熱處理技術在機械制造過程中的應用

史紅艷，夏靜文，楊 晉，趙超改

(1.山西工程職業(yè)學院，山西 太原 030009；2.山西北方機械制造有限責任公司，山西 太原 030009)

近年來，我國航空航天、武器裝備等領域?qū)Ξa(chǎn)品輕量化設計、高強度高硬度新材料的應用及智能制造技術要求越來越高，與之密切相關的熱處理技術已經(jīng)成為機械加工中一個必不可少的工藝方法，但工藝技術人員在應用熱處理方法與安排熱處理工序在工藝路線中的位置時感到迷惑，甚至無從下手，主要原因是相關工作者缺乏解決實際生產(chǎn)矛盾的經(jīng)驗及對熱處理知識的匱乏，而從工藝路線角度劃分熱處理方法具有重要的指導意義，便于理解、掌握與應用。“選對、應用好熱處理方法，充分發(fā)揮熱處理技術在制造全過程中的作用，提升制造技術，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高加工效率”是機械制造業(yè)永恒的主題。

1 熱處理工藝方法

熱處理是將工件放在特定的介質(zhì)中加熱、保溫和冷卻，通過改變工件表面的化學成分或內(nèi)部顯微組織，賦予或改善工件的使用性能，使其具有所需要的力學性能、物理性能和化學性能[1]。熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學成分，可能安排在制造過程中的初始工序、中間工序、結(jié)尾工序，它受工件材料、結(jié)構(gòu)特征、使用功能、使用環(huán)境、變形程度等影響，同時受前后工序的制約，有時多種熱處理方法貫穿于一些大型精密或特殊要求工件的全制造過程中。

談到熱處理，人們通常會想到4把火——退火、淬火、回火、正火[2]。對于熱處理工程師來說，設計熱處理工藝、處理過程中的問題、滿足性能要求等是其主要任務，但具體到某種“火”被安排在工藝流程中的某個環(huán)節(jié)，就需通曉相關專業(yè)的工藝人員了解工件技術要求、材料、規(guī)格及形狀尺寸、熱處理性能、熱處理效果等，在此基礎上排兵布陣，通盤布局，制定出合理可行的工藝方案，保證產(chǎn)品加工質(zhì)量。此外，制定好工藝方案與熱處理方法還需技術人員從學科的本質(zhì)出發(fā)，追根溯源，梳理制造中的矛盾點、問題點，挖掘優(yōu)質(zhì)、高效、低能耗的加工思路，抓住關鍵點，將熱處理高度融合在制造的關鍵節(jié)點上，并將制造技術與制造工藝相結(jié)合，打造高質(zhì)量的產(chǎn)品，打造與社會需求相符的產(chǎn)品，獲得更多的經(jīng)濟利益與社會效益，促進國民經(jīng)濟的發(fā)展。

2 熱處理在機械過程中的應用

熱處理在機械制造中的應用內(nèi)容較多，技術人員在應用時存在專業(yè)間隔閡、融合度低等問題。按照熱處理在工藝路線中工序位置的不同將熱處理劃分為預先熱處理工序、中間熱處理工序及最終熱處理工序等3種類型，并結(jié)合生產(chǎn)實踐梳理在制造過程中常用但難掌握、易忽視的技術點，與大家共同探討。

2.1 預先熱處理工序

2.1.1 型材毛坯熱處理

工件毛坯為長徑比較大的棒料、管件及板材等型材時，坯料調(diào)質(zhì)為預先熱處理，一般安排在機械加工之前進行，通過淬火與高溫回火的預先熱處理可使工件具有良好的綜合力學性能，改善切削性能，減少最終熱處理變形。材料屈服強度等級、力學性能取樣位置、樣件的尺寸規(guī)格等依據(jù)產(chǎn)品圖樣技術要求及相關的行業(yè)或國家標準執(zhí)行，并經(jīng)過拉伸試驗、沖擊試驗、硬度試驗及彎曲試驗等[3]，當力學性能檢測數(shù)據(jù)達到力學性能的要求后坯件轉(zhuǎn)入機械加工。

