花鍵變形與控制

文／郝以領(lǐng)，張延森，于明星·一拖(洛陽(yáng))鑄鍛有限公司

張浩·寧夏長(zhǎng)慶石油機(jī)械制造有限責(zé)任公司

在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，不同的鍛造方式，不同的熱處理工藝，感應(yīng)淬火后對(duì)花鍵的尺寸產(chǎn)生不同的變化。在新產(chǎn)品調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題，本文主要介紹兩種帶漸開線花鍵的驅(qū)動(dòng)輪軸，在感應(yīng)淬火前、后出現(xiàn)的尺寸變化及解決方法。

鍛造加工是依靠沖擊或擠壓的方式，將材料在不同的模具內(nèi)，以塑性變形方式改變其形狀但不改變其質(zhì)量及材料成分的情況下，得到所要求的形狀、尺寸及機(jī)械性質(zhì)的零件。鍛造加工可控制金屬的流動(dòng)及晶粒的結(jié)構(gòu)，使得鍛造的零件具有良好的機(jī)械強(qiáng)度及韌性，需要承受高負(fù)載及高使用頻率的機(jī)械零件，通常采用的鍛造方式有鐓粗類和拔長(zhǎng)類。對(duì)帶盤的驅(qū)動(dòng)輪軸，多采用大盤鐓粗成形工藝；對(duì)不帶盤的驅(qū)動(dòng)輪軸，多采用桿部拔長(zhǎng)成形工藝。中碳鋼料進(jìn)行鍛造加工以后，必須實(shí)施淬火處理，以提高其表面硬度。本研究針對(duì)不同成形工藝的鍛造毛坯，采用不同的熱處理工藝條件實(shí)施淬火處理，分別觀察顯微組織、測(cè)試硬度，探索不同鍛造方式及不同熱處理工藝后零件尺寸的變化規(guī)律，并進(jìn)行相應(yīng)控制的方法，以保證產(chǎn)品尺寸符合圖紙要求，供碳鋼鍛件淬火和機(jī)加工時(shí)參考。

探索方向

圖1 是一種帶盤的驅(qū)動(dòng)輪軸產(chǎn)品，主要應(yīng)用于工程機(jī)械，如平地機(jī)、裝載機(jī)行走輪的驅(qū)動(dòng)軸。淬火部位及層深、硬度要求：小端花鍵部位硬化層7 ～12mm(檢測(cè)部位離端面5.5mm 處)，表面硬度要求52 ～57HRC。加工精度要求：外花鍵跨棒距M值為71.93mm。感應(yīng)淬火區(qū)域超過530mm。根據(jù)產(chǎn)品圖的要求，設(shè)計(jì)了淬火工藝，通過編程可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)淬火過程，從裝卡位置的上端開始淬火，采用掃描淬火、變速移動(dòng)、選點(diǎn)停頓等手段，優(yōu)化淬火過程，產(chǎn)品在試制過程中，發(fā)現(xiàn)花鍵尺寸的變形是最不易控制的。經(jīng)過多次工藝優(yōu)化，最終找到合適的淬火參數(shù)，減少了花鍵變形，彌補(bǔ)了線尺寸變化，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

圖1 產(chǎn)品裝卡位置及淬火位置圖

工藝方案

方案一

按工藝方案一做了5 件產(chǎn)品，銑花鍵后M 值要求71.93mm。實(shí)測(cè)71.92 ～71.88mm，熱處理后實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)跨棒距發(fā)生了較大變化，開始點(diǎn)花鍵M值在71.96 ～71.92mm，花鍵通規(guī)通，結(jié)束點(diǎn)花鍵M 值在71.87 ～71.85mm，花鍵止規(guī)止不住。花鍵硬化層形狀見圖2。

圖2 花鍵硬化層形狀

方案二

圖3 淬火后的花鍵

方案三

根據(jù)花鍵熱處理后尺寸變化規(guī)律和產(chǎn)品圖硬化層位置要求，淬硬層從端面12.5mm 位置開始檢測(cè)，所以，端面部位不淬火是符合圖紙要求的。再次對(duì)該批樣軸進(jìn)行調(diào)試，主要是調(diào)整淬火開始點(diǎn)位置(微量上移)。同樣做標(biāo)識(shí)，測(cè)量淬火前后的M 值，這樣處理的花鍵，硬化層形狀檢測(cè)如圖4 所示。開始點(diǎn)的部位花鍵脹0.01 ～0.03mm，結(jié)束點(diǎn)的部位花鍵縮0.01 ～0.03mm。花鍵熱處理前的M 值只要在71.88 ～ 71.90mm 之間，熱處理后就是合格的。

圖4 硬化層形狀

按照工藝方案三，產(chǎn)品感應(yīng)淬火后，要用花鍵綜合檢規(guī)100%檢測(cè)花鍵開始點(diǎn)變形量。為降低超差風(fēng)險(xiǎn)，先做4 件，主要是摸索不同加熱始點(diǎn)位置對(duì)花鍵熱處理后M 值的影響規(guī)律。測(cè)量結(jié)果如表1 所示，發(fā)現(xiàn)花鍵改變淬火始點(diǎn)后尺寸變化量是0.010～0.030mm，而不是從端面開始淬火的0.040～0.080mm。

