01引 言
碳氮共渗+油淬火，是提高变速器轴齿零件力学性能的必经热处理工序，工件的热处理变形（以下简称热变形）是该工序遇到的主要缺陷之一。热变形问题会导致零件尺寸超差，超差严重的须直接报废，或导致变速器装配困难，即使能装车，也会影响到汽车变速器的噪声。因此减小或控制热变形，掌握零件的热变形规律，是热处理技术人员的一项重要任务。
热变形是一个非常复杂的过程，控制它是一件实践性非常强的工作，需要工艺人员经过反复试验才能掌握其规律。同时，只有掌握零件的热变形规律，熟知热变形的影响因素，才能快速解决生产过程中的零件质量问题，才能尽力减小变速器的噪声，才能在新产品的开发和新设备投放项目中少走弯路。
轴齿零件加工一般包含车削、滚齿、剃齿、热处理，热后磨削等工序，车滚剃磨工序都属于机加工序，加工过程可随时抽检，因此控制起来简单易行。但热处理工序就不同，属于特种工序，高温状态批量生产，抽检频次受限，一旦变形超差，挑出的零件只能报废。因此，控制热变形对热处理工序的合格品率起着至关重要的作用。
02零件热变形简介
乘用车变速器轴齿零件一般选用的材料为渗碳钢（wc 小于0.30%），热处理选用推盘炉，采用渗碳或碳氮共渗工艺，等温淬火油淬火。热处理后表面硬度为HV760 ~ 820 , 心部硬度为350 ~ 500HV。零件的热变形影响因素非常多, 在淬火油一定的条件下，工件的结构形状、原材料质量、毛坯热处理、热前加工状态、工件在加热和冷却过程中的装夹方式、冷却速度等，都有可能引起变形异常。
变速器零件根据其形状和结构不同，大致分为四类：细长类（轴）、盘类（小齿轮）、环类（主减速齿轮）、薄壁类 （齿套）。
衡量零件热变形的主要指标有：齿轮精度各项、R值、M值、轴向圆面跳动量等。常超差的变形指标有：径向圆跳动Fr，齿距累积Fp，形状误差ffα、ffβ，股形量Cα、Cβ，变动量wfhα、wfhβ，轴向圆跳动等。
03常见热变形问题分析与解决方法
3.1 轴类
轴类零件形状特点是细长，轴向尺寸与径向尺寸成倍数关系。因其细长且结构较为复杂，热变形不好控制，常出现的变形问题有两类。
3.1.1 齿轮精度指标wfhα、wfhβ、Cα、Cβ超差
2006年研发BE变速器过程中，BE输入轴在进行首次热变形调试时，齿轮精度指标wfhα、wfhβ、Cα、Cβ超差，且散差大，没有规律性。二次调试时，确保热前白件所有齿轮精度参数均在要求范围的信任区，且保持良好的一致性，热处理后，齿轮精度仍然不合格，几项指标仍然超差，且因散差大，无法在热前修形处理。针对该问题，技术人员对热处理工装夹具进行了检查，仔细比对后发现，BE输入轴与MA输入轴装夹方式类似，支撑点数量也相同（均为4个），但是支撑面的平整度有很大差异，BE输入轴的四个支撑点铸造精度差，高度不一致，且支撑形状为凸台形, 零件与支撑台接触为点线接触，把零件放置后用手去感觉, 发现大多零件支撑不平稳，晃动厉害，因此，锁定热变形超差原因是零件在淬火时晃动造成的。
热处理工装是耐热钢精铸而成，价格高，对已有的工装不能报废处理，先将一个BE输入轴料盘送维修车间磨削支撑面。因耐热钢没有磁性，需要预先做好夹紧处理，使经过磨削后的所有支撑点变为支撑面，且均在同一个平面上，平面度应≤0.02mm。用此料盘进行第三次试验，结果齿轮精度指标全部合格，一致性良好。
此问题的分析解决方法说明，轴类零件热处理工装设计要保证工件与支撑面垂直，且支撑平稳不能晃动，太长的轴还需要用双层工装卡住。如果工件重心和轴线不在同一垂线上，由于重力作用，在加热时会导致严重变形，尤其是零件东倒西歪方向不一致时，淬火油搅拌会让零件晃动，导致热变形散差大，没有规律性，热前就无法修形处理了。
3.1.2 花键精度超差
