粗加工后正火处理材料硬度拥有了显著的提升。所以如果采用45号钢作为齿轮制造材料可以对锻件毛坯直接进行正火处理，而20CrMnTi则需要粗加工过后再进行正火处理。

对齿轮齿部进行热处理可以有效提升齿轮的疲劳强度以及耐磨性，这是齿轮机加工过程中必须要进行的一道工序，对于20CrMnTi等低碳钢材料主要渗碳淬火的热处理方式，但是此方式会使齿轮产生一定量的弹性形变，对于如何尽可能地减少这种弹性形变是齿部热处理的研究重点，对于弹性形变产生的影响因素主要有三种：渗碳碳势、渗碳温度、淬火温度。由于各种材料组分的不同，三种因素的影响程度也没有统一的标准，所以本文只分析20CrMnTi这种材料受这三种因素的影响程度。

采用井式气体渗碳炉作为渗碳设备，煤油作为渗碳剂，设置870℃、900℃、930℃三种渗碳温度，设置800℃、820℃、840℃三个淬火温度，渗碳碳势设置为0.8%、0.95%、1.05%三个等级，采用正交实验法对比开口处的变形量得出实验结论，每组实验的渗碳时间均设置为强渗120min扩散100min，最终得出9组实验数据，从实验数据中可以得出渗碳温度和淬火温度对材料变形影响程度较大，这是由于随着渗碳温度的升高，材料内部的奥氏体组织容易受到温度影响而膨胀变大;而渗碳碳势和材料变形量也呈正相关关系，这是由于碳势的增加会直接增加材料渗碳层的碳浓度，进而导致马氏体以及不稳定碳化物的增加，最终影响材料的变形量，所以在渗碳处理过程中要严格控制渗碳温度和淬火温度，尽可能减少渗碳碳势，在获得最佳机械性能的同时减小材料的形变量。

参考文献：

[1]张洪强，耿玉香.基于数控加工的大型齿轮加工成形方法研究[J].煤矿机械，2020，41（09）：98-100.

[2]朱杰.薄壁硬齿面内齿圈加工工艺[J].金属加工（冷加工），2020（09）：44-45.

[3]高宇波，徐乐钱，孟晓玲.20CrMnTi齿轮钢棒材控轧控冷工艺的优化[J].机械工程材料，2020，44（08）：69-73.

[4]陈宇.汽车齿轮珩齿加工缺陷的工艺改进新方法[J].汽车工艺与材料，2020（03）：45-49.