同步器零件熱處理變形控制的提升

天津天海同步科技股份有限公司 （361600） 劉繼武 呂元江 王永慶

我公司現(xiàn)為國內(nèi)最大的汽車零部件配套制造商，其中高精度同步器在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中所占的比例逐年增加。提到高精度同步器齒套熱處理變形控制時(shí)，人們往往會想到當(dāng)前國際上對此采用成熟的含壓淬工序的工藝流程：熱前半成品→滲碳→壓淬→回火。雖然以上的熱處理加工流程確實(shí)對控制熱處理變形起到很好的作用，但我們也都清楚，在執(zhí)行壓淬工藝時(shí)所消耗的成本費(fèi)用是相對較高的。其在當(dāng)今市場競爭如此激烈的環(huán)境下是制造商們非常敏感的問題。因此，對于一些特定的工件，需嘗試通過改進(jìn)控制方法使工件滲碳淬火后的變形控制在技術(shù)要求的范圍內(nèi)。

圖1所示零件是為國外高級轎車配套的同步器齒套，為我公司某量產(chǎn)零件。該工件材料為16MnCr5H，撥叉槽底徑最薄處的厚度不足3mm，端面較窄，屬于典型兩端對稱的小直徑結(jié)構(gòu)件。

圖1 工件結(jié)構(gòu)

1.該工件熱處理的技術(shù)要求

（1）金相要求 表面硬度：680～810HV5；有效硬化層深度：0.3～0.6mm，硬度550HV1；碳化物：1～4級；馬氏體及殘留奧氏體：1～4級。心部鐵素體1～4級。

（2）尺寸要求 內(nèi)花鍵棒間距：68.324～68.450mm（φ3.5mm），內(nèi)花鍵錐度M值≤0.03mm；平面度≤0.07mm，圓度≤0.06mm，端面圓跳動≤0.08mm。

2.熱處理工藝流程的確定

考慮到該零件兩個(gè)端面結(jié)構(gòu)對稱的特點(diǎn)，選定滲碳后直接淬火的熱處理方式。工藝流程為：鍛造→毛坯等溫正火（熱前加工）→滲碳淬火→回火→拋丸→校正檢驗(yàn)→（熱后加工）。

3.熱處理存在的質(zhì)量問題

該零件的熱處理設(shè)備選擇的是連續(xù)滲碳生產(chǎn)線，工件的裝爐方式為掛裝，按典型工藝滲碳淬火。熱處理后工件的金相檢測項(xiàng)目全部能夠滿足技術(shù)要求。但起初對于熱處理變形控制的效果很差，且不同批次的工件熱處理后尺寸的變化差異很大。

4.對滲碳工裝的改進(jìn)

圍繞該零件熱處理變形問題，我們從原材料的進(jìn)廠檢驗(yàn)、等溫正火、滲碳工藝參數(shù)的固化、熱前尺寸配合等方面都做了大量的試驗(yàn)。最終我們在熱處理后工件的尺寸變化控制方面取得了一點(diǎn)收效。主要體現(xiàn)在提高了不同批次工件熱處理變形量的一致性。但對工件的幾何精度即工件圓度的控制效果依舊較差。如果工件的圓度問題再加以解決，那該工件實(shí)現(xiàn)滲碳淬火的工藝方式是完全沒有問題的。我們曾試圖在掛料桿的結(jié)構(gòu)上找到一點(diǎn)突破，但多次嘗試后收到的效果甚微。最好時(shí)工件滲碳淬火后的圓度合格率只有近30%，通過冷校后工件的合格率可以提高到70%。仍有近30%的工件需要再進(jìn)行壓淬處理才能保證合格。

隨著用戶對該產(chǎn)品訂單的提升，我廠壓淬工序的生產(chǎn)能力漸顯不足，對生產(chǎn)進(jìn)度的落實(shí)造成直接影響。在此問題上我們只有努力找到影響熱處理變形的根本原因，才會在控制上有所突破。通過多次的試驗(yàn)分析后，我們得出該件熱處理變形大的主要原因是工件的徑向厚度相對薄，自然工件的抗彎強(qiáng)度相對低，工件懸掛后當(dāng)組織完全奧氏體化后在重力的影響下工件本身就會產(chǎn)生一定的變形，淬火時(shí)工件會在原先變形趨勢上加劇變化。因此，對于這種薄壁件來講，滲碳時(shí)選擇掛裝是不可取的。為此我們改變了原有的裝爐方式，將工件放在料盤上平放后進(jìn)行滲碳淬火。試驗(yàn)結(jié)果顯示該批工件的圓度確實(shí)有所好轉(zhuǎn)，工件一次淬火后圓度的合格率提到了70%，但又產(chǎn)生了新的問題，即工件平面度的合格率大大降低。為對比一下那種方案相對可取，我們同一批次做了料盤平放和掛料桿掛放的整筐試驗(yàn)，結(jié)果見附表。