表1 改變淬火始點(diǎn)后花鍵M 值

說明選擇合適的加熱開始點(diǎn)，也可以影響M 值的變化量，從而找到工藝優(yōu)化點(diǎn)。按照這個(gè)思路，增加了取樣數(shù)量，試驗(yàn)了20 件，做了分組標(biāo)記，淬火后工件在臺(tái)車回火爐中進(jìn)行150℃回火，到溫保溫3h。降溫出爐時(shí)發(fā)現(xiàn)，距端面6mm 處開始加熱的樣件有3 件出現(xiàn)端面環(huán)形裂紋。檢測(cè)花鍵變形全部合格，檢測(cè)有裂紋的工件主要是端面過燒造成的。8mm 開始位置和10mm 開始位置的無(wú)裂紋出現(xiàn)。這說明，加熱開始點(diǎn)過長(zhǎng)，M 值變大過多；加熱開始點(diǎn)過短，M值變大較小，但有淬裂風(fēng)險(xiǎn)。選9mm 作為優(yōu)化后的加熱開始點(diǎn)是比較合適的，但又發(fā)現(xiàn)了線尺寸有較大的變化。經(jīng)測(cè)量對(duì)比，變化規(guī)律見表2。

表2 線尺寸變化規(guī)律

優(yōu)化后工藝及線尺寸控制

工藝優(yōu)化后處理的花鍵變形控制在很小范圍內(nèi)，裂紋風(fēng)險(xiǎn)消除，經(jīng)線尺寸的進(jìn)一步摸索，基本都在變長(zhǎng)0.4mm 左右，掌握了變化規(guī)律，問題就好解決了。具體優(yōu)化措施如下。

⑴精車工序。設(shè)備采用數(shù)控車，工藝采用雙頂尖定位，為了消除因中心孔深度誤差引起的線尺寸變化，機(jī)床配置了馬波斯量?jī)x來提高定位精度。對(duì)已變長(zhǎng)的零件增加精車端面工序，來保證線尺寸和安裝距在圖紙要求的公差內(nèi)。對(duì)后續(xù)零件的處理方式是在零件熱處理前的精車序，將該線尺寸提前減小0.4mm，加工到507.6mm，熱處理后尺寸自動(dòng)回歸到50mm，保證了線尺寸的合規(guī)。

⑵熱處理工序。優(yōu)化了過程參數(shù)，由于淬火機(jī)床是PLC 控制，調(diào)整參數(shù)簡(jiǎn)單便捷，調(diào)整了掃描加熱速度，降低加熱開始點(diǎn)的掃描速度，提高花鍵終止點(diǎn)的掃描速度，這樣由于端面溫度高，塑性好，加熱時(shí)尺寸膨脹可以向端面移動(dòng)，組織應(yīng)力可以沿軸向釋放，冷卻時(shí)組織轉(zhuǎn)變的應(yīng)力也可以減少，從而降低了M值的變化范圍，檢測(cè)脹量在0.010 ～0.015mm。壓縮了跨棒距的變動(dòng)范圍，M 值更趨穩(wěn)定。

⑶銑花鍵工序。采用數(shù)控花鍵銑床，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)采用FANUC 0i—MD 六軸控制數(shù)控系統(tǒng)，可靠性高，保護(hù)功能完善，配置了單向?qū)Φ堆b置。對(duì)花鍵一端脹一端縮的零件，可以實(shí)現(xiàn)熱處理后修復(fù)。對(duì)個(gè)別花鍵一端脹一端縮的變量較大的零件，也可以采用熱處理前插補(bǔ)銑，將花鍵加工成帶錐度的，使熱處理后M 值正好回歸到公差范圍內(nèi)，強(qiáng)大的自動(dòng)控制手段，為產(chǎn)品質(zhì)量保證提供了堅(jiān)強(qiáng)的支撐。

不帶盤的花鍵軸的研究

圖5 是一種不帶盤的花鍵軸，是拖拉機(jī)用驅(qū)動(dòng)軸，淬火后發(fā)現(xiàn)花鍵及線尺寸的變化又有所不同，經(jīng)過20 件的精加工、淬火、回火、測(cè)量，發(fā)現(xiàn)熱處理后的M 值是變大的，基本在0.01 ～0.03mm 間；而線尺寸是變小的，基本在0.15 ～0.2mm。和帶盤的驅(qū)動(dòng)輪軸變化相反，應(yīng)該與鍛造成形方式不同有關(guān)。帶盤驅(qū)動(dòng)輪軸的成形屬于鐓粗類成形，在鍛造過程中，驅(qū)動(dòng)輪軸的桿部是不發(fā)生形變的，它的成形主要是棒料聚集然后鐓粗成形大盤；而不帶盤的驅(qū)動(dòng)輪軸，其成形工藝屬于拔長(zhǎng)類成形，在鍛造過程中，桿部要經(jīng)過拔長(zhǎng)，發(fā)生形變。熱處理后取樣分析時(shí)通過觀察金相組織發(fā)現(xiàn)，兩種不同的成形方式在花鍵部位有很大差別。所以，可以采用對(duì)應(yīng)的方法去控制M 值，其控制方法類同帶盤驅(qū)動(dòng)輪軸，不再贅述。當(dāng)然，在開發(fā)過程中也出現(xiàn)了如圖6 的淬裂現(xiàn)象，不在本文研究范圍，有興趣的同行，可以單獨(dú)聯(lián)系探討。

圖5 不帶盤的花鍵軸

圖6 特殊淬裂現(xiàn)象

結(jié)束語(yǔ)

通過多次試驗(yàn)，找出變形規(guī)律，分析變形原因，采取相應(yīng)措施，控制或彌補(bǔ)變形量，滿足了新產(chǎn)品開發(fā)節(jié)點(diǎn)，保證了批量生產(chǎn)的穩(wěn)定性，降低了公司損失，希望對(duì)同行兄弟單位有所幫助或借鑒。