2.1.2 鑄鍛造毛坯熱處理

鑄造、鍛造毛坯成型后應盡量直接退火、正火，若條件允許增加時效處理，該熱處理工序為預先熱處理，一般安排在機械加工之前進行。熱處理可細化鋼的晶粒，減少組織的不均勻性，消除工件在制造毛坯中出現(xiàn)的內(nèi)應力，降低鋼的硬度，改善切削性能。對于鋁合金類的鑄件則需要固溶處理與長時間的時效處理，減小變形。

2.2 中間熱處理工序

2.2.1 實芯毛坯熱處理

當零件為內(nèi)部是腔體、通孔或異性件，毛坯為實芯料(如鍛件、方料)時，在零件粗加工去除余量后應安排調(diào)質(zhì)、去應力等中間熱處理工序，如零件材料有性能要求則進行調(diào)質(zhì)，若無性能要求則安排消除應力的時效處理，以減少內(nèi)應力變形對后續(xù)加工的影響。

2.2.2 筒軸類零部件時效處理

高精度筒類零部件，尤其是薄壁深孔(焊接)類零件，工藝流程較長，加工中易變形，影響尺寸精度與形位精度，為此需在半精加工之后、精加工之前安排消除內(nèi)應力的時效工序。此外，對于長軸類零件，為保證直線度，中間穿插的冷校正工序如采用穩(wěn)定化時效處理，粗加工后及冷作后的消除應力處理。為防止或減小彈后效應，如不允許冷校正時，也可利用材料的相變超塑特性進行壓力淬火和淬火后的回火熱定形等措施。對于一些重要的缸筒類零件，內(nèi)孔半精加工完成高壓試驗后，需采用穩(wěn)定化熱處理的方法，控制彈塑性變形。

2.2.3 焊接件熱處理

大型復雜框架類、筒體類等焊接件[4-5]設計工藝路線應從整個工藝過程考慮減小時效變形的裝配焊接、去應力退火、機械加工的順序，要求焊后及時消除焊接殘余內(nèi)應力，降低產(chǎn)生冷裂紋的傾向。對于鋁合金[6]、鈦合金[7]等新材料，在安排固溶熱處理、退火及去應力退火等工序時，更要充分考慮變形量的控制，加工尺寸的穩(wěn)定，保證零件的精度要求。

案例分析：某典型缸筒類零件，屬于薄壁深孔焊接件(見圖1)，筒體上焊接管接頭，總長約為2 m，壁厚值最小為6 mm，最大為15 mm，內(nèi)孔要求鍍鉻，鍍層為0.05～0.07 mm，尺寸精度為IT9級，表面粗糙度為Ra0.4 μm，圓柱度為0.05 mm。筒體坯件為無縫鋼管，材料為優(yōu)質(zhì)合金鋼，性能要求高。

圖1 某典型缸筒件

工藝路線為：筒體下料→粗加工→調(diào)質(zhì)→性能試驗→一次半精加工→壓力試驗→穩(wěn)定化處理→焊接→回火消除焊接殘余應力→探傷→二次半精加工內(nèi)孔→去應力→精鏜孔→珩磨孔→其他輔助工序→鍍鉻→高壓試驗→外表面涂漆。

工藝路線設計4次熱處理工序和1次化學表面處理工序，保證成品件的尺寸精度與形位精度。設計的重點內(nèi)容如下：1)為減少變形，熱處理技術選用井式爐，采用垂直吊裝的方式，此外設計有效的工藝參數(shù)；2)設計工序余量，在盡量降低工序余量的前提下，既要考慮切削的順暢，又要考慮熱處理的有效性，缸筒坯件在粗加工后壁厚應保證試料的尺寸要求，工序余量約為10 mm，半精鏜工序余量約為3 mm，精鏜工序余量為0.5 mm以下；3)工藝尺寸公差分配采用尺寸鏈[8](見圖2)計算，內(nèi)孔尺寸公差為0.1 mm，其中鍍層雙邊尺寸公差為0.04 mm，鍍鉻前機械加工孔尺寸公差為0.06 mm，上偏差為+0.2、下偏差為+0.14。

