非對(duì)稱(chēng)薄片零件壓淬變形解決方案

劉繼武，郭文鑫，宋慶東

天津天海同步科技有限公司 天津 301600

1 序言

圖1所示為筆者公司某量產(chǎn)工件結(jié)構(gòu)。該工件材質(zhì)為16MnCr5H鋼，屬典型大直徑薄片環(huán)狀工件，厚度只有5mm。該工件異于常規(guī)零件特點(diǎn)的是厚度太薄，且在外輪廓開(kāi)了兩個(gè)較深、大小不一且不對(duì)稱(chēng)的缺口，給該件的熱處理變形控制造成了極大的困難。

圖1 工件結(jié)構(gòu)

該工件內(nèi)孔為花鍵結(jié)構(gòu)，成品要求內(nèi)花鍵小徑為200.07～200.32mm，外圓直徑為290mm。

圍繞改善該工件的變形問(wèn)題，從正火工藝、壓淬模具設(shè)計(jì)、滲碳工藝、熱處理前尺寸配合等方面都做了大量的試驗(yàn)。

2 工件熱處理成品的技術(shù)要求

（1）金相要求 表面硬度≥80HRA；有效硬化層深度0.6～1.0mm（550HV）；碳化物等級(jí)為1～4級(jí)；馬氏體及殘留奧氏體等級(jí)為1～5級(jí)；心部硬度為33～42HRC。

（2）尺寸要求 內(nèi)花鍵M 值：1 9 6.8 0 ～196.95mm/φ4.5mm；平面度≤0.150mm（熱處理后平磨要求≤0.10mm），內(nèi)花鍵圓度≤0.075mm。

3 熱處理工藝的初期策劃

考慮到該工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，若采用滲碳直淬，則勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的變形，根本無(wú)法保證圖樣要求。因此，我們選定滲碳空冷后再進(jìn)行壓淬的方式。具體工藝加工路線(xiàn)為：熱處理前成品→滲碳空冷→壓淬→回火→拋丸→檢驗(yàn)→熱處理后平磨兩端面。

4 加工過(guò)程中存在的問(wèn)題與解決方案

4.1 試驗(yàn)初期工件平面度、圓度變形

為保持工件壓淬前平面度，最大程度地降低對(duì)壓淬工序的影響，在執(zhí)行滲碳緩冷時(shí)，采用工件雙點(diǎn)接觸懸掛的裝爐方式。熱處理設(shè)備為T(mén)QF-11-ERM箱式多用爐，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)滲碳空冷工藝。

工件出爐后檢測(cè)發(fā)現(xiàn)平面度、圓度變形較小。

轉(zhuǎn)底爐壓淬主要工藝參數(shù)如下：加熱溫度850℃；加熱時(shí)間18～20min；爐內(nèi)保護(hù)碳勢(shì)1.0%；壓淬冷卻時(shí)間60s。

首件進(jìn)行金相檢測(cè)，結(jié)果如下：表面硬度為82HRA；有效硬化層深為0.78mm；碳化物等級(jí)為2級(jí)；馬氏體及殘留奧氏體等級(jí)為2級(jí)，完全符合技術(shù)要求，且處于要求中下限。該結(jié)果驗(yàn)證了工件滲碳空冷工藝是較為合理的。

盡管前期工序加工效果良好，但在后續(xù)壓淬過(guò)程中卻仍然接連出現(xiàn)了一系列的變形問(wèn)題。

壓淬初期采用的是典型花鍵小徑配合心軸，如圖2所示。調(diào)整工藝參數(shù)及配磨心軸外圓尺寸后連續(xù)加工了小批量該產(chǎn)品，檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)內(nèi)花鍵圓度合格的僅有3件，平面度合格的為16件，檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。隨即將該批工件通過(guò)專(zhuān)用工裝夾緊回火2h 后[1]，再次檢驗(yàn)平面度及內(nèi)花鍵圓度。檢測(cè)結(jié)果：內(nèi)花鍵圓度合格4件，平面度合格17件。該批工件在經(jīng)過(guò)拋丸處理后平面度合格的只有2件，且全都不同程度地發(fā)生了翹曲。

圖2 典型壓淬心軸

圖3 采用典型壓淬心軸壓淬時(shí)內(nèi)花鍵圓度檢測(cè)結(jié)果

4.2 內(nèi)花鍵圓度、工件平面度超差的原因分析

經(jīng)分析[2]認(rèn)定，工件壓淬后內(nèi)花鍵圓度超差的主要原因是外圓幾何形狀不對(duì)稱(chēng)造成的。具體為圖1中A、B兩處開(kāi)口處壁厚較薄，而其他部位壁厚較大，形狀差異造成該工件加熱后，熱應(yīng)力圓周分布不均勻，而壓淬冷卻過(guò)程中又由于A(yíng)、B兩處相對(duì)單薄，冷卻速度較快，此過(guò)程中的熱應(yīng)力明顯大于組織應(yīng)力，宏觀(guān)表現(xiàn)為該部位收縮較大，而其他部位恰恰相反，綜合效果造成開(kāi)口相對(duì)的位置內(nèi)花鍵的跨棒距較小。后續(xù)全檢的數(shù)據(jù)與理論分析基本一致。

