超薄懸吊式精密零件時(shí)效畸變的控制

北京控制工程研究所 （100190） 殷寶森 許 東

柔性裝夾零件的變形及扭曲是熱處理中的一個(gè)棘手難題，尤其是超薄懸吊式零件在時(shí)效后發(fā)生變形、扭曲的概率很大，嚴(yán)重影響了零件成形后的合格率。通過優(yōu)化時(shí)效溫度、采用新型工裝及改善時(shí)效處理冷卻方式等方法，有效地控制了變形、扭曲現(xiàn)象，顯著提高了零件合格率。

1.零件簡介

圖1為一種厚度為0.2mm的鈹青銅（QBe2）超薄懸吊式零件，它是線路盒產(chǎn)品中的關(guān)鍵零件。該零件壁厚很薄，中部呈現(xiàn)下凹懸吊狀，成形時(shí)有多處直角彎，時(shí)效處理時(shí)變形與扭曲極難控制，而變形量一旦超出設(shè)計(jì)要求，將直接導(dǎo)致零件報(bào)廢。在產(chǎn)品試制生產(chǎn)中，零件時(shí)效處理后變形很大，尤其是中間懸吊下凹處尺寸R19mm與兩端底角的圓弧尺寸R0.4mm變形嚴(yán)重，合格率不足50%。因此，控制時(shí)效畸變，提高合格率是實(shí)現(xiàn)該零件批量生產(chǎn)的關(guān)鍵之一。

圖1 零件結(jié)構(gòu)示意

2.加工技術(shù)難點(diǎn)

（1）中間下凹懸吊處的尺寸R19mm要求嚴(yán)格，最大誤差不得超過0.15mm。由于中間下凹懸吊處的尺寸為R19mm，一般裝夾不易控制變形，需采用上模、下模疊壓式裝夾才可保證尺寸精度的要求。

（2）兩端底角的過渡圓弧R0.4mm需精確控制。兩端底角的過渡圓弧的尺寸為R0.4mm，由于它是在淬火軟態(tài)下成形，加工殘余應(yīng)力較大。如果工裝夾具的過渡圓弧尺寸不合理，極易引起零件的過渡圓弧R0.4mm受力不均勻而產(chǎn)生變形。因此，工裝設(shè)計(jì)制作時(shí)要充分考慮精確控制過渡圓弧R0.4mm。

（3）零件左右兩側(cè)底面的平齊程度需嚴(yán)格控制。兩側(cè)底面的平齊程度若控制不當(dāng)，易形成內(nèi)縮狀或喇叭口狀，這需要由上模、下模上相應(yīng)位置的平齊程度來保證。

（4）時(shí)效溫度需嚴(yán)格控制。鈹青銅材料達(dá)到峰值時(shí)效，才能使零件具有最佳的綜合力學(xué)性能和較小的變形量。溫度偏低易出現(xiàn)欠時(shí)效，反之溫度偏高易出現(xiàn)過時(shí)效，這對零件力學(xué)性能及變形控制來說均是極為不利的。

3.原時(shí)效處理方法

時(shí)效處理采用RJ2－36－6節(jié)能型井式回火爐，熱處理曲線如圖2所示。時(shí)效處理時(shí)使用的工裝為板厚1.5mm、尺寸3000mm×2000mm×150mm的長方形不銹鋼盒，零件整齊排列在盒底，扣上盒蓋進(jìn)行時(shí)效處理。

圖2 時(shí)效處理曲線

4.畸變原因分析

（1）時(shí)效溫度偏高 鈹青銅的時(shí)效處理溫度與合金成分、雜質(zhì)含量、晶粒大小及冷變形量等因素有關(guān)，時(shí)效處理時(shí)有較高的晶界反應(yīng)敏感性，易出現(xiàn)不連續(xù)析出物，而欠時(shí)效或過時(shí)效軟化易導(dǎo)致彈性性能不穩(wěn)定、一致性差等缺陷，因此時(shí)效溫度范圍較窄，控制難度較大。在原時(shí)效方法中，處理溫度為320℃±10℃，易導(dǎo)致以下問題：①溫度偏高造成晶界反應(yīng)量偏大，零件變形扭曲程度較大。②停爐后冷卻過程中易出現(xiàn)較大溫差，產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，導(dǎo)致零件在疊加應(yīng)力作用下產(chǎn)生嚴(yán)重畸變而報(bào)廢。

