鋼制鈑金零件熱處理變形控制與校正

蔣克全，巢昺軒，王寶龍

(昌河飛機工業(yè)集團有限責(zé)任公司，江西 景德鎮(zhèn) 333002)

零件在熱處理的加熱和冷卻過程中，很容易發(fā)生變形。零件的熱處理變形一般分為尺寸變化和形狀畸變。形狀畸變是由于熱處理過程中，在復(fù)雜應(yīng)力的作用下，不均勻塑性變形引起的。影響工件變形的因素很多，主要有材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、熱處理工藝參數(shù)、冷卻的激烈程度和冷卻方式、工件熱處理前的應(yīng)力狀態(tài)以及工件的形狀尺寸、裝夾方式等。如加熱或冷卻的不均勻?qū)氶L工件或薄壁件的變形影響十分明顯；形狀不規(guī)則的零件，其殘余應(yīng)力若未經(jīng)消除，對淬火變形也有很大影響[1]。因此控制熱處理變形需要全面考慮。

對于不同品種和形狀結(jié)構(gòu)的零件，其熱處理變形的程度是不一樣。鈑金零件由于其剛度相對較低，很容易發(fā)生熱處理變形；另一方面，鈑金零件一般無加工余量，零件變形后只能通過校正的方式來滿足圖紙的形狀和尺寸精度要求。鈑金零件在熱處理后彈性較大，校正困難，因此我們希望在熱處理過程中減少或控制熱處理變形以減少熱處理后鈑金零件的校正工作量。

熱處理變形控制主要選擇在淬火階段和回火階段實施，比如在淬火階段可采用適當(dāng)?shù)膴A具或模具，選擇合適的淬火介質(zhì)來減少零件淬火變形[2]。變形后的工件可以通過校正的方法來減小熱處理變形，常用的校正方法可以分為機械校正法和熱處理校正法。采用機械或局部加熱的方法均是使變形工件通過微量塑性變形和殘余應(yīng)力的釋放和重新分布達到校正的目的。常用的校正方法包括冷壓校正、熱壓校正、加壓回火校正、局部加熱的熱點校正等方法。

結(jié)合鈑金零件的結(jié)構(gòu)特點，我們主要從裝夾方式、夾具的使用以及改進零件結(jié)構(gòu)形式等方面來想辦法，對于熱處理工藝很難解決變形的零件，應(yīng)該提前從設(shè)計源頭進行優(yōu)化，選擇合適的結(jié)構(gòu)材料，減少加工變形。

1 鋼制鈑金零件的熱處理變形控制與校正

1.1 支撐圈熱處理變形控制及校正

超薄鈑金件的淬火變形是難以避免的。對于這類零件，如采取回火校正模具對其控制變形會起到很好的效果。我公司生產(chǎn)的一種支撐圈零件，如圖1所示，該零件采用δ0.8 mm厚的65Mn板材縱向彎曲成型，熱處理硬度范圍為46～51 HRC，該零件在淬火過程很容易發(fā)生錯位和開口的問題。針對變形情況，我們采取在淬火階段減少零件淬火變形量，并在回火階段采用校正工裝來對零件的變形進行校正。具體措施如下：用芯軸將綁扎好的零件串起來，使零件在加熱和冷卻過程中保持垂直狀態(tài)。

圖1 支撐圈淬火綁扎Fig.1 Quenching and bind for the support ring

通過工藝改進后，零件淬火后仍存在一定量的翹曲變形，根據(jù)資料介紹，可采用夾具校正法來減少這類零件的熱處理變形：夾具校正法效率高，校正質(zhì)量好，不會對零件的力學(xué)性能造成影響，具有質(zhì)量穩(wěn)定可靠的優(yōu)點。這種方法是通過夾具對零件施加壓力，利用回火時零件的組織轉(zhuǎn)變達到校正的目的。用夾具回火校正的原理是利用淬火后回火時金屬會發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，當(dāng)某個方向受到限制，也就是受到應(yīng)力作用，金屬組織就會往減少應(yīng)力的方向變形轉(zhuǎn)變，當(dāng)去掉載荷(限制)時，工件不會回復(fù)到原來的狀態(tài)[3]。采用夾具回火校正法適合較小較薄的零件，對于大型鈑金零件不太適用。

為此，設(shè)計出專用回火校正夾具，如圖2所示。在回火一段時間后從爐中取出來進一步擰緊，然后放回爐中繼續(xù)回火，從而實現(xiàn)熱處理回火校正的目的，這樣回火后的零件基本能滿足零件圖紙要求[4]。

