■ 趙小強(qiáng)，劉耀忠

變速箱是汽車工業(yè)中非常重要的零部件，而變速箱中的齒輪組則是其核心的零件，因此保證變速器中齒輪的精度在變速器生產(chǎn)過程中非常關(guān)鍵。變速器齒輪需要具備強(qiáng)度高、耐磨性高、抗疲勞強(qiáng)度高、韌性高等一系列優(yōu)良的力學(xué)性能，為了使齒輪能夠具備以上性能，對齒輪進(jìn)行熱處理是齒輪加工過程中必不可少的環(huán)節(jié)。

1. 齒輪的傳統(tǒng)熱處理工藝

目前在汽車工業(yè)中通常采用氣體滲碳淬火工藝對齒輪進(jìn)行熱處理，但是這種傳統(tǒng)的氣體滲碳工藝存在很多弊端，如：

（1）在滲碳過程中需要大量的原料氣，通入的絕大部分原料氣需要排除燃燒掉，從而產(chǎn)生大量的溫室氣體，對環(huán)境造成污染。

（2）采用批量式熱處理，齒輪需要擺放到料架上。通常，料架的重量占到爐子裝爐量的30%~40%，使料架在加熱和冷卻過程中均造成大量能耗。

（3）滲碳過程中，由于氣氛的均勻性及溫度均勻性使各處的起始滲碳時間不一致，導(dǎo)致齒輪的滲層均勻性及重復(fù)性離散度大，料架的使用壽命和自身的成本大大增加了齒輪的滲碳成本。

（4）傳統(tǒng)工藝需要后清洗工序，降低了效率，提高了成本。

（5）批量生產(chǎn)中，不同位置的齒輪在加熱、滲碳及冷卻過程中所經(jīng)歷的過程不同，導(dǎo)致各個齒輪的變形量不同。

控制每個齒輪的變形量是熱處理過程中非常重要的指標(biāo)，因為變形對齒輪的精度、強(qiáng)度等質(zhì)量指標(biāo)造成很大影響。為了改善齒輪的精度，需要在熱處理后增加磨齒等工序，而較大變形會增加磨齒的工作量，增加了高額的維修費用，且降低了生產(chǎn)效率。據(jù)統(tǒng)計，全球汽車制造業(yè)每年對存在變形的齒輪進(jìn)行加工所需要支出的費用高達(dá)200億歐元。

2. Unicase Master單件連續(xù)式熱處理系統(tǒng)

西科沃克公司針對齒輪在傳統(tǒng)熱處理過程中出現(xiàn)的問題，基于低壓滲碳的原理，研發(fā)并制造了最先進(jìn)的單件連續(xù)式自動化熱處理系統(tǒng)—Unicase Master，主要用于汽車工業(yè)中齒輪類和軸承套圈類零件的滲碳淬火工藝。

Unicase Master的一個主要特點就是對單個齒輪進(jìn)行獨立熱處理，而且連續(xù)式生產(chǎn)。生產(chǎn)過程中不需要料架，與傳統(tǒng)使用沉重的料架擺放齒輪進(jìn)行批量式生產(chǎn)的方式相比，不僅節(jié)省了料架的費用，而且節(jié)省大量用于加熱料架所需要的能耗。

（1）Unicase Master單件連續(xù)式熱處理系統(tǒng)組成 單件連續(xù)式熱處理系統(tǒng)主要包括：主爐、上料機(jī)構(gòu)、下料機(jī)構(gòu)、后冷卻單元、回火單元、冷卻單元、緩沖罐及制氮機(jī)等，如圖1所示。

（2）主爐 主爐是Unicase Master的主要部分，齒輪的輸送、加熱、低壓滲碳、擴(kuò)散及4D淬火等一系列熱處理工藝都在這里完成。從圖2可以看到，主爐分為三個區(qū)：頂部加熱區(qū)、中部低壓滲碳區(qū)和底部擴(kuò)散區(qū)。每一個區(qū)中都有步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu)，且每個區(qū)都有獨立的進(jìn)出料門。

（3）Unicase Master的工作流程 圖3流程闡明了Unicase Master的生產(chǎn)流程。經(jīng)過加工后的齒輪，通過輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)入Unicase Master系統(tǒng)中。