BE输入轴投产后，出现几次离合器花键变形超差。用环规检查，不合格率为0.2% ~ 9.0%，现场对滚轧机刀具锁紧锲块进行了紧固，更换了滚轧轮，均没有改善效果，且不合格品出现无规律性。该问题的出现，导致零件抽检由原来的100件中抽检1件更改为100%用环规检查，工时成本大幅增加，生产率低下。经过排查，热处埋时零件装夹平稳，工艺正常，齿轮精度变形均在合格范围，因此分析认为，这是零件毛坯状态不一致造成的。为此工艺技术人员进行对比试验验证，即取300件毛坯，用热处理工装垂直装夹，采用640℃+3H工艺进行退火；再取300件未退火毛坯，同时安排上线进行热前加工，同期在一台设备上进行滚轧，同时在一台设备上进行热处理。热后检查结果：未退火毛坯花键变形不合格率9%，已退火毛坯花键变形不合格率为0%。后续与毛坯厂家交流，锻造毛坯新增640℃+3h退火工艺，且将无序堆积装夹方式更改为垂直装夹，花键变形超差问题得到解决。
另外，轴类零件如果因冷速控制不当，也会引起热变形超差，严重时还会出现校直困难或校直裂纹率高等问题。所以轴类零件在原材料不变的前提下，热处理工艺参数要保持恒定，不能随意更改，并且原材料供应厂家要尽力保持材料化学成分的稳定性。
3.2 盘类（小齿轮）
小齿轮结构虽然较复杂，但对称性好，轴向与径向尺寸比例适当，热变形相对而言比较好控制。生产过程中常见热变形问题有三类。
3.2.1 内花键热变形异常
生产过程中，带内花键的MA五档主动齿轮终检时发现，20% ~25%的工件内孔变形超差，心轴穿不进，无法进行磕碰伤检査。进一步检查发现，M值变小了，最大变形量 0. 022mm（要求0 ~ 0. 015mm），圆度散差大，最大0. 097mm（正常≤0. 04mm）。由于该零件长期以来热变形无异常，所以分析原因时，直接怀疑到毛坯突变。与毛坯供应商交流后得知，该零件刚改用新线锻造，工艺有所不同，以为不会对后续热处理工序造成影响，故没有通知神龙公司进行试切。为了验证不同锻造工艺毛坯的热变形差异，将新老毛坯同时上线试切。结果表明：用老毛坯生产的零件100％合格，新锻造工艺的毛坯30件中有8件不合格，不合格率 27% ，与发现问题时的不合格率正好吻合。此问题分析解决经验证明，毛坯锻造工艺更改，需要送样试切，验证合格后方能大批量供应。
3.2.2 内孔磨削黑皮
新变速器BE一、二档从动齿轮在批接受阶段，珩磨内孔工序黑皮比例达4%。将黑皮零件送计量室检测，发现热后内孔变形较大，呈喇叭形，且散差大没有规律性。在一定磨削余量的前提下，内孔变形散差大肯定会造成一定比例的蘑削黑皮。对此问题，从两个方面着手分析，一是原材料毛坯，二是热处理工装。
用进口毛坯和国产毛坯同时进行试切比对，结果表明，两种材料的内孔变形无明显差异，散差仍然很大。再从热处理工装着手，检查发现，前期为节约投资，该零件采用老产品的支撑格架装夹，定位心轴直径比零件内孔小很多，装夹后间隙很大，料盘在髙温推盘炉内移动时，零件在支撑面上容易晃动，心轴会与内孔壁碰撞，同时在淬火冷却时，穿过内孔的淬火油流量大，内孔壁冷速过快，造成内孔变形大，且散差大。后设计专用热处理工装，用柱杆装夹，装料后内孔间隙单边预留1.5mm，热后检查发现，内孔变形明显变小，批次跟踪珩磨后内孔黑皮比例下降到0. 5%。
3.2.3 形状误差ffα、ffβ超差
如果热后发现小齿轮的形状误差ffα、ffβ有异常，一般不是热变形引起的，原因有两个方面：一是热前机加工序超差，主要跟插齿和剃齿刀具相关，应从进给量太大、切削液冷却是否到位、刀刃变钝、修形参数不合理等方面查找分析；二是跟清理抛丸和零件表面清洁度有关，零件表面清理干净、清洁度好，是热后测量基本要求。曲线出现凸台，是零件表面不干净的典型例子。
3.3 环类（主减速齿轮）
环类（大直径齿轮）实际就是主减速齿轮，结构虽然简单，对称性也好，但径向尺寸大，与轴向尺寸成倍数关系，生产中热变形不好控制。配重载车型的主减速齿轮，用压淬工艺才能保证其热变形在合格范围，而乘用车类小型变速器的主减速齿轮，如果采用压淬工艺，不仅生产率低下，生产成本也高。只要掌握了其热变形规律，还是可以做到有效控制的。生产过程中常出现的热变形问题有3类。
3.3.1 齿距累积Fp和径向圆跳动Fr超差
Fp超差是主减速齿轮最常见的热变形问题, 主要原因有以下3个方面：
1）热后磨偏。2013年公司开发BE-T9主减速齿轮，工艺调试过程中，因Fp超差一直不能投产，前期总定位于热变形过大造成，换到其他热处理生产线调试，结果仍不合格。为了查找原因，进行热后磨削与不磨削的对比检查，数据见表1。从数据可以看出，未磨削的零件Fp均未超差，而经过磨床磨削内孔后的零件2/8超差。进一步检查分析，最后锁定的原因是夹具有垫屑。在解决新产品Fp超差的同时，也解决了现生产中同类产品Fp超差的问题。
