遼寧省撫順市撫東機械廠生產(chǎn)的一薄壁齒輪,如圖1所示。材料為20Cr2Ni4A鋼,其化學成分見表1。技術(shù)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(nèi)孔圓度≤0.25mm。
圖1 薄壁齒輪
表1 20Cr2Ni4A鋼薄壁齒輪化學成分(質(zhì)量分數(shù))(%)
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(chǎn)生翹曲的實際問題,但是忽略了零件的薄壁特點,只采用內(nèi)孔加裝淬火芯軸,控制內(nèi)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(xiàn)“喇叭口”形狀,且圓度達到1.0mm以上,嚴重影響到零件的后續(xù)加工,甚至因尺寸變化直接報廢。
一、原因分析
由于薄壁類齒輪零件產(chǎn)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(chǎn)生的原因主要有兩點:1)雖然在淬火芯軸的控制下,內(nèi)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(yīng)力、熱應(yīng)力的作用而產(chǎn)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(chǎn)生的變形在工藝要求范圍內(nèi)。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(xiàn)變形的部位未加以限制。根據(jù)經(jīng)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(xiàn),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(xiàn)熱脹冷縮不協(xié)調(diào)的現(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)品質(zhì)量,造成損失。
二、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(xié)調(diào),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(jù)零件結(jié)構(gòu)特點和實際生產(chǎn)所使用的淬火設(shè)備狀況,設(shè)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(chǎn)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
1.芯軸2.內(nèi)壓模3.下模4.滑塊5.外壓模
6.墊圈7.六角頭螺栓
為解決零件的畸變,根據(jù)零件形狀的特點重新設(shè)計了淬火壓模。該套淬火壓模主要由外壓模、內(nèi)壓模、下模、6塊滑塊、芯軸等組成,如圖3~圖7所示。
圖3 外壓模
圖4 內(nèi)壓模
圖5 淬火下模
圖6 滑塊
圖7 芯軸
淬火壓模中的滑塊由螺栓聯(lián)接在外壓模上,外壓模通過螺桿聯(lián)接在淬火壓床上。由于外壓模聯(lián)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(nèi)壁15°斜面移動,在內(nèi)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(xiàn)了用淬火壓?？刂屏慵冃蔚哪康?。1)將滑塊聯(lián)接在外壓模上,并保持滑塊始終處于自由狀態(tài),不得有卡滯現(xiàn)象。2)將外壓模、內(nèi)壓模聯(lián)接在淬火壓床上,并提升至規(guī)定高度,將淬火壓床的控制按鈕調(diào)至自動位置。5)按動淬火壓床上的控制按鈕,內(nèi)外壓模同時下落,當內(nèi)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。
在淬火壓床上進行淬火時,淬火壓床的壓力可以根據(jù)淬火時出現(xiàn)的不同情況適時地進行調(diào)整,使零件在淬火過程中始終處于壓力淬火的狀態(tài)。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(xiàn)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(nèi)。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(xiàn)象未再出現(xiàn);φ115mm的內(nèi)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。
三、工藝分析及體會
薄壁類零件截面差較大,其變形規(guī)律為內(nèi)孔縮小和端面翹曲變形,是在各種復(fù)雜應(yīng)力綜合作用下產(chǎn)生的結(jié)果。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(chǎn)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(jù)零件的形狀和我公司淬火設(shè)備的特點,將淬火工裝加以改進,外壓模的內(nèi)壁設(shè)計成15°的斜面。2)根據(jù)淬火設(shè)備的特點,將滑塊的一端設(shè)計成15°的斜面,使之與外壓模的內(nèi)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(nèi)壁下落過程中,就不會出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象。4)在淬火下模的端面加工出36個凹槽,滑塊側(cè)面加工6個孔,這樣的設(shè)計有利于零件在淬火過程中淬火油的循環(huán)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(shù)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(xiàn)卡滯現(xiàn)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(yīng)力和組織應(yīng)力的綜合作用下,使零件的薄壁處尺寸脹大,呈現(xiàn)“喇叭口”現(xiàn)象。原來的淬火工藝方案中,零件在淬火過程中產(chǎn)生的各種應(yīng)力得不到有效限制,故不能滿足工藝的技術(shù)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(yīng)力趨于平衡,限制了零件翹曲變形現(xiàn)象的發(fā)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(wěn)性等都會影響零件的變形。在實際生產(chǎn)中還要嚴格控制各種滲劑的流量,使?jié)B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(jié)合,從而避免出現(xiàn)過陡的碳濃度梯度,影響產(chǎn)品的使用性能。
四、結(jié)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(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點,并結(jié)合圖樣要求,認真地進行分析、論證,找到其容易出現(xiàn)變形的部位,并根據(jù)實際生產(chǎn)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(nèi),從而更好地保證生產(chǎn)的順利進行。
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作者:張宇慶
單位:遼寧省撫順市撫東機械廠
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