主爐的真空系統(tǒng)，保證爐內(nèi)處于工作的真空狀態(tài)，且主爐的進(jìn)出口都安裝有獨立的隔離閥，確保主爐的真空度不受進(jìn)出料的影響。

圖1 Unicase Master的組成

圖2 主爐的組成

圖 3

圖2 中的箭頭表示了工件在主爐中的輸送和熱處理順序，按照設(shè)定的產(chǎn)量要求和齒輪規(guī)格，加工好的齒輪通過輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)入主爐的加料室中，再通過主爐內(nèi)的升降機(jī)構(gòu)將齒輪輸送到頂部加熱區(qū)。根據(jù)目前設(shè)計的主爐規(guī)格，對于直徑為200mm的齒輪，每個區(qū)有15個工位，對于直徑為100mm以內(nèi)的齒輪，每個區(qū)有30個工位。按照Unicase Master系統(tǒng)設(shè)定的生產(chǎn)節(jié)拍，左側(cè)升降機(jī)構(gòu)每放一個齒輪到加熱室后，加熱室內(nèi)部的步進(jìn)移料機(jī)構(gòu)會將齒輪向前移動一個工位，下一步右側(cè)升降機(jī)構(gòu)會把加熱室末端一個已完成加熱的齒輪送到低壓滲碳室。相同的生產(chǎn)節(jié)拍，齒輪被放到低壓滲碳室后，步進(jìn)移料機(jī)構(gòu)會將齒輪向前移動一個工位，下一步按照圖2中箭頭表示的順序，左側(cè)升降機(jī)構(gòu)將滲碳室左側(cè)的一個齒輪送到擴(kuò)散室。

每個齒輪在加熱室中都是單獨擺放，因此升溫速度很快。西科沃克通過CFD模擬，計算得出單個齒輪在加熱室中的升溫曲線，如圖4所示。從曲線圖中可以看到直徑190mm的齒輪，重約3kg，加熱到1000℃只需800s。

主爐中的滲碳工藝采用了西科沃克公司非常成熟的低壓滲碳技術(shù)，使用乙炔氣作為滲碳介質(zhì)，在真空環(huán)境下采用較低的滲碳壓力對齒輪進(jìn)行滲碳。相比于傳統(tǒng)的可控氣氛滲碳，低壓滲碳技術(shù)能夠精確控制碳勢，確保齒輪的滲碳層深度，實現(xiàn)了工藝重現(xiàn)性。Unicase Master采用單件連續(xù)式生產(chǎn)，從而大大縮短了滲碳時間。而且，在滲碳過程中不會產(chǎn)生炭黑現(xiàn)象，齒輪表面光亮，節(jié)省了清洗工序。此外，低壓滲碳工藝相比傳統(tǒng)氣氛滲碳能夠節(jié)省大量原料氣和能耗，降低溫室氣體排放，符合“綠色”加工的要求。

圖5是單個齒輪在低壓滲碳室和擴(kuò)散室中的碳勢和表面碳層深度曲線，齒輪被加熱到1040℃，在低壓滲碳室和滲碳擴(kuò)散室中的通過時間為15min。

在擴(kuò)散室中完成擴(kuò)散的齒輪被輸送到單獨的全方位立體高壓氣淬系統(tǒng)——4D淬火。4D淬火單元是西科沃克公司設(shè)計研發(fā)的高精度氣淬系統(tǒng)，它包括一個高壓氣淬室，壓力最高可以達(dá)到20bar（1bar=105Pa），可以使用氮氣或氬氣作為冷卻氣體。氣淬室中安裝了特殊的模具，其形狀和需要處理的齒輪外形相似，模具分為上下兩部分，而且在模具的各個方向都安裝有噴嘴。齒輪處于模具中間，氣淬時冷卻氣體通過噴嘴從各個方向噴向齒輪，實現(xiàn)了對齒輪進(jìn)行3D淬火，模具可以根據(jù)齒輪的大小進(jìn)行方便的更換。

