本文针对我公司生产的对外协作加工中薄壁零件渗碳淬火后的失圆变形，介绍了在最终热处 理中如何减少变形，同时通过增加失圆整形工艺的创新思路。阐述了一般薄壁零件变形的机理和整 形工艺的原理、工艺流程以及相关的夹检具设计，并说明了具体操作方法及关键工艺参数。通过例 举我公司生产的零件经过工艺参数摸索和统计后正式批产的实际使用结果，说明了经失圆整形工艺 后的零件合格率较高，且对零件的热处理质量和力学性能没有影响。 关键词：气门挺杆；淬火变形；失圆整形；工艺创新 1 月lJ 舌 上海伊顿发动机有限公司委托我厂加工汽车发动机上的MIO0001-F102气门挺杆零件，广 泛配套1．6L~2．4L排量的家用轿车的发动机上，家用轿车发动机零件结构紧凑，精度高变形 小，硬度强度较高。同时由于汽车行业的快速发展和国际汽车零部件巨头的大量进入我国， 为了降低制造企业的成本，近年来外企纷纷提出零部件国产化，加工工序国产化，公司面对 了市场的挑战和契机。 2热处理技术要求和工艺的流程 2．1产品图及实物 硬度 检测点 图l产品图 图2实物 ·2-· 汽齿科技 2O09年 2．2材料牌号 - 15Cr3(相当于国内的15Cr)。 2．3热处理技术要求 产品名称I 表面硬度 有效硬化层 变型要求 气门挺杆I 86．5～91．5 HR15N 5 13HV1=0．15--4)．25mm 椭圆度 O．10Im 2．4产品工艺流程 材料—-落料一加热——预锻成坯——磷造化——泠挤压——粗车预磨——多用炉渗 碳、淬火、回：J(——清理喷丸——热后lOO％~测(圆度参数)——合格零件直接流转。‘ 3热处理工艺参数及装架方式 (1)多用炉平装网框装架，每层400个，共计5层2000个； (2)每层间隔10 cm高度，确保气氛和淬火油流通； (3)淬火介质160℃好富顿355型等温淬火油，750 r／min搅拌速度； (4)420“Cx30min预热。 图3 图4装架方式——单层 第1期 江震：薄壁零件在热处理中的精微控制 ·3。 4试制过程中问题的反映 4．1产品抽检情况 产品在回火后直接进行了产品抽检，情况如下： 硬度金相与变形情况：(要求：表面硬度：86．5---91．5HRI5N：有效硬化层：513HVI=0．15~0．25 mm；椭圆度 O．10 mm)。 表2产品抽检情况表 序号 表面硬度(HRI5N) 有效硬化层(mm) 外壁变形量(衄) l 89．5 O．24 0．12 2 90．5 0．22 O．26 3 90．5 0．23 0．1O 4 90．2 0．2O 0．14 5 91．2 0．23 0．25 6 90．2 O．20 O．O9 7 90．4 O．2l 0．IO 8 90．6 O．24 O．16 9 91．O O．25 0．23 10 89．5 O．20 0．15 l1 88．6 0．2l O．o9 l2 89．9 O．2l O．08 l3 91．0 O．22 0．15 14 90I3 O．24 O．27 l5 90．2 O．2O O．1O 5问题的分析和工艺的优化 5．I存在问题 通过第一次的试制，除了金相情况合格外，变型的情况非常不理想(合格率仅为40％)， 根本达不到批量生产的要求，并且发现变形量的离散度很大。 5．2原因分析 热处理变形主要是由两个因素造成的：热应力和组织应力。工件在加热和冷却过程中， 由于表层和心部的冷却速度和时间的不～致，形成温差，就会导致体积膨胀和收缩不均而产 生应力，即热应力。在热应力的作用下，由于表层开始温度低于心部，收缩也大于心部而使 心部受拉，当冷却结束时，由于心部最后冷却体积收缩不能自由进行而使表层受压心部受拉。 即在热应力的作用下最终使工件表层受压而心部受拉。 另一方面，钢在热处理过程中由于组织的变化即奥氏体向马氏体转变时，因比容的增大 会伴随工件体积的膨胀，工件各部位先后相变，造成体积长大不一致而产生组织应力。组织 应力变化的最终结果是表层受拉应力，心部受压应力，恰好与热应力相反。组织应力的大小 汽齿科技 2OO9年 与工件在马氏体相变区的冷却速度、形状、材料的化学成分等因素有关。 实践证明，任何工件在热处理过程中，只要有相变，热应力和组织应力都会发生。只不 过热应力在组织转变以前就已经产生了，而组织应力则是在组织转变过程中产生的，在整个 冷却过程中，热应力与组织应力综合作用的结果，就是工件中实际存在的应力。 那么，气门挺杆的变形哪个方面所占的残余应力是造成变形的主要因素呢? 首先，考虑产品的形状，气门挺杆的变形最大值主要集中在工件的杯口处，也就是说越 是靠近杯底变形量越小，如果按照热应力的说法，由于表层和心部的冷却速度和时间的不一 致，形成温差，就会导致体积膨胀和收缩不均而产生应力，好像不符合情况。因为杯底的厚 度最大，其冷却时应该温差也大，理论上说应该变形最大，但是不是符合实际情况。 