圖2 工藝尺寸鏈

2.3 最終熱處理工序[9-12]

2.3.1 表面熱處理

表面熱處理方法(見表1)分為化學熱處理與表面淬火，其中化學熱處理有滲碳、滲氮、碳氮共滲等3種，每種方法各有優(yōu)缺點，其中氣體滲碳氮、電子與激光淬火為表面熱處理發(fā)展方向，方法主要應用在工藝路線的結(jié)尾工序，應關注的工藝要點如下。

表1 表面熱處理方法與應用

1)滲碳零件熱變形大，熱處理后需精加工，保證零件精度，為此工藝設計時應考慮工序余量，在磨削零件表面后既能消除變形量，又能控制滲碳層深度，值得注意的是熱處理前后均應抽樣檢測滲層深度。設計工藝時應引入尺寸鏈，與缸筒件鍍鉻尺寸鏈方法相同，依據(jù)加工工序繪出尺寸鏈簡圖，以最終尺寸為封閉環(huán)，滲層深度與熱處理前尺寸為組成環(huán)，精準地計算出熱處理前工序尺寸及精度，保證零件熱處理后精磨每個零件均合格。由于零件的復雜程度不同，尺寸鏈難易程度不同，但原理相同。

2)滲氮零件熱變形較小，熱處理前將零件加工至成品尺寸，熱處理后一般無需磨削，經(jīng)過研磨、拋光即可轉(zhuǎn)入裝配工序。

3)對表面熱處理的零件，在處理時對零件上不需要淬硬處應注意保護，或者安排后續(xù)工序切除滲層，最后精加工；對于精度高的工件表面淬火后應磨削，若精度低，可直接轉(zhuǎn)下道工序。

2.3.2 其他最終熱處理

紫銅件(如墊片)的退火處理安排在工藝過程的最后進行，可降低硬度和應力，提高韌性和塑性，降低裂紋傾向。彈簧熱處理大多數(shù)在成型后進行，處理方法是淬火中溫回火，保證彈簧鋼彈性極限和屈服極限高，且有一定的韌性。

3 熱處理在工藝路線設計中應注意的關鍵點

3.1 熱處理在整個工藝路線中的順序

設計熱處理在整個工藝路線中的順序是制造產(chǎn)品的首要任務與關鍵點之一，依據(jù)產(chǎn)品圖樣上的材料和技術要求安排熱處理在工藝路線中的順序是制定工藝方案的原則，此外，為避免機械加工與熱處理加工間的工藝脫節(jié)，在制定工藝方案和組織生產(chǎn)準備時，各專業(yè)的技術人員應互相溝通，處理好熱處理與前后工序間的關系，共同解決工藝上的難點。在保證質(zhì)量的前提下，結(jié)合生產(chǎn)條件，對技術路線進行全面分析論證，以最小的加工余量、最優(yōu)的工藝方法、最優(yōu)的工藝路線完成工藝設計，保證產(chǎn)品精度。在生產(chǎn)實際中，往往會遇到結(jié)構(gòu)復雜的零部件，全工藝流程長且涉及包括熱處理在內(nèi)的多個工種，在工藝設計時應兼顧每個工種的實際加工能力全盤考慮，合理安排工序，使產(chǎn)生變形大的工種分散開，并在相鄰的后續(xù)工序中安排去應力及機械加工等工序，使工種間的精度有效地結(jié)合，達到多工種工藝協(xié)調(diào)的最優(yōu)化，一般以熱處理工序為界劃分不同的加工階段。