表 不同裝爐方式的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

結(jié)果顯示，盡管采用平放方式熱處理，工件的雙項(xiàng)檢測合格率明顯高于掛放方式，但是在冷校之后平放方式的合格率卻低于掛放方式。原因是對于平面度超差工件來講，其冷校的難度明顯大于掛放。以上兩種結(jié)果都無法滿足我公司的生產(chǎn)需求，給質(zhì)量、成本控制都帶來極大的不利。因此，我們必須還要在直淬工藝方面有新的突破，否則該工藝路線無競爭優(yōu)勢。

對于該種薄壁件，我們首先否定了掛裝方式，而對后來采用料盤進(jìn)行平放時(shí)的問題又出現(xiàn)在哪呢？在仔細(xì)觀察現(xiàn)場使用的工裝后，我們發(fā)現(xiàn)工件平面度不好的原因主要有兩個(gè)：一是使用的料盤有了一定的變形，即料盤本身就已經(jīng)不平了，對工件影響較大；二是工件與料盤接觸面雜亂不對稱，造成在工件淬火時(shí)的一致性方面存在較大的差異。為此，決定下一步的試驗(yàn)工裝必須克服以上兩個(gè)缺陷。為驗(yàn)證這種判斷，先期自制了20件簡易工裝，結(jié)構(gòu)如圖2所示，工件與工裝全部是圓周均布三處接觸，支角長度徑向可以調(diào)節(jié)，根據(jù)工件外圓尺寸分別放出2mm預(yù)留間隙，再通過立柱將之每10件為一組疊放后進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見圖3。

圖2 自制簡易工裝

圖3 自制工裝試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本次示試驗(yàn)中20件齒套的平面度全部滿足技術(shù)要求，只有一件產(chǎn)品的圓度超出了技術(shù)要求，經(jīng)過冷校后該批工件變形全部控制在技術(shù)要求之內(nèi)。這是我們做此產(chǎn)品以來試驗(yàn)最為成功的一次。接著我們又連續(xù)做了兩次試驗(yàn)，效果較第一次略有下降，原因是試驗(yàn)工裝的材料非耐熱材質(zhì)，重復(fù)淬火后的變形過大而致。該試驗(yàn)為我們以后設(shè)計(jì)此種產(chǎn)品的滲碳工裝提供了充足的理論基礎(chǔ)。據(jù)此我們自行設(shè)計(jì)了該種產(chǎn)品的專用滲碳料盤（見圖4），在考慮到工裝壽命問題后，我們又主動聯(lián)系了武漢一家專業(yè)生產(chǎn)熱處理掛具的廠商對其圖樣進(jìn)行了優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)成圖5所示的結(jié)構(gòu)。

圖4 自行設(shè)計(jì)料盤

值得一提的是，我廠自2012年7月使用第一批專用滲碳工裝后，對于該產(chǎn)品熱處理變形控制一直處在穩(wěn)定狀態(tài)（見圖6）。該產(chǎn)品各項(xiàng)要求的合格率都有所提高，尤其在平面度控制方面的效果更加顯著。對于檢測不合格的工件，超出工藝的范圍較之前降低很多，再經(jīng)過冷校后很易達(dá)到技術(shù)要求。且此種料盤在使用壽命上與以往的料盤相比也凸顯優(yōu)勢。圖7為使用一年之后的工裝，幾乎沒有任何損壞，原因主要為：一是合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即等寬壁厚對稱布局有效避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象；二是嚴(yán)格執(zhí)行鑄造工藝，工裝沒有砂眼，材料成分完全符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)；三是規(guī)范的使用維護(hù)過程，我們規(guī)定使用過程中要定期將料盤翻轉(zhuǎn)后再使用，以此緩解工裝的變形。其在用戶對該產(chǎn)品需求量不斷增長的情況下帶來的收益越發(fā)明顯。經(jīng)財(cái)務(wù)部門核實(shí)，我們使用該工裝后在穩(wěn)定了質(zhì)量的同時(shí)每年能為公司降低三十多萬元的加工成本。