2） 内孔热变形过大。主减速齿轮内孔热变形过大，排除原材料因素后，主要原因是热处理时装夹不当造成的。装夹不当包含四个方面：一是支撑面不平整，零件重心与轴线不在同一条垂线上；二是定位柱子与零件内孔间隙过大，造成推料和淬火时零件晃动；三是定位柱子与零件内孔间隙过小甚至撑着零件内孔，零件加热时内孔膨胀不均匀，冷却时收缩也不均匀；四是装料柱杆插头与底托内孔间隙过大,淬火时柱杆晃动。所以，主减速齿轮热处理工装设计要点是支撑面平整（平面度误差≤ 0.02mm），柱杆与零件内孔间隙（单边1.5mm）合理，柱杆在底托上不晃动。
3） 测量误差过大。因为主减速齿轮属于环类，径向尺寸过大，在计量检测装夹时，会出现装夹不平整的情况，基准位置不准确，测量结果误差就大。遇到这种情况，需要进行多次复查，如果复查多次还不合格，就要从其他方面分析。
主减速齿轮径向圆跳动Fr超差的原因，与Fp 超差原因基本一致，也从以上3个方面进行分析和排查。
3.3.2 端面跳动超差
公司产品有MA和BE两种主减速齿轮，均出现过端面跳动超差问题，归纳起来主要有2个方面的原因：
1）支撑面不平稳。除了上述的支撑面平面度不合格是原因之一外，由于BE主减速齿轮直径大，且有台阶，用小 MA垫环支撑时，内孔间隙会使零件晃动，最下面一层的零件就会与水平面成一个角度，稳定性很差，上面七层均会跟着倾斜，所有零件重心与轴线不在同一条垂线上，淬火时端面变形就会变大，导致超差。操作工一定要严格按工艺卡要求装夹零件，避免错装，才能避免该问题的发生。
2）柱杆变形过大，撑着零件内孔，使零件无法落平 （图7）。热处理工装柱杆反复在高温炉内渗碳，天长日久就会变形胀大，甚至裂开，其外接圆直径会与零件内孔干涉, 零件无法靠重力自然落到下面的支撑面上，会处于悬空状态，零件在炉内受热就会膨胀不均匀，淬火冷却时收缩也不均匀，轴向圆跳动量超差就不足奇怪了。所以现场要定期检查清理主减速齿轮工装，变形过大的柱杆要及时报废。
3.4 薄壁类（齿套）
薄壁类零件结构特点与其他类零件差异很大，最大特点是形状结构复杂、壁薄、结构不对称等，热变形问题多，难解决，不合格率高，所以许多厂家在碳氮共渗热处理后进行挑选，将热变形过大的齿套挑选出来重新加热后压淬。其实只要掌握了其变形规律，找到引起热变形的主要因素并加以控制，不用压淬也能很好地控制零件质量。常见的热变形问题有以下2类。
3.4.1 轴向圆跳动超差
轴向圆跳动超差会引起装配困难，一般要求轴向圆跳动 ≤0.08mm。与主减速齿轮一样，要想控制好轴向圆跳动量， 需注意热处理工装的2个关键点：一是支撑面平整，并且支撑面越大越好；二是串装柱杆稳定，料盘在炉内行走和淬火时不能晃动，确保淬火时重心与轴线在同一条垂线上。
此外，齿套轴向圆跳动超差会受热前机加工序的影响。BE五档齿套在进行到预批量阶段时，出现装配困难问题，对热前车床检查发现，支撑面有垫屑，且该工序留下的毛刺大，白件检査端面跳动，超差率，机床调整后，零件轴向圆跳动立即恢复正常。
3.4.2 内花键变形超差
齿套内花键变形异常也会造成装配困难；轴向圆跳动合格，内花键变形也会异常。在轴向圆跳动合格的前提下，内花键变形主要从2个方面进行分析：一是毛坯材料；二是拉刀。
对薄壁零件的毛坯材料，需要控制其化学成分，尤其是含碳量要保持相对稳定，淬透性指标要保持相对稳定，F和P的等级也要在一个稳定范围，锻造流线要正常，等温退火时毛坯装夹要平整摆放，不要胡乱堆积。大炉号采购，毛坯样检项目固化，定期到毛坯供应商处检查，都是控制毛坯质量的良好手段。
齿套的内花键基本都是拉力加工出来的，不同批次毛坯对拉刀的加工余量敏感度不一样，残留的加工应力也会增加淬火时的变形程度，所以拉刀要按加工余量形成系列备用。每来一种毛坯，先选用拉刀试切，以便选择最合适的拉刀加工该批次毛坯。
04结论
十年来的热变形分析与解决过程说明，热处理工装设计与零件装夹方法、毛坯材料的稳定性、热前白件机加、热后黑件磨削、检测方法等，是引起零件热变形超差的主要因素，只要掌握其规律和方法，热变形问题都会迎刃而解。