采用淬火壓模控制薄壁齒輪的淬火變形

張宇慶

遼寧省撫順市撫東機械廠 遼寧撫順 113105

1 序言

隨著科技的發展，一些傳動機構的部分零件較以前的設計有所改進。部分零件采用薄壁的形式，這樣的設計既可以減輕零件的重量，又可以減少零件傳動中的功率損耗。但是，隨之而來的問題就是為熱處理過程增加了難度，例如，如何有效地控制淬火變形，保證后續機械加工的進行。

正如大家所知道的，機械零件在熱處理過程中，由于組織應力和熱應力的共同作用，極易產生各種形式的變形，而且零件的形狀特點也易導致變形的產生。因此，要求從事熱處理工作的技術人員在研究零件的變形時，必須充分考慮零件在熱處理過程中組織轉變的規律、零件的結構特點、工藝參數的選定、工裝的選用及淬火設備[1]的使用情況等，找出影響變形的主要因素，并采取相應的措施，才能有效地減小或控制零件變形，以滿足產品加工工藝的要求。

2 問題的提出

遼寧省撫順市撫東機械廠生產的一薄壁齒輪，如圖1所示。材料為20Cr2Ni4A鋼[2]，其化學成分見表1。技術要求：滲碳層深度為1.3~1.6mm，表面硬度≥60HRC，心部硬度為35~49HRC，端面翹曲≤0.25mm，內孔圓度≤0.25mm。

在原淬火工藝方案中，雖然考慮到了零件由于形狀特點，容易產生翹曲的實際問題，但是忽略了零件的薄壁特點，只采用內孔加裝淬火芯軸，控制內孔的圓度變化。由于該齒輪屬于薄壁類零件，零件的薄壁未能得到有效控制，導致零件的薄壁處尺寸增大，即薄壁最外端的尺寸增大，零件的尺寸加大了0.8~1.0mm，甚至個別零件的增大尺寸達到了1.5mm以上。從外觀尺寸來看，零件呈現“喇叭口”形狀，且圓度達到1.0mm以上，嚴重影響到零件的后續加工，甚至因尺寸變化直接報廢。

圖1 薄壁齒輪

表1 20Cr2Ni4A鋼薄壁齒輪化學成分（質量分數）（%）

3 原因分析

由于薄壁類齒輪零件產生了上述變形，因此給下一步機械加工帶來了極大的困難，齒部加工因基準的變化，難以完成最終的精加工。

針對此種變形，我們分析其產生的原因主要有兩點：

1）雖然在淬火芯軸的控制下，內孔的圓度得到了控制，但零件的薄壁處未加以限制，在淬火時，由于組織應力、熱應力的作用而產生了畸變。

2）正因為薄壁處的畸變，零件的端面翹曲也有所增大。

為此，要控制零件薄壁處的畸變和端面翹曲的變化，就必須對零件的薄壁處和端面在淬火過程中加以限制，以保證此零件淬火過程中產生的變形在工藝要求范圍內。

通過對零件變形的具體分析，零件薄壁處尺寸增大和端面翹曲度過大的原因，主要是淬火過程中未能采取行之有效的措施，對零件易出現變形的部位未加以限制。根據經驗，此類零件在淬火時需要平放入淬火油中，以減少零件的變形。但是，其中有一個不可避免的因素出現，即零件在平放入淬火油中時，由于零件的各截面存在尺寸差，勢必導致各部位冷卻不均勻，從而出現熱脹冷縮不協調的現象，因此造成零件薄壁處尺寸增大，而且操作不當及控制方法不合理，均會造成零件出現翹曲變形。若不采取必要的控制方法，就會造成零件的翹曲度增大，從而影響產品質量，造成損失。

4 熱處理工藝、工裝的改進及效果

綜上所述，零件的熱脹冷縮不協調，引起零件薄壁處的尺寸脹大。為了有效地解決此類問題，我們將工藝及工裝進行改進，即根據零件結構特點和實際生產所使用的淬火設備狀況，設計出如圖2所示的淬火工裝，對零件在整個淬火過程中易產生變形的部位加以限制，有效地控制零件各部位的冷卻速度，保證零件的冷卻均勻性，從而達到提高零件淬火合格率的目的。

圖2 淬火壓模工作示意

4.1 淬火模具的設計

為解決零件的畸變，根據零件形狀的特點重新設計了淬火壓模。該套淬火壓模主要由外壓模、內壓模、下模、6塊滑塊、芯軸等組成，如圖3~圖7所示。

淬火壓模中的滑塊由螺栓聯接在外壓模上，外壓模通過螺桿聯接在淬火壓床上。由于外壓模聯接在了淬火壓床上，因此外壓模在下落過程中，滑塊沿著外壓模內壁15°斜面移動，在內模壓落在零件表面時，滑塊剛好完成了移動并與零件的外圓相貼合，固定了零件的外圓尺寸，從而控制了零件淬火過程中的尺寸變化，實現了用淬火壓模控制零件變形的目的。