3.2 熱處理與機械加工之間的工藝尺寸公差分配

熱處理和機械加工之間的工藝尺寸公差分配是制造產(chǎn)品的第2個任務與關鍵點，滿足產(chǎn)品圖樣上所規(guī)定的尺寸公差是制定工藝方案的另一個原則，整個工藝過程的所有工序最終應達到產(chǎn)品的尺寸精度，公差分配的方案可參考理論值、經(jīng)驗數(shù)據(jù)、工藝試驗、尺寸鏈等確定。在設計工藝內(nèi)容時，應考慮零件的外形結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、中間各工序水平、熱處理應力狀態(tài)等的條件，平衡各工序間的公差分配和中間工藝尺寸的相互要求。在工藝設計半成品的中間交接尺寸時，應考慮加工余量因素，工藝設計有效硬化層為產(chǎn)品圖樣規(guī)定層深與單面加工余量之和，若受客觀條件的限制，難以解決熱處理變形時，機械加工與熱處理的工程師應注意對熱處理后的最大允差，控制變形量，使之留有足夠的加工余量。

3.3 熱處理變形量的修正和補償

在實際生產(chǎn)中，大型復雜焊接件、細長筒軸類零件在熱處理后產(chǎn)生規(guī)律性的熱變形量，可采用熱處理前尺寸規(guī)律性預修正以補償熱處理變形的方法，將熱處理變形量補償于上道工藝尺寸上。如軸類件校正后去應力熱處理后產(chǎn)生的變形可通過校正量及方向提前控制。

3.4 零件熱處理工藝性

零件熱處理工藝性，是指零件結(jié)構(gòu)在滿足使用性能的條件下，零件在熱處理過程中能順利實施，并有利于保證零件的熱處理質(zhì)量。熱處理件包括毛坯、半成品及成品，為避免產(chǎn)生過量變形、翹曲、超差和開裂等缺陷，在遵循零件結(jié)構(gòu)設計原則“零件的截面與厚度力求均勻，避免尖角，盡可能采用封閉、對稱結(jié)構(gòu)，采用組合、鑲拼結(jié)構(gòu)[13]”的基礎上，應對易忽視的中間工序的半成品注意熱處理工藝性，對于長筒軸類工件在調(diào)質(zhì)、去應力退火時內(nèi)孔與外圓階梯處設計為過渡圓角，兩端口部內(nèi)外倒角，減少應力集中；對于毛坯為實料，成品為腔體或通孔件，熱處理前應盡可能設計為盲孔與通孔，同時要求零件的形狀盡可能簡單。

3.5 熱處理工藝的控制要點

熱處理工藝的控制要點如下：1)減小材料因素對公差分配的影響，同一鋼號、不同爐號材料的淬透性控制在一個窄的范圍內(nèi)波動，保證產(chǎn)品熱處理后尺寸和形狀精度；2)提高熱處理工藝和裝備的控制水平，采用先進工藝，改善加熱、淬火冷卻和氣氛介質(zhì)的均勻性；3)長徑比較大的筒軸類零件采用垂直吊裝方式熱處理，受熱均勻，控制彎曲變形；4)熱處理取樣依據(jù)生產(chǎn)類型與相關標準確定，但總體原則為單件或少量生產(chǎn)時，本體加長帶出試樣，批量生產(chǎn)時，增加坯件，單獨提供試樣，試樣應與零件一起進行全部熱處理，所有力學性能試樣應與所代表的零件同牌號、同爐批號；5)零件在熱處理前后可安排探傷工序，以便及早發(fā)現(xiàn)裂紋、夾渣等疵病；6)熱處理工藝人員在制定工藝時應充分考慮與前后工序的相關要求。

4 結(jié)語

熱處理技術是機械制造的重要手段，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計與工藝設計階段均需運用并處理好熱處理在工藝路線的順序及方法等，當工序間產(chǎn)生矛盾時，應統(tǒng)籌安排，綜合考慮，找出主要問題，予以妥善解決，使零部件在各個生產(chǎn)階段都具有良好的工藝性。