圖6 采用不同工裝的工件合格率對比

圖7 使用一年后專用工裝

5.幾種實(shí)用熱處理工裝介紹

以上介紹的專用滲碳工裝具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但因采購價(jià)格相對較高，公司很難在所有的產(chǎn)品中進(jìn)行推廣。因?yàn)橹挥挟?dāng)一個(gè)產(chǎn)品的產(chǎn)量需求提升后，其宏觀的收益才能體現(xiàn)。對于大多廠商來說，產(chǎn)品還沒有形成規(guī)模之前，人們總是希望將投入壓縮到最少。在長期的實(shí)踐過程中，我們針對一些特定結(jié)構(gòu)的工件設(shè)計(jì)出一些簡易的熱處理工裝，也收到了一些好的使用效果。例如，圖8所示的工件與圖1所示的工件對比，其結(jié)構(gòu)很相似，不同點(diǎn)是工件端面沒有止口，端面平齊，面積相對大了一些。對于此種工件我們設(shè)計(jì)了短心軸形式的滲碳工裝，將工件每7個(gè)為一組直接套在心軸上，心軸通過料盤上的圓孔固定。因該工件端面寬度相對較大，同時(shí)心軸直徑與工件內(nèi)孔間隙適當(dāng)，工件整體碼放整齊。整體效果見圖9。

圖8

圖9 短心軸式滲碳工裝

采用該方式后，對該工件的熱處理變形控制能力較之前采用掛裝或普通料盤平裝來講都有較大提高，質(zhì)量長期穩(wěn)定。而對于圖10所示的工件，結(jié)構(gòu)為不對稱形式，該工件滲碳淬火后的一個(gè)顯著缺陷就是內(nèi)花鍵會產(chǎn)生一定的錐度。這是因?yàn)楣ぜY(jié)構(gòu)的不對稱使得工件淬火時(shí)大小兩個(gè)端面的冷卻速度差異大造成的，為此我們采取了將工件大端面全部朝向下方，依次多件套在心軸上疊放的方式進(jìn)行滲碳淬火。如圖11所示，整體上工件小端面與上層工件大端面接觸后能夠起到均衡冷速的效果。試驗(yàn)結(jié)果顯示采用該種方式的確在緩解工件內(nèi)花鍵錐度上起到一定的作用，熱處理變形控制明顯好于單件平放方式。但在2012年5月我廠出現(xiàn)過一個(gè)批次產(chǎn)品內(nèi)花鍵錐度嚴(yán)重超差的現(xiàn)象，經(jīng)多方面查找原因后發(fā)現(xiàn)，該批次工件原材料的淬透性與之前的材料存在很大差異，之前工件材料的淬透性都控制在技術(shù)要求的中上限，而這次檢測的結(jié)果顯示剛達(dá)到要求下限，其造成的直接結(jié)果是工件淬火后大端處的內(nèi)花鍵M值非但沒有收縮反而較滲碳前有所漲大，之后我們對該產(chǎn)品原材料進(jìn)行了調(diào)整，選擇淬透性在標(biāo)準(zhǔn)中上限的材料加工該產(chǎn)品，問題得以解決。

目前，我們量產(chǎn)工藝處在穩(wěn)定狀態(tài)，而對于圖12所示類型的工件來講，因?yàn)樵摴ぜ较虻暮穸确浅?，其方向上的抗變形?qiáng)度自然會隨著厚度的增加而提高，掛裝自然成為這種類型工件的最經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的裝料方式。

圖10

圖11 不對稱結(jié)構(gòu)工件的裝爐方式

圖12 工件掛裝方式

6.結(jié)語

（1）在整個(gè)熱處理過程中，工裝掛具對工件熱處理時(shí)扭曲變形的影響因素最大。

（2）采用文中圖5所示類型的滲碳工裝對于結(jié)構(gòu)對稱的薄壁同步器齒套熱處理變形控制最為合理，批量大的產(chǎn)品采用此種工裝帶來的收益非常明顯。

（3）工件采用何種裝料方式要根據(jù)其具體結(jié)構(gòu)來定，有時(shí)一些簡易工裝也能收到較好的使用效果。

（4）同步器產(chǎn)品滲碳淬火后漲縮幅度主要取決于工件材料的自身特性，穩(wěn)定材料成分，合理控制材料的淬透性，是控制熱處理變形的前提保證。