圖3 外壓模

圖4 內壓模

圖5 淬火下模

圖6 滑塊

圖7 芯軸

淬火壓模的具體工作步驟：

1）將滑塊聯接在外壓模上，并保持滑塊始終處于自由狀態，不得有卡滯現象。

2）將外壓模、內壓模聯接在淬火壓床上，并提升至規定高度，將淬火壓床的控制按鈕調至自動位置。

3）將下模、芯軸安裝在淬火壓床的工作臺上。

4）以芯軸定位，零件放置在下模上。

5）按動淬火壓床上的控制按鈕，內外壓模同時下落，當內壓模落在零件表面上時，安裝在外壓模上的滑塊剛好與零件外表面貼合，外壓模落在工作臺上，這時外壓模與零件形成了封閉空間，此時噴油閥工作，在封閉空間充滿淬火油，零件完成淬火工作。

4.2 淬火壓模的使用效果

在淬火壓床上進行淬火時，淬火壓床的壓力可以根據淬火時出現的不同情況適時地進行調整，使零件在淬火過程中始終處于壓力淬火的狀態。由于零件的形狀和尺寸承受著淬火壓模的限制，制約了零件在淬火過程中出現的翹曲度，從而保證了零件的翹曲度能夠控制在所要求的范圍內。

由于淬火工序采用此種淬火壓模，原來薄壁處的尺寸變化得到了控制。通過測量圓度能夠控制在0.25mm左右，“喇叭口”現象未再出現；φ115mm的內孔由于芯軸的作用，圓度也能夠控制在0.2mm左右，大大提高了零件的淬火合格率。

5 工藝分析及體會

薄壁類零件截面差較大，其變形規律為內孔縮小和端面翹曲變形，是在各種復雜應力綜合作用下產生的結果[3]。因此，有必要采取有效地控制措施，限制或減少零件的尺寸變化，使之能夠滿足下一步的機械加工要求。

通過薄壁零件的淬火生產實踐，得到以下體會：

1）解決零件薄壁處尺寸的變化，就要對薄壁處的尺寸變化加以限制。根據零件的形狀和我公司淬火設備的特點，將淬火工裝加以改進，外壓模的內壁設計成15°的斜面。

2）根據淬火設備的特點，將滑塊的一端設計成15°的斜面，使之與外壓模的內壁尺寸相吻合。

3）在加工15°的斜面時，零件的表面粗糙度要控制在比較高的加工精度上，如Ra=0.4~0.8μm，這樣滑塊在沿外壓模內壁下落過程中，就不會出現卡滯現象。

4）在淬火下模的端面加工出36個凹槽，滑塊側面加工6個孔，這樣的設計有利于零件在淬火過程中淬火油的循環流動，從而增強了淬火油的冷卻性能，提高了淬火油的冷卻能力，同時也可以保證零件表面的淬火硬度能夠達到圖樣的技術要求。

5）將滑塊加工成6塊，并均勻地安裝在外壓模上。這樣外壓模在下落過程中，可以避免滑塊移動時出現卡滯現象，保證滑塊完全貼合在零件外圓上，從而限制了零件外圓尺寸的變化。

引起零件變形的主要原因是冷卻時由于在截面差、熱應力和組織應力的綜合作用下，使零件的薄壁處尺寸脹大，呈現“喇叭口”現象。

原來的淬火工藝方案中，零件在淬火過程中產生的各種應力得不到有效限制，故不能滿足工藝的技術要求。而當采用淬火壓模進行淬火時，由于零件在淬火壓床的壓力作用下，可以最大限度地限制零件的變形。這種強制的作用，可以使相互應力趨于平衡，限制了零件翹曲變形現象的發生。

此外，滲碳層的碳濃度梯度的變化、金相組織，以及操作的平穩性等都會影響零件的變形。在實際生產中還要嚴格控制各種滲劑的流量，使滲層的濃度梯度更加平緩地向心部過渡，并較平緩地與心部原始組織結合[4]，從而避免出現過陡的碳濃度梯度，影響產品的使用性能。

6 結束語

薄壁類零件在進行熱處理操作（尤其是淬火過程中）時，一定要根據零件的結構特點，并結合圖樣要求，認真地進行分析、論證，找到其容易出現變形的部位，并根據實際生產情況，采取有效的工藝方法及防護措施，將零件的形狀畸變、尺寸變化控制在工藝要求的范圍內，從而更好地保證生產的順利進行。