工裝夾具設計中材料及熱處理問題的處理

李曄維

（哈爾濱量具刃具集團有限責任公司，哈爾濱150040）

1 引 言

在工裝夾具的設計和制造、使用和修理中，常常會遇到因材料及熱處理選擇不當而發生的問題，影響到產品的質量。在處理這些問題時，往往不能單從材料及熱處理范圍內進行改進，還需要對工裝夾具結構進行更改。

2 解決方案

（1）用V 型塊作為定位件對圓形工件進行定位時，如果需用加大的夾緊力進行徑向夾緊，采用45 鋼或20Cr進行滲碳淬火，則由于定位表面與工件為線接觸，單位面積上的壓力較大，并且材料表面硬、內部軟，容易產生凹坑，從而降低了V 型塊的使用壽命。

處理方法：V 型塊的材料可采用碳素工具鋼（T8A、T10A）或合金工具鋼（CrWMn、CrMn），淬火硬度為58～63HRC，這樣就可以提高V 型塊的使用壽命。

（2）對于那些形狀特殊或厚薄相差很懸殊的零件，因熱處理時冷卻速度不均勻，容易產生裂紋。如圖1 所示的零件，若用碳素工具鋼制造（設計時應盡量避免），在淬火時很容易產生裂紋，甚至整圈斷裂。處理方法一般有下列幾種：（a）改尖角為圓角，避免淬火時產生應力集中，并且適當增加厚度；（b）降低零件的硬度要求，采用先熱處理、后機械加工的辦法制造；（c）選用淬透性好，用較緩慢冷卻也能淬硬的合金鋼（如CrMn、CrWMn）來制造；（d）對容易產生裂紋的部位及其附近不進行淬硬處理。

圖1 極易產生淬火裂紋的零件

圖2 大型V 形塊的相對其結構的影響

（3）厚度不均而且帶有直角面的大型定位件（如圖2（a）所示的大型V 型塊），如用碳素工具鋼（T8A 等）或合金工具鋼（CrMn 等）制造，淬火時也容易產生裂紋，如圖中斷裂線所示處。其處理方法一般有下列幾種：（a）將直角轉接處改成圓角過渡，如圖2（b）所示；（b）改用組合式結構，如圖2（c）所示，在定位面上鑲以高硬度的墊片，這樣V 型塊的主體則可以不采用高硬度材料。此處墊片用螺釘和銷子進行固定，但采用這種結構會影響V 型槽面的平整性，對清理定位表面會帶來一定的麻煩；（c）如果V 型槽所受的夾緊力不大，則可以采用滲碳鋼（35 鋼或20Cr），這樣也可以減少淬火開裂的可能性。

（4）對于需要配鉆的銷子孔零件，若不考慮其配鉆的方向和材料硬度的關系，就會發生不能配鉆的問題。

如圖3 所示兩個需要配鉆的零件，其配鉆方向為從上往下，在選擇材料硬度時應注意下部底板配鉆部位的硬度不能高，否則將不能進行配鉆。如果底板的其它部位需要高硬度，可以采用滲碳鋼進行局部滲碳來滿足這一要求。

圖3 配鉆零件材料硬度的選擇

圖4 壓套部件材料硬度的選擇

（5）對于需要壓套的部件，如不考慮其材料的硬度對保證位置精度及壓套方便性的影響，則不能滿足制造要求和使用要求。

如圖4 所示的壓套部件，襯套內孔需要有較高的硬度。當它的位置尺寸L 的公差δ 要求較嚴時，由于主體安裝孔需要在熱處理后進行加工，因此這一部位的硬度不能高，否則將難以用坐標鏜床進行加工。如果主體的其它部位需要有較高的硬度要求，則可用滲碳鋼來制造，并進行局部滲碳來滿足使用的要求。但在某些情況下，如果主體需要采用全部為高硬度的材料，則襯套外圓應保持低硬度，以避免“硬碰硬”的壓套方式；此時，襯套可采用滲碳鋼，其內孔進行局部滲碳以達到高硬度，而其外圓不滲碳以保持低硬度。

（6）對于大型平板型底座，如圖5（a）所示，當上下平面的平面度及相互之間的平行度要求較高，需要用刮削加工來保證時，如果采用鋼料（如45 鋼），則使刮削困難，而且容易自然變形，不容易保證精度要求。

處理方法為：大型平板底座以采用鑄件（如HT21-40）較好，因此其結構形狀也應作相應更改，如圖5（b）所示。此處應注意，鑄件剛性的好壞，主要取決于合理的截面形式，即合理布置加強筋，而不宜單純增加其壁厚。關于鑄件的壁厚，對工裝夾具來說，通常取12～16mm 即可。

圖5 大型平板形底座的材料選擇及其相應的結構

（7）尺寸較大而硬度和精度要求較高的零件，如圖6（a）所示兩孔很近但壁厚很不均勻的整體式鉆模板，即使采用熱處理變形較小的合金工具鋼（CrMn 或CrWMn），先進行精加工再進行熱處理，也容易產生較大的變形，破壞熱處理前精加工所獲得的精度，保證不了鉆模板的精度要求，而且用料也不經濟。但若采用硬度不高的材料（如45鋼）在熱處理后進行精加工，則在使用時又容易磨損。

處理方法為：對于這種鉆模板可采用硬度不高的材料，鑲上兩個磨削扁的鉆套，如圖6（b）所示。因為磨削扁的鉆套的內外圓及扁平面，都可以在熱處理后再進行精加工，這樣就可以保證尺寸精度的要求。

（8）對于使用時容易磨損的滲碳表面，在返修時往往會將滲碳層磨掉，而且滲碳表面越往里硬度越低，這樣就會影響工裝夾具的使用壽命。

處理方法為：對磨損嚴重的、經常需要返修的表面，最好采用組合式結構，在容易磨損處鑲高硬度的碳素工具鋼或合金工具鋼制成的零件。

（9）大面積的滲碳表面，因淬火后變形較大，制造過程中磨去變形量后，兩端滲碳層也就被磨去，影響使用性能。此時可采用下列幾種方法來解決：（a）減少滲碳表面的面積，改為斷續表面，這樣可以減少變形量，并可減少所磨去的滲碳層。（b）主體零件不采用滲碳材料，而在上面鑲上用高硬度的碳素工具鋼或合金工具鋼制造的零件，改成組合式結構。

（10）采用鑄鋁作為工裝夾具主體時，對于與它進行過盈配合的零件（如定位銷、定位軸等），當受到交變載荷或較大的切削力時，由于鑄鋁的組織比較疏松，容易發生松動。

處理方法為：把工裝夾具的主體材料由鑄鋁改為鑄鐵或鋼料，這樣可增加過盈配合的牢固性。

（11）夾緊裝置與工裝夾具上其它零件相接觸的摩擦表面，由于受力較大而沒有設置耐磨墊進行保護，因此會因磨損快而影響工裝夾具正常工作，并需要經常返修。

處理方法：在工裝夾具受力較大而磨損較嚴重的部位，應設置耐磨墊進行保護。這里耐磨墊應采用硬度較高的材料來制造，如選用T8A 等材料，硬度為53～58HRC.

圖6 整體式鉆模板的熱處理變形及削扁鉆套的應用

3 結 語

我們需要引進國外的先進技術與經驗，但是不能完全照搬，只有根據自己企業的實際情況和特點，有針對性地對工藝、工裝、生產的各個環節存在的問題進行持續的改進，才能不斷地推動企業持續向前發展，帶來良好的經濟效益。