為此，在壓淬工裝的上下模具之間做了幾次調(diào)整，希望以此緩解A、B兩處的冷卻速度，使應(yīng)力分布趨于平衡，但效果均不理想。理論上認(rèn)為壁厚的倍數(shù)關(guān)系，反映到宏觀(guān)應(yīng)力分布上同樣為倍數(shù)關(guān)系。從工件拋丸后平面均發(fā)生翹曲的現(xiàn)象來(lái)分析，認(rèn)為主要是由于該工件厚度較薄，工件平面的屈服極限相對(duì)較低，工件在拋丸過(guò)程中端面受到的局部沖擊應(yīng)力超過(guò)屈服極限后產(chǎn)生了變形。若要減少該過(guò)程中的變形量，則只能降低沖擊應(yīng)力的大小，故采用常規(guī)方法已找不到有效的控制手段。

5 工藝改善措施及實(shí)施效果

5.1 工件內(nèi)花鍵圓度超差

對(duì)于工件內(nèi)花鍵圓度超差問(wèn)題，主要采取了以下幾點(diǎn)控制措施。

1）為避開(kāi)熱應(yīng)力分布不均的影響，減少壓淬時(shí)的變形，我們調(diào)整了熱處理前加工工藝，即在熱處理前加工時(shí)外圓暫不開(kāi)A、B兩缺口，將其調(diào)整到壓淬回火后再去除。

2）嚴(yán)格控制使用材料的末端淬透性，使其淬透性公差帶控制在J3：36～46，保證工件淬火時(shí)的一致性。

3）嚴(yán)格執(zhí)行滲碳空冷標(biāo)準(zhǔn)工藝，固定空冷溫度，以此提高工件金相組織的一致性，進(jìn)而保證變形的一致性。

4）將回火溫度由170℃調(diào)整到190℃，回火時(shí)間由120min延長(zhǎng)到150min，使工件的組織由淬火馬氏體充分轉(zhuǎn)變，并消除殘余應(yīng)力，減少工件后期線(xiàn)切割開(kāi)口時(shí)的變形。

5.2 工件平面度超差

對(duì)于工件平面度超差問(wèn)題，主要采取了以下幾點(diǎn)控制措施

1）將回火工序調(diào)整到拋丸后，嚴(yán)格執(zhí)行專(zhuān)用工裝壓緊后回火，以保證最終平面度。

2）拋丸時(shí)選取直徑較小的丸粒，嚴(yán)格控制丸粒直徑≤0.6mm、拋丸流量＜50kg/min。

3）壓淬前必須徹底清除工件表面的毛刺，減少其對(duì)加工的影響。

4）壓淬上模具選配彈簧預(yù)緊結(jié)構(gòu)，保證端面壓緊力的一致性。

基于以上4點(diǎn)措施，對(duì)整個(gè)加工流程進(jìn)行了進(jìn)一步調(diào)整，調(diào)整后的加工流程如下：熱處理前半成品→滲碳空冷→壓淬→拋丸→回火→線(xiàn)切割開(kāi)A、B缺口→檢驗(yàn)→熱處理后平磨。

本次改進(jìn)后，熱處理變形情況如下：工件滲碳空冷并壓淬后，內(nèi)花鍵圓度檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖4所示；工件拋丸后經(jīng)過(guò)壓緊回火，平面度試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果同樣較為理想，合格率提高到90%以上。

圖4 壓淬沒(méi)有開(kāi)A、B缺口的工件內(nèi)花鍵圓度檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖4中的檢測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了前期理論分析的正確性，然而一個(gè)新的問(wèn)題又?jǐn)[在了眼前：一切正常的工件經(jīng)過(guò)線(xiàn)切割開(kāi)A、B兩缺口后均發(fā)生不同程度的開(kāi)口處內(nèi)縮，且多次試驗(yàn)均得到了同樣的結(jié)果，檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5所示。因此，本次改進(jìn)對(duì)壓淬后零件變形收到了一定程度的成效，但仍未能完全達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

圖5 一次壓淬線(xiàn)切割開(kāi)A、B缺口后的檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果

通過(guò)對(duì)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的分析基本得到以下規(guī)律：一是開(kāi)槽后工件都必然產(chǎn)生變形，其中70%左右的工件變形能夠控制在公差范圍內(nèi)；二是工件經(jīng)線(xiàn)切割開(kāi)A、B缺口后，內(nèi)花鍵圓度普遍增大0.025mm左右（同時(shí)，還有個(gè)別工件呈圓度變小的趨勢(shì)）。

