淺談汽車板簧自由淬火熱處理工藝

徐賢豐

（新疆八鋼金屬制品有限公司，新疆烏魯木齊 830022）

引言

鋼板彈簧是汽車懸架中應用最廣泛的一種彈性元件，它是由若干片等寬但不等長（厚度可以相等，也可以不相等）的合金彈簧片組合而成的一根近似等強度的彈性梁。當鋼板彈簧安裝在汽車懸架中，所承受的垂直載荷為正向時，各彈簧片都受力變形，有向上拱彎的趨勢。這時，車橋和車架便相互靠近。當車橋與車架互相遠離時，鋼板彈簧所受的正向垂直載荷和變形便逐漸減小，有時甚至會反向。扁平長方形的鋼板呈彎曲形，以多片或少片疊成的底盤用彈簧，廣泛用于非獨立懸架上。

在鋼板彈簧的生產過程中，其中一個關鍵步驟是簧片淬火處理，該步驟的生產加工質量直接影響板簧的出廠質量和后期安裝可靠性。

目前國內汽車板簧廠家約150 家，各家板簧企業在汽車板簧熱處理生產時，基本都是采用的成型熱處理工藝，即板簧加熱至一定溫度后，通過模具（或夾具）使其彎曲到一定的曲率，然后模具（或夾具）繼續夾持的同時入油淬火冷卻。待板簧冷卻到一定的溫度后，模具松夾，成型淬火完成。這種淬火方式也稱約束淬火，整個生產過程基本都是人工操作完成，僅有部分企業采用機器人操作，代替人工完成。

近幾年，行業內自動化設備更新發展迅速，板簧熱處理工藝也有了顛覆性的變化，自由淬火已在部分板簧企業成熟應用。八鋼金屬制品有限公司2021年也新上一條全自動熱處理生產線，該條生產線的淬火方式采用自由模式。即板簧片經過加熱達到工藝溫度后，上料機器人從爐內取料并將其放置到成型壓力機上（如圖1 所示），壓力機啟動，中間段先壓緊固定，然后上模具下行，按照調整好的曲率完成曲率成型。取料機器人抓取工件后放置到淬火油池的升降支架上。升降支架下行，板簧片入油在油中開始冷卻，簧片在油槽內持續冷卻完成淬火。

圖1 熱成型壓力機示意圖

1 熱處理工藝

對于板簧自由淬火來說，其熱處理工藝主要有兩個方面：一是板簧片淬火過程能否完成材料的組織完全轉變，達到淬火馬氏體組織，得到對應的硬度；二是板簧片淬火后曲率是否與設計的一致，與其他板簧片組裝后片間隙配合緊密，滿足板簧總成的機械性能。

板簧片淬火后組織完全轉變，達到淬火馬氏體組織主要取決于淬火前簧片溫度以及入油后的冷卻速度。淬火前簧片溫度結合多年來現場生產經驗，只要保證板簧片入油前溫度達到890 ℃以上即可，為了驗證自由淬火冷卻方式，以20*100 規格50 CrV 材質料為實驗對象，多次現場淬火后對其表面進行硬度檢測，檢測數據如表1所示，通過硬度值檢測發現，每次淬火后總有個別點硬度出現偏低的現象。為此，技術人員對現場淬火油槽的管路設計、油的循環方式、攪拌方式、流量大小、油的噴射方向等多個因素逐項排查，最終查明造成板簧片軟點的原因，是因為循環管道接入方式采用端部接入式造成的，即遠端的出口壓力相對較小，在油噴射出后流速相對較慢冷卻能力偏弱，繼而出現簧片淬火軟點現象，通過現場改進（將循環管道接入方式采用中心接入）此問題得以解決。再次試驗，簧片硬度均在HRC53-57之間，試驗記錄見表2所示，淬火后硬度符合工藝要求。

表1 首次試驗數據結果統計表

表2 改進后試驗數據結果統計表

2 熱成型曲率樣板制作

自由淬火與約束淬火使用的熱成型曲率樣板有著本質的區別，傳統的約束淬火使用的熱成型曲率樣板，在忽略淬火過程中因組織發生轉變而產生的應力造成的曲率變化的前提下，板簧產品的淬火后曲率與熱成型曲率基本一致。而自由淬火使用的熱成型曲率則不同，主要是因為在熱成型后，簧片還處在高溫狀態，板簧片會有一個自然反彈，如圖2所示，熱成型簧片樣板的曲率為R2，在熱成型后，簧片會有反彈現象，簧片兩端會自然撬起，在入油前簧片的曲率實際已變成R1。根據現場數次試驗情況，不同的材質、不同的規格、不同的長度在正常的淬火爐溫下的曲率變化量不同，即在全長上對應的高度有明顯的變化，即由原來的H2 降低為H1，整個熱成型過程如圖3所示。因此，成型曲率樣板是最終保障產品是否合格的最重要因素。

圖2 板簧熱成型入油前曲率變化示意圖

圖3 熱成型過程示意圖

3 推導熱成型曲率變化公式

為了進一步推導出熱成型曲率變化的規律，制作出生產現場所需的熱成型曲率樣板，進行了數次試驗，以20*100規格的51CrV4為例，試驗數據如表3所示。

表3 試驗數據收集表（單位：mm）

從表3 的數據中可以看出，第9 組數據異常，考慮到是試驗過程中受多方面因素影響將其舍棄，求得其他9組數據的均值為26.89 mm，再按照此變化量制作生產用熱成型曲率樣板，經現場驗證，熱處理后產品合格，符合工藝要求。

按照此試驗方法，分別對厚度16、18、25 mm 等各規格產品進行試驗，并對試驗結果分析整理，最終推導出板簧成型曲率變化后弧高變形量的計算公式。

H=（L3-S3）/h3*A 單位：mm

其中：H-簧片弧高變形量

L-簧片的伸直長度

S-簧片中間平直段長度

h-簧片的厚度

A-系數

對于厚度16 mm 厚的原料，經大量數據驗證，系數A為0.0000416，其他厚度的板簧均對應一個系數，此次不做贅述。

4 結論

經過現場大量試驗工作，對數據統計分析，最終推導出不同厚度熱成型的變化量弧高計算公式，再結合板簧片理論弧高值，即可計算出自由淬火壓型曲率樣板的相關數據。制作出生產用的曲率壓型樣板，實現正常生產。目前公司的熱處理自由淬火自動生產線全面投入應用，今年該條共計生產6500噸，人均班產量提高了260%，完成總產量的42%，自動化設備的功能正在逐步發揮其巨大的作用。目前熱處理自動生產線雖然已經批量化生產，但在生產過程中發現不同廠家的原材料、環境溫度、淬火介質等對簧片變形量也會產生輕微的影響，還需要在今后生產過程中，繼續不斷探索研究。繼續提高產品質量，改進熱處理工藝。使得自動化設備最大限度地發揮功能，為公司的高質量發展發揮作用，提高企業核心競爭力。