作者：张宇庆
单位：辽宁省抚顺市抚东机械厂
来源：《金属加工（热加工）》杂志
辽宁省抚顺市抚东机械厂生产的一薄壁齿轮，如图1所示。材料为20Cr2Ni4A钢，其化学成分见表1。技术要求：渗碳层深度为1.3~1.6mm，表面硬度≥60HRC，心部硬度为35~49HRC，端面翘曲≤0.25mm，内孔圆度≤0.25mm。
图1 薄壁齿轮
表1 20Cr2Ni4A钢薄壁齿轮化学成分（质量分数）（%）
在原淬火工艺方案中，虽然考虑到了零件由于形状特点，容易产生翘曲的实际问题，但是忽略了零件的薄壁特点，只采用内孔加装淬火芯轴，控制内孔的圆度变化。由于该齿轮属于薄壁类零件，零件的薄壁未能得到有效控制，导致零件的薄壁处尺寸增大，即薄壁最外端的尺寸增大，零件的尺寸加大了0.8~1.0mm，甚至个别零件的增大尺寸达到了1.5mm以上。从外观尺寸来看，零件呈现“喇叭口”形状，且圆度达到1.0mm以上，严重影响到零件的后续加工，甚至因尺寸变化直接报废。
一、原因分析
由于薄壁类齿轮零件产生了上述变形，因此给下一步机械加工带来了极大的困难，齿部加工因基准的变化，难以完成最终的精加工。1）虽然在淬火芯轴的控制下，内孔的圆度得到了控制，但零件的薄壁处未加以限制，在淬火时，由于组织应力、热应力的作用而产生了畸变。2）正因为薄壁处的畸变，零件的端面翘曲也有所增大。为此，要控制零件薄壁处的畸变和端面翘曲的变化，就必须对零件的薄壁处和端面在淬火过程中加以限制，以保证此零件淬火过程中产生的变形在工艺要求范围内。通过对零件变形的具体分析，零件薄壁处尺寸增大和端面翘曲度过大的原因，主要是淬火过程中未能采取行之有效的措施，对零件易出现变形的部位未加以限制。根据经验，此类零件在淬火时需要平放入淬火油中，以减少零件的变形。但是，其中有一个不可避免的因素出现，即零件在平放入淬火油中时，由于零件的各截面存在尺寸差，势必导致各部位冷却不均匀，从而出现热胀冷缩不协调的现象，因此造成零件薄壁处尺寸增大，而且操作不当及控制方法不合理，均会造成零件出现翘曲变形。若不采取必要的控制方法，就会造成零件的翘曲度增大，从而影响产品质量，造成损失。
二、热处理工艺、工装的改进及效果
综上所述，零件的热胀冷缩不协调，引起零件薄壁处的尺寸胀大。为了有效地解决此类问题，我们将工艺及工装进行改进，即根据零件结构特点和实际生产所使用的淬火设备状况，设计出如图2所示的淬火工装，对零件在整个淬火过程中易产生变形的部位加以限制，有效地控制零件各部位的冷却速度，保证零件的冷却均匀性，从而达到提高零件淬火合格率的目的。
图2 淬火压模工作示意
1.芯轴2.内压模3.下模4.滑块5.外压模
6.垫圈7.六角头螺栓
为解决零件的畸变，根据零件形状的特点重新设计了淬火压模。该套淬火压模主要由外压模、内压模、下模、6块滑块、芯轴等组成，如图3~图7所示。
图3 外压模
图4 内压模
图5 淬火下模
图6 滑块
图7 芯轴