圖2 支撐圈回火夾具Fig.2 Tempering fixture of support ring

1.2 鋼角材零件的變形控制

鋼角材零件一般是由平板折彎而成，大部分零件形狀不規(guī)則，零件較薄，一般厚度為1～3 mm，部分零件較長，零件長度超過1000 mm，熱處理時會產(chǎn)生翹曲和扭曲變形，即該類零件熱處理變形特點是平面部分發(fā)生波浪變形，折彎區(qū)域易發(fā)生翹曲變形，該類零件熱處理后的變形量大，很難校正，可能會因無法矯形而使零件報廢。我們生產(chǎn)的一種鋼角材零件長為980 mm，板材厚度為2.5 mm，零件材料為30CrMnSiA，熱處理后硬度要求為31.5～38 HRC。零件熱處理后變形如圖3所示，零件因變形過大無法矯正而報廢。針對零件熱處理變形情況，我們開展了以下改進工作，首先我們改進零件吊掛和入油方式，改進前零件為自由狀態(tài)下垂直吊掛。這種狀態(tài)下的零件容易產(chǎn)生以下問題：1)：零件在淬火轉(zhuǎn)移過程中容易發(fā)生擺動；2)由于鈑金類零件較輕，在油的阻力作用下，零件自由吊掛狀態(tài)下很難保證垂直入油。為此，我們采取以下改進措施，在零件兩端增加工藝孔，分別固定在料架上，這樣改進后，零件的變形量明顯減小，后續(xù)可經(jīng)過機械校正能滿足圖紙要求。

為了進一步減少這類零件的熱處理變形，我們進行了以下改進工作：調(diào)整加工工序，增加零件結(jié)構(gòu)強度。先將板材折彎后，焊上一塊加強板，這樣工件變成了一個三角形，工件的剛度增大，大大減少工件的淬火變形，如圖4所示。

圖3 熱處理變形的鋼角材零件Fig.3 Steel angle part deformed by heat treatment

圖4 改進后的工藝結(jié)構(gòu)件Fig.4 The improved process structure parts

這樣零件熱處理后經(jīng)過簡單的校正后再加工外形就能滿足圖紙要求，這樣零件就可以交付。

1.3 鋼制鈑金零件設(shè)計選材優(yōu)化

為了從源頭上解決鈑金零件的熱處理變形問題，我們更應(yīng)多從零件選材角度來考慮。通過合理選擇零件的材料來減少零件加工變形。如圖5所示平板零件，零件材料為30CrMnSiA，熱處理后硬度要求為31.5～38 HRC。該類零件熱處理變形很大，也很難校正，目前也缺少有效的變形控制方法。如果在零件設(shè)計時，對零件材料的選擇進行充分考慮，不選用需要熱處理且熱處理變形嚴(yán)重的30CrMnSiA材料，改為選用退火狀態(tài)的TC4鈦板或冷作硬化態(tài)的1Cr18Ni9不銹鋼板加工，不經(jīng)熱處理也能保證零件的力學(xué)性能滿足圖紙要求。TC4(退火狀態(tài))強度σb范圍為935～1150 MPa；1Cr18Ni9(冷作硬化)的不銹鋼板，其強度σb范圍為930～1230 MPa，能夠滿足設(shè)計的要求。采用該類材料加工零件后可不需要熱處理，避免了熱處理的變形。對于外形簡單或折彎量不大的零件可采用上述材料。

對于有較高硬度或強度要求的零件，可以考慮選用高強度沉淀硬化不銹鋼0Cr17Ni7Al等材料來加工，該類材料在固溶態(tài)下塑性較好，冷加工工藝性好，便于零件成形，零件最終狀態(tài)只需進行時效處理，零件熱處理變形量小[5]。

對于形狀復(fù)雜或變形量較大的零件可選擇鈦合金材料，通過熱成形的方法來加工零件，典型零件如圖6所示[6]。

圖5 平板零件示意圖Fig.5 Diagram of flat part

圖6 形狀復(fù)雜的鈑金零件Fig.6 Complex sheet matal parts

3 結(jié)論

鋼制鈑金零件熱處理變形控制一直是困擾制造工廠生產(chǎn)的難題，技術(shù)人員也一直想盡各種辦法來減少和校正零件的熱處理變形，除合理安排熱處理工序，選擇正確的吊掛等方式外，經(jīng)常會采用模夾具等輔助校正的方法來控制零件熱處理變形。本文還介紹了一種優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)形式，增加零件結(jié)構(gòu)剛度的方法來減少零件的熱處理變形的方法。當(dāng)然，通過合理選材來減少鈑金零件加工變形更是設(shè)計及工藝人員應(yīng)該首先考慮的問題。