摘 要：齿轮是汽车、机床等设备变速箱中的重要设备中的关键零件。为了确保再制造齿轮的使用寿命，以报废QR523变速箱3档主动齿轮为例，讨论了其再制造的生产工艺，并利用Minitab软件进行了正交试验设计，得到最佳工艺的参数。
关键词：齿轮再制造；工艺参数；田口方法
中图分类号： TG111.91 文献标志码：A 文章编号：1671-7988（2018）18-223-03
Robust optimization design of gearbox gear remanufacturing based
on Taguchi method
Ma Jun
（Beijing Polytechnic， Beijing 100176）
Abstract： The gear is the key part of the important equipment in the gearbox of automobile， machine tool and so on. In order to ensure the service life of remanufactured gears， this paper discusses the remanufacturing process of the abandoned QR523 gearbox with three gears as an example. Orthogonal experiment design is carried out by using Minitab software， and the optimum process parameters are obtained.
Keywords： Gear Remanufacturing； Process Parameters； Taguchi Method
CLC NO.： TG111.91 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）18-223-03
前言
齿轮是汽车、机床等设备变速箱中的重要设备中的关键零件，在齿轮设备运行中，特别是高温、高速环境下，如变速箱等，齿轮经常会出现齿面点蚀[1]、齿根断裂[2]等失效形式，导致整个传动系统的运行平稳性和可靠性下降[3]，如不及时处理会造成生命和财产损失。随着人民生活水平的提高，我国人民对汽车的依赖日渐增强，据统计，截止2018年8月，北京小客车摇号申请者已近3百万人，新能源小客车配置指标申请者也已经超过35万人，因此未来若干年内，小客车保有量会进一步提升。而对现有汽车而言更新换代频率也将加快，汽车的报废量逐年增加。报废汽车若得不到及时的处置，不光造成资源的巨大浪费，还会对环境产生极大的污染和破坏；若处置得当，在变废为宝的同时还能保护环境、节约资源，促进经济的可持续发展。
再制造（Remanufacturing）是重用（Reuse）的一种形式，是以废旧退役的零部件为“原料”，采用各种再制造成形技术，批量地恢复零部件尺寸、形位、表面质量和性能要求，經过装配形成新产品再使用[4]。通过近些年的研究，齿轮的再制造被证明是可行的，但再制造的齿轮其参数需要进一步优化，以保证进一步提高其工作效能，满足下一生命周期的工作需要。
1 变速箱齿轮再制造工艺
再制造的变速箱齿轮，不同于初次制造，原材料不是毛坯件，而是使用过的齿轮，因此，在进入再制造工序之前，需要完成齿轮的表面工程。表面工程技术是再制造技术的重要组成部分之一，是在表面预处理以后，综合利用表面工程技术，例如表面涂覆技术、表面改性技术等，从而能够较好地转变固体金属表面的形态、组织结构、化学成分以及应力状态等，最终得到再生产所必须的表面性能。表面工程技术可以实现对失效机械零件的增材、裂纹修补等功能，够使失效机械零件获得再修复。表面工程技术已经被机械零件再制造技术不断地应用[5]。齿轮的表面工程主要包括通过清洗、检测、加工等步骤。首先通过清洗除去齿轮表面的污垢，并使齿轮表面达到一定清洁度；然后通过检测评价清洗后齿轮的状况，确定齿轮的再制造性，最后根据检测情况对齿轮进行表面工程加工，确保其有足够的性能进入再制造过程。