淬火压模中的滑块由螺栓联接在外压模上，外压模通过螺杆联接在淬火压床上。由于外压模联接在了淬火压床上，因此外压模在下落过程中，滑块沿着外压模内壁15°斜面移动，在内模压落在零件表面时，滑块刚好完成了移动并与零件的外圆相贴合，固定了零件的外圆尺寸，从而控制了零件淬火过程中的尺寸变化，实现了用淬火压模控制零件变形的目的。1）将滑块联接在外压模上，并保持滑块始终处于自由状态，不得有卡滞现象。2）将外压模、内压模联接在淬火压床上，并提升至规定高度，将淬火压床的控制按钮调至自动位置。5）按动淬火压床上的控制按钮，内外压模同时下落，当内压模落在零件表面上时，安装在外压模上的滑块刚好与零件外表面贴合，外压模落在工作台上，这时外压模与零件形成了封闭空间，此时喷油阀工作，在封闭空间充满淬火油，零件完成淬火工作。在淬火压床上进行淬火时，淬火压床的压力可以根据淬火时出现的不同情况适时地进行调整，使零件在淬火过程中始终处于压力淬火的状态。由于零件的形状和尺寸承受着淬火压模的限制，制约了零件在淬火过程中出现的翘曲度，从而保证了零件的翘曲度能够控制在所要求的范围内。由于淬火工序采用此种淬火压模，原来薄壁处的尺寸变化得到了控制。通过测量圆度能够控制在0.25mm左右，“喇叭口”现象未再出现；φ115mm的内孔由于芯轴的作用，圆度也能够控制在0.2mm左右，大大提高了零件的淬火合格率。
三、工艺分析及体会
薄壁类零件截面差较大，其变形规律为内孔缩小和端面翘曲变形，是在各种复杂应力综合作用下产生的结果。因此，有必要采取有效地控制措施，限制或减少零件的尺寸变化，使之能够满足下一步的机械加工要求。1）解决零件薄壁处尺寸的变化，就要对薄壁处的尺寸变化加以限制。根据零件的形状和我公司淬火设备的特点，将淬火工装加以改进，外压模的内壁设计成15°的斜面。2）根据淬火设备的特点，将滑块的一端设计成15°的斜面，使之与外压模的内壁尺寸相吻合。3）在加工15°的斜面时，零件的表面粗糙度要控制在比较高的加工精度上，如Ra=0.4~0.8μm，这样滑块在沿外压模内壁下落过程中，就不会出现卡滞现象。4）在淬火下模的端面加工出36个凹槽，滑块侧面加工6个孔，这样的设计有利于零件在淬火过程中淬火油的循环流动，从而增强了淬火油的冷却性能，提高了淬火油的冷却能力，同时也可以保证零件表面的淬火硬度能够达到图样的技术要求。5）将滑块加工成6块，并均匀地安装在外压模上。这样外压模在下落过程中，可以避免滑块移动时出现卡滞现象，保证滑块完全贴合在零件外圆上，从而限制了零件外圆尺寸的变化。引起零件变形的主要原因是冷却时由于在截面差、热应力和组织应力的综合作用下，使零件的薄壁处尺寸胀大，呈现“喇叭口”现象。原来的淬火工艺方案中，零件在淬火过程中产生的各种应力得不到有效限制，故不能满足工艺的技术要求。而当采用淬火压模进行淬火时，由于零件在淬火压床的压力作用下，可以最大限度地限制零件的变形。这种强制的作用，可以使相互应力趋于平衡，限制了零件翘曲变形现象的发生。此外，渗碳层的碳浓度梯度的变化、金相组织，以及操作的平稳性等都会影响零件的变形。在实际生产中还要严格控制各种渗剂的流量，使渗层的浓度梯度更加平缓地向心部过渡，并较平缓地与心部原始组织结合，从而避免出现过陡的碳浓度梯度，影响产品的使用性能。
四、结束语
薄壁类零件在进行热处理操作（尤其是淬火过程中）时，一定要根据零件的结构特点，并结合图样要求，认真地进行分析、论证，找到其容易出现变形的部位，并根据实际生产情况，采取有效的工艺方法及防护措施，将零件的形状畸变、尺寸变化控制在工艺要求的范围内，从而更好地保证生产的顺利进行。
