技術細節來了，西科沃克低壓滲碳連續式自動化熱處理系統
變速箱是汽車工業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，因此保證變速箱中齒輪的精度在變速箱生產過程中非常關鍵。變速箱齒輪需要具備強度高、耐磨性高、抗疲勞強度高、韌性高等一系列優良的力學性能，為了使齒輪能夠具備以上性能，對齒輪進行熱處理是齒輪加工過程中必不可少的環節。
1.齒輪的傳統熱處理工藝
目前在汽車工業中通常采用氣體滲碳淬火工藝對齒輪進行熱處理，但是這種傳統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，從而產生大量的溫室氣體，對環境造成污染。
（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，導致齒輪的滲層均勻性及重復性離散度大，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）傳統工藝需要后清洗工序，降低了效率，提高了成本。
（5）批量生產中，不同位置的齒輪在加熱、滲碳及冷卻過程中所經歷的過程不同，導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，因為變形對齒輪的精度、強度等質量指標造成很大影響。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，而且降低了生產效率。據統計，全球汽車制造業每年對存在變形的齒輪進行加工所需要支出的費用高達200億歐元。
2.Unicase Master單件連續式熱處理系統
西科沃克公司針對齒輪在傳統熱處理過程中出現的問題，基于低壓滲碳的原理，研發并制造了最先進的單件連續式自動化熱處理系統—Unicase Master，主要用于汽車工業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行獨立熱處理，而且連續式生產。生產過程中不需要料架，與傳統使用沉重的料架擺放齒輪進行批量式生產的方式相比，不僅節省了料架的費用，而且節省大量用于加熱料架所需要的能耗。
（1）UnicaseMaster單件連續式熱處理系統的組成
單件連續式熱處理系統主要包括：主爐、上料機構、下料機構、后冷卻單元、回火單元、冷卻單元、緩沖罐及制氮機等，如圖1所示。
圖1 UnicaseMaster的組成
（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：頂部加熱區、中部低壓滲碳區和底部擴散區。每一個區中都有步進輸送機構，且每個區都有獨立的進出料門。
圖2 主爐的組成
（3）UnicaseMaster的工作流程
下面的流程圖3闡明了UnicaseMaster的生產流程。經過加工后的齒輪，通過輸送機構進入Unicase Master系統中。
圖 3
主爐的真空泵系統，保證爐內處于工作的真空狀態，且主爐的進出口都安裝有獨立的隔離閥，確保主爐的真空度不受進出料的影響。
圖2中的箭頭表示了工件在主爐中的輸送和熱處理順序，按照設定的產量要求和齒輪規格，加工好的齒輪通過輸送機構進入主爐的加料室中，再通過主爐內的升降機構將齒輪輸送到頂部加熱區。根據目前設計的主爐規格，對于直徑為200mm的齒輪，每個區有15個工位，對于直徑為100mm以內的齒輪，每個區有30個工位。按照Unicase Master系統設定的生產節拍，左側升降機構每放一個齒輪到加熱室后，加熱室內部的步進移料機構會將齒輪向前移動一個工位，下一步右側升降機構會把加熱室末端一個已完成加熱的齒輪送到低壓滲碳室。相同的生產節拍，齒輪被放到低壓滲碳室后，步進移料機構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，左側升降機構將滲碳室左側的一個齒輪送到擴散室。
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。
圖4 單個齒輪加熱曲線
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，使用乙炔氣作為滲碳介質，在真空環境下采用較低的滲碳壓力對齒輪進行滲碳。相比于傳統的可控氣氛滲碳，低壓滲碳技術能夠精確控制碳勢，確保齒輪的碳層深度，實現了工藝重現性。Unicase Master采用單件連續式生產，從而大大縮短了滲碳時間。而且，在滲碳過程中不會產生炭黑現象，齒輪表面光亮，節省了清洗工序。此外，低壓滲碳工藝相比傳統氣氛滲碳能夠節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散室中的通過時間為15min。
圖5 低壓滲碳和擴散的碳勢
在擴散室中完成擴散的齒輪被輸送到單獨的全方位立體高壓氣淬系統——4D淬火。4D淬火單元是西科沃克公司設計研發的高精度氣淬系統，它包括一個高壓氣淬室，壓力最高可以達到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，實現了對齒輪進行3D淬火，模具可以根據齒輪的大小進行方便的更換。
同時，在淬火過程中，齒輪在模具中快速轉動，從而實現了4D淬火工藝。淬火過程中全方位對齒輪進行冷卻，保證了齒輪的冷卻均勻性，從而嚴格的控制了齒輪變形。這種個性化設計的4D淬火單元可以根據齒輪的形狀，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節，實現了對齒輪的位置和冷卻速度的精確控制，優化了冷卻過程。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。
圖6 單個齒輪的冷卻曲線
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淬火系統中經過10s，溫度從約900℃降低到400℃左右，冷卻效率很高。
圖7 單個齒輪的冷卻速度
西科沃克公司使用現有的Unicase Master設備對附表中描述的兩種齒輪進行了試生產，通過統計數據，可以看到對于直徑200mm的齒輪，一年的產量可以達到50萬件；對于直徑100mm的齒輪，一年的產量可以達到100萬件，這是傳統的滲碳淬火工藝無法比擬的。
齒輪工藝參數及產量表
材料牌號 | 20MnCr5 | 20MnCr5 |
齒輪直徑/mm | 200 | 100 |
有效滲碳深度/mm | 0.6 | 0.6 |
生產節拍/s | 60 | 30 |
工藝時間/s | 15×60 | 30×30 |
加熱時間/min | 15 | 15 |
低壓滲碳時間/min | 15 | 15 |
滲碳擴散時間/min | 15 | 15 |
年產量/件 | 525600 | 1051200 |
齒輪在4D淬火系統中完成淬火后，輸送機構將齒輪從4D淬火系統中取出放到后冷卻單元進行冷卻后，再由輸送機構放到回火系統中進行回火處理。回火系統也是自動化連續系統，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系統中自動完成。
3.結語
UnicaseMaster單件連續式自動化熱處理系統在相同的工藝條件下對獨立的齒輪進行加熱、低壓滲碳，保證了齒輪的高精度和良好的重復性，而且每一個齒輪都可實現在線檢測，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，可以不經過清洗、噴丸清理等工序，減少了后續的處理工序，有效地降低了生產成本。
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，使每個齒輪經過4D淬火單元后具有相同的品質，實現了淬火工藝的再現性。
UnicaseMaster的先進技術和高效率、節能、環保、可靠的生產模式可以實現精益生產，也滿足工業4.0的要求。此外，Unicase Master可以和上下游的加工制作工序進行連線，完成齒輪的加工和熱處理的自動化連續生產，它將會成為汽車工業中齒輪生產的關鍵設備。
作者：趙小強，劉耀忠
單位：西科沃克瑞泰克熱處理設備制造（天津）有限公司
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