（2）時(shí)效處理工裝不合理 時(shí)效處理時(shí)，由于零件是整齊排列在不銹鋼盒中進(jìn)行加熱，自身處于自由狀態(tài)，而材料的剪切方向與原材料軋制方向可能不一致，成形后內(nèi)部存在組織應(yīng)力、剪切應(yīng)力與彎曲應(yīng)力等，同時(shí)零件冷卻速度較快且不均勻，易形成較大的熱應(yīng)力，與之前加工后材料內(nèi)部應(yīng)力疊加，導(dǎo)致中間懸吊下凹處尺寸R19mm向外翻邊卷曲，零件兩端底角的過渡圓弧尺寸R0.4mm與垂直面形成了“S”形扭曲，無法校正。

5.解決措施

為了減小畸變，降低零件時(shí)效處理后的廢品率，經(jīng)理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，采取以下解決措施。

（1）適當(dāng)降低時(shí)效處理溫度，減少零件的時(shí)效畸變。鈹青銅按含鈹量分為QBe1.7、QBe1.9、QBe2、QBe2.15四種合金，此工件屬于硬態(tài)，即CY狀態(tài)QBe2合金。時(shí)效溫度從290℃提高至350℃時(shí)，晶界反應(yīng)量從小于2%（體積分?jǐn)?shù)）增加到10%左右。時(shí)效溫度的高低，決定晶界反應(yīng)量的大小，溫度高晶界反應(yīng)量大，反之晶界反應(yīng)量小。理論上QBe2合金的時(shí)效最佳溫度是310～330℃，但是為了使合金性能達(dá)到峰值狀態(tài)并減小變形，需保證晶界反應(yīng)量在2%～5%。通過工藝試驗(yàn)對原時(shí)效處理工藝進(jìn)行優(yōu)化：低溫預(yù)熱處理310℃保溫120min時(shí)效，使其達(dá)到峰值，明顯減少了零件的變形和扭曲。

（2）改進(jìn)熱處理工裝，采用上模、下模疊壓式裝夾控制變形與扭曲現(xiàn)象。圖3為時(shí)效裝夾胎具，它由上模、下模兩組合而成，材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼。其使用方法如下：

首先將零件嵌入下模的凹槽中，零件的垂直面與凹槽的側(cè)壁貼合，零件中間懸吊下凹處的尺寸R19mm與凹槽底面的圓弧貼合。然后將上模疊壓到工件上，上模的凸臺側(cè)壁與零件的垂直面貼合，凸臺頂面的圓弧與零件中間懸吊下凹處貼合。

此外，下模凹槽側(cè)壁與上模凸臺側(cè)壁的高度尺寸及其與兩側(cè)底面之間的過渡圓弧嚴(yán)格依據(jù)零件實(shí)際尺寸而定，以保證零件各部位均可被工裝疊壓固定。最后，使用鉛絲將上模、下模連同零件一起綁扎固定后再進(jìn)行時(shí)效處理，可使零件中間下凹懸吊處、兩端底面及過渡圓弧的時(shí)效畸變得到有效控制。

（3）控制時(shí)效處理冷卻速度，減少零件冷卻過程中的畸變。冷卻速度控制不當(dāng)易使零件中間懸吊下凹處與過渡圓弧變形扭曲呈喇叭口狀，對超薄懸吊式零件畸變影響極大。時(shí)效后冷卻過程的主要方式是快冷與緩冷。快冷時(shí)零件雖然處于受控狀態(tài)，但應(yīng)力釋放不均勻，且得不到有效矯正，變形程度較大。而緩冷可以有效減小熱應(yīng)力，并控制其他應(yīng)力緩慢釋放，使其在受控狀態(tài)下達(dá)到邊釋放邊糾正的效果。

試驗(yàn)結(jié)果也表明，采用階梯式緩冷方式，即上模冷速＜下模冷速＜零件冷速，可以徹底解決翹曲和扭曲畸變。

圖3 改進(jìn)后的熱處理工裝

6.應(yīng)用效果

通過上述措施，零件的加工合格率由不足50%提高到98%以上，顯著提高了零件加工質(zhì)量的穩(wěn)定性。目前該方法已應(yīng)用到各型號星船機(jī)箱線路盒類似零件的加工生產(chǎn)中，有效解決了這些零件的加工瓶頸問題，實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。