圖4 單個齒輪加熱曲線

圖5 低壓滲碳和擴(kuò)散的碳勢

同時，在淬火過程中，齒輪在模具中快速轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)了4D淬火工藝。淬火過程中全方位對齒輪進(jìn)行冷卻，保證了齒輪的冷卻均勻性，從而嚴(yán)格的控制了齒輪變形。這種個性化設(shè)計的4D淬火單元可以根據(jù)齒輪的形狀，大小任意布置噴嘴的位置，而且冷卻氣體的壓力和流量可以任意調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了對齒輪的位置和冷卻速度的精確控制，優(yōu)化了冷卻過程。圖6是西科沃克公司使用4D高壓淬火工藝對齒輪進(jìn)行熱處理時獲取的單個齒輪的冷卻曲線，并通過CFD模擬得出的齒輪溫度分布。

采用4D淬火工藝，提高了熱處理的效率。圖7是西科沃克公司通過試驗獲得的冷卻速度，從圖中可以看出，直徑100mm、重0.7kg的齒輪在4D淬火系統(tǒng)中經(jīng)過10s，溫度從約900℃降低到400℃左右，冷卻效率很高。

西科沃克公司使用現(xiàn)有的Unicase Master設(shè)備對附表中描述的兩種齒輪進(jìn)行了試生產(chǎn)，通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以看到對于直徑200mm的齒輪，一年的產(chǎn)量可以達(dá)到50萬件；對于直徑100mm的齒輪，一年的產(chǎn)量可以達(dá)到100萬件，這是傳統(tǒng)的滲碳淬火工藝無法比擬的。

齒輪工藝參數(shù)及產(chǎn)量表

圖6 單個齒輪的冷卻曲線

圖7 單個齒輪的冷卻速度

齒輪在4D淬火系統(tǒng)中完成淬火后，輸送機(jī)構(gòu)將齒輪從4D淬火系統(tǒng)中取出放到后冷卻單元進(jìn)行冷卻，再由輸送機(jī)構(gòu)放到回火系統(tǒng)中進(jìn)行回火處理。回火系統(tǒng)也是自動化連續(xù)系統(tǒng)，回火完成的齒輪會自動輸送到下一個冷卻單元，將齒輪冷卻到常溫。這樣單個齒輪的加熱、滲碳、淬火、回火等一系列熱處理過程在Unicase Master系統(tǒng)中自動完成。

3. 結(jié)語

Unicase Master單件連續(xù)式自動化熱處理系統(tǒng)在相同的工藝條件下對獨立的齒輪進(jìn)行加熱、低壓滲碳，保證了齒輪的高精度和良好的重復(fù)性，而且每一個齒輪都可實現(xiàn)在線檢測，每一個齒輪都具有可追溯性。Unicase Master采用低壓滲碳和高壓4D淬火工藝，處理后的齒輪表面光亮，可以不經(jīng)過清洗、噴丸清理等工序，減少了后續(xù)的處理工序，有效地降低了生產(chǎn)成本。

4D淬火對每個齒輪采用相同的工藝，精確控制每個齒輪在淬火過程中的變形量，使每個齒輪經(jīng)過4D淬火單元后具有相同的品質(zhì)，實現(xiàn)了淬火工藝的再現(xiàn)性。

Unicase Master的先進(jìn)技術(shù)和高效率、節(jié)能、環(huán)保、可靠的生產(chǎn)模式可以實現(xiàn)精益生產(chǎn)，也滿足工業(yè)4.0的要求。此外，Unicase Master可以和上下游的加工制作工序進(jìn)行連線，完成齒輪的加工和熱處理的自動化連續(xù)生產(chǎn)，它將會成為汽車工業(yè)中齒輪生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。

[1] 彭俊，周述積，樓芬麗.汽車滲碳齒輪用鋼及熱處理工藝的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].熱處理技術(shù)與裝備，2007（2）：4-6.

[2] 中國機(jī)械工程學(xué)會熱處理學(xué)會.熱處理手冊第一卷工藝基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：311-323.

[3] 王建甫. 低壓真空滲碳工藝淺述[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2014，32：1061-1100.

[4] 嚴(yán)韶云.低壓真空滲碳——一種新的化學(xué)熱處理技術(shù)[J].熱處理，2001（1）：31-33.