進(jìn)一步分析后得到以下結(jié)論：工件開(kāi)缺口后該處變形必然存在，在該方向呈向內(nèi)收縮的趨勢(shì)。由于工件經(jīng)過(guò)一次壓淬后具有隨機(jī)性，當(dāng)最大偏差分布在A(yíng)、B缺口附近方向并呈縮小趨勢(shì)時(shí)，工件開(kāi)槽后內(nèi)花鍵圓度會(huì)嚴(yán)重超差。但當(dāng)最大偏差分布與A、B缺口附近呈漲大趨勢(shì)時(shí)，開(kāi)口后的圓度恰恰向好的方向變化。當(dāng)然這種情況的概率較小，還只是個(gè)別現(xiàn)象。

按改進(jìn)流程加工的工件合格率明顯提高，已經(jīng)達(dá)到了70%。盡管如此，我們對(duì)這種結(jié)果還是無(wú)法接受：近30%的不合格品意味著額外增加了相應(yīng)制造成本，因此必須繼續(xù)進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，以得到更高的合格率。

鑒于常規(guī)方法試驗(yàn)的失敗，我們索性放棄了采用常規(guī)壓淬處理繼續(xù)試驗(yàn)改善的想法，設(shè)想出采用局部帶有高點(diǎn)的壓淬心軸進(jìn)行壓淬的方式，如圖6所示。

在壓淬試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)多次的配磨修正，最終確定了心軸高點(diǎn)與正常部位的高度落差的最佳值，即A、 B兩處的中心半徑要比正常部位大0.03mm，在此比例下壓淬出來(lái)的工件內(nèi)花鍵圓度合格率最高，試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。基本達(dá)到了我們能夠接受的結(jié)果。

用三坐標(biāo)檢測(cè)儀對(duì)通徑心軸壓淬工件的內(nèi)花鍵圓度[3]進(jìn)行了逐點(diǎn)檢測(cè)，結(jié)果如圖8所示。之后采用帶高點(diǎn)心軸二次壓淬，我們?cè)儆萌鴺?biāo)檢測(cè)儀對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖9所示。

圖6 局部帶高點(diǎn)的心軸

圖7 采用局部帶高點(diǎn)的心軸壓淬后的檢測(cè)結(jié)果

圖8 通徑心軸壓淬后的內(nèi)花鍵圓度

圖9 帶高點(diǎn)心軸壓淬后的內(nèi)花鍵圓度

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，原本只有一對(duì)高點(diǎn)的工件，在經(jīng)過(guò)帶有高點(diǎn)的專(zhuān)用壓淬心軸壓淬后將高點(diǎn)進(jìn)行了分化，變成多個(gè)高點(diǎn)，但原先高點(diǎn)的幅度明顯降低，直觀(guān)反映為圓度數(shù)值明顯降低，使最終結(jié)果滿(mǎn)足了技術(shù)要求。通過(guò)多批跟蹤檢測(cè)，整體加工合格率得到了大幅提升。但美中不足的是，由于采用帶高點(diǎn)的專(zhuān)用工裝壓淬時(shí)，工件與壓淬心軸必須要有相應(yīng)的對(duì)應(yīng)位置，因此導(dǎo)致加工效率要比一次壓淬時(shí)低一些。

通過(guò)對(duì)各種加工路線(xiàn)、流程對(duì)比后，重新確定了經(jīng)濟(jì)有效的工藝路線(xiàn)如下：熱處理前半成品→滲碳空冷→開(kāi)A、B缺口→壓淬→拋丸→回火→檢驗(yàn)→熱處理后平磨。

目前，該工件已形成了量產(chǎn)，質(zhì)量較為穩(wěn)定。

6 結(jié)束語(yǔ)

1）產(chǎn)品形狀的不對(duì)稱(chēng)差異對(duì)熱處理變形的影響極其嚴(yán)重，圓周上應(yīng)力分布不均勻是造成圓度變形最主要的原因，因此應(yīng)盡量將不對(duì)稱(chēng)部位放到熱處理后再加工。

2）常規(guī)結(jié)構(gòu)的壓淬心軸在解決外圓形狀不對(duì)稱(chēng)工件的變形問(wèn)題上效果不佳，宜采用特殊結(jié)構(gòu)的專(zhuān)用工裝解決壓淬變形。

3）對(duì)于薄片件的平面控制要采用專(zhuān)用工裝壓緊回火，盡量減輕對(duì)薄片件端面的沖擊應(yīng)力。

4）嚴(yán)格控制材料的成分及末端淬透性，以穩(wěn)定工件熱處理變形的一致性。

5）工藝路線(xiàn)的確定要充分考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。