为保证变速箱的使用寿命，其齿轮的再制造工艺应在完成表面工程后，努力提高加工工艺水平和热处理工艺水平。再制造的齿轮应采用新制造工艺，降低齿根的应力，可以使用大圆角凸头滚刀加工，从而提高齿轮齿根的圆角半径。再制造过程中的轮齿修磨可以采用高强度合金钢硬齿面磨齿的再制造工艺，利用无支撑的太阳轮进行磨削，磨齿后可以极大地缓解齿根的应力集中。变速箱齿轮一般采用20CrMnTi制造，此种钢材具有非常好的强度和韧性，同时具有良好的淬透性。为了能够使再制造的齿轮强度得到提高，应增加渗碳层的深度，淬火后齿轮的硬度可以达到HRC60左右，心部的硬度也可以控制在HRC35左右。在渗碳淬火工艺过程中，利用分段渗碳和分级淬火法。渗碳时在不同阶段选择不同的温度，淬火时分别在200 ℃、400 ℃和550 ℃的条件下进行分级淬火从而使齿轮的心部获得贝氏体、马氏体和残余奥氏体组织。
2 基于田口方法的再制造齿轮参数优化
田口方法是一种低成本、高效益的质量工程方法，它强调产品质量的提高不是通过检验，而是通过设计来实现，其基本思想是把产品的稳健性设计到产品和制造过程中，通过控制源头质量来抵御大量的下游生产中不可控因素的干扰，是一种聚焦于最小化过程变异或使产品、过程对环境变异最不敏感的实验设计方法，是一种能设计出环境多变条件下能够稳健和优化操作的高效方法[6]。
2.1 确定信噪比特性
本文以奇瑞汽车公司某款汽车变速箱（如图1所示）三挡主动齿轮为例（如图2所示），对其再制造参数进行优化。变速箱和齿轮基本参数如表1所示。
在田口方法中，信噪比η是产品性能的稳健性指标[7]，本文将齿轮的疲劳寿命与疲劳极限定为齿轮的两个品质特性，确定其信噪比为望大特性，即齿轮寿命和疲劳极限越大越好，其值可表达为：
2.2 确定影响因子
田口方法中的影响因子分为控制因子和干扰因子两类，在齿轮疲劳试验中，可以人为确定其值的称为控制因子，不能人为控制其值的称为干扰因子。齿轮再制造过程中影响齿轮疲劳性能的控制因子主要包含表面粗糙度、渗碳层硬度、心部硬度、齿轮箱温度、花键轴向宽度；干扰因子主要包括试验机精度、润滑情况、測量精度、操作人员水平等。田口设计方法的目标是决定控制因子的设定水平，使得品质特性达到理想的机能，同时尽量降低干扰因子的变动与影响。
本文将控制因子选为表面粗糙度、渗碳层硬度、心部硬度三项，其水平如表2所示。
2.3 正交试验设计
正交表中包含一个四水平因子，两个两水平因子，利用Minitab软件设计正交试验，如图3所示。考虑到齿轮疲劳试验的工作量较大，
且为了能反映出各个因子之间的交互关系，选择L16试验的设计方案，每组试验具体参数如图4所示。
图3 正交试验设计
图4 正交试验参数
2.4 实验结果
通过实验可知影响因素排序均为渗碳层深度、心部硬度和表面粗糙度，且渗碳层深度对响应结果的重要度比后两者要大10倍以上。结合试验数据可以得到最佳工艺组合为：渗碳层深度 1.2mm，心部硬度HRC35～42，粗糙度0.8μm。
3 结论
本文报废的QR523变速箱3档主动齿轮为例，讨论了齿轮再制造的生产工艺，并在此基础上利用Minitab软件设计了正交试验，找到了再制造齿轮最佳的工艺参数为渗碳层深度 1.2mm，心部硬度HRC35～42，粗糙度0.8μm。
参考文献
[1] Fernandes P J L，Mc Duling C. Surface contact fatigue failures in gears[J]. Engineering Failure Analysis，1997，4（2） ： 99-107.
[2] Fernandes P J L.Tooth bending fatigue failures in gears[J]. Engine -ering Failure Analysis，1996，3（ 3） ： 219-225.
[3] 陶春虎，钟培道，王仁智，等.航空发动机转动部件的失效与预防[M].北京：国防工业出版社，2000： 264-265.
[4] 徐滨士，马世宁.21 世纪的再制造工程[J].中国机械工程，2000（11）：36-38.
[5] 谢蕾.基于再制造技术的采煤机齿轮的制造研究[J].煤矿机械. 2013（08）：157-159.
[6] 曾凤章，赵霞.田口方法及其标准化设计[J].机械工业标准化与质量，2003，（11）：7-9
[7] 李晓豁，王岩，张永胜.矿用自卸车轮边减速器模糊可靠性的优化设计[J].矿山机械，2009，37（23）：37-40.