难道是组织应力的作用吗?通过金相分析，虽然本工件有效硬化层较浅，只有O．20衄 左右的层深，但是由于壁厚只有1．2 mm，由于渗碳是沿着工件表面发生的化学反应，所以在 工件的内外层已经全部渗碳，所以工件的有效层深理论上已经达到O．4 m／i1，占了整个工件有 效厚度的l／3。试想，一个工件的有效硬化层达到了其有效截面的1／3，那么在相变过程中的 力就相当大，我们齿轮行业在确定硬化层深度时，齿面有效硬化层深度与模数存在一定的比 例关系。 我们一般将渗碳层深和齿轮模数的对应关系为：渗层深度=15~20％m(模数)。 其次，考虑装架方式对变形的影响。由于考虑方便生产(不至于存水，存油)，在装架中 工件的开口处往下，其实这是不得已而为之，因为不管从热应力和淬火规范上说，杯口向上 是一种比较合理的装架方式，因为在产品加热的过程中，由于工件的重心在杯底处，杯底向 下的平放是能尽可能减少热应力的崎变量。其次，淬火时，薄的部分要比厚的部分先入油也 是为了减少变形的一种共识。但是由于在生产中的特殊原因，这种方式已经不可能实现，用 何种方法来减少或改善是真正的出路，尤其是如何提高杯口处的热容量是关键。 5．3工艺优化思路 首先，改善淬火和加热过程中温差的巨烈性。在加热过程中，再增加一个升温台阶，由 42O℃预热到直接进炉渗碳之间再加一个台阶，设定在进炉后起始温度定在700℃保温30 min， 再升到渗碳温度。 其次，降低渗碳温度，由原来的860℃降低为830℃渗碳，降低淬火温度，由原来的8313I℃ 降低为820℃，延长渗碳时间。 图5 第1期 江震：薄壁零件在热处理中的精微控制 (1)多用炉平装网框装架，每层400个，共计5层2000个； (2)每层间隔10 cm高度，确保气氛和淬火油流通； ‘ (3)淬火介质160“12好富顿355型等温淬火油，750 r／rain搅拌速度； (4)420“Cx30min预热。 同时改善装架方式，在每个产品里面加一个25 mill的6角螺母，这有2个优点： (1)可以增加杯1：3的热容量。螺母是中间有孔，不会对气氛流通造成影响。螺母外壁又是 6边形，工件内壁产生面接触，造成工件硬度不合格，同时不影响工件的渗碳和淬火，并且可 以反复使用。 ． (2)可以减少淬火介质对工件内壁的冲击作用，同时又可以起到对工件的定位作用，尤其 在工件拉出加热室时，能减少工件的移位(见图6~7)。 图6 第二次试验结果回火后抽检表如表3所示。 表3回火后抽检表 图7 序号 表面硬度(HRI5N) 有效硬化层(mm) 外壁变形量(mm) l 87．5 O．22 0．08 2 87．5 0．2O 0．o9 3 88．5 O．2l 0．10 4 87．2 0．18 0．12 5 89．2 O．2O 0．o9 6 87．2 0．18 0．09 7 88．4 0．18 0．1O 8 87．6 O．22 0．13 9 88．O O．23 O．O8 ． 10 88 5 0．18 0．07 ll 87．6 0．19 0．o9 l2 87．9 O．19 O．O8 l3 88．0 0．18 O．09 14 87．3 O．2l O．15 l5 88．2 0．17 O．o9 ·6· 汽齿科技 2OO9年 第二次结果已经能够大大提高一次合格率，由原来的4O％提高到80％，并且离散度明显 好转。但是还是存在20％的不合格品，由于表面硬度已经靠近中下限，存在质量风险，故针 对工艺参数不能再作调整，只能另想途径。 6工艺的极限合格率和不合格品的矫正 (1)针对薄壁类零件，在热处理过程中，肯定存在一定比例的不合格品。这是我们现今热 处理无法解决的问题，但是我们可以通过热处理的辅助手段加以弥补和优化。如果齿套类零 件的失园是通过内涨式芯轴加以矫正的话，气门挺杆是不是可以反一反?我们用外涨式的套 筒来矫正，通过计算数据，最终将尺寸定在上公差上+0．03nun。先做了l0件试验，(图)将本 次的3件不合格品放入矫正套筒内回火，出来后检测尺寸，全部在公差内。 图8校正夹具) 表4 (图9校正示意图 原序 原失 尺寸(mm) 矫正后的尺寸(mm1 矫正量(ram) 4 0．12 O．O6 0．o6 8 0．13 O．O8 0．O5 l4 O．15 0．O8 O．O7 (2)通过磁粉探伤，未发现有裂纹。原因是，由于最大的整形量没有过大，在矫正的过程 中，外力没有超过其最人的屈服强度，所以不可能造成工件有微裂纹(见图10)。 图l0探伤图 (下转第l2页) ’12‘ 汽齿科技 2009年 3结论 直齿圆柱齿轮的冷锻加工目前已成为小模数齿轮大批量生产的方向，但是由于其对模具 要求较高，开模一次成功率较低，往往需要几次返修，才能使模具达到最终产品的要求，故 模具开发周期较长。本文所提供线切割修正及预锻模的修正方法大大地缩短了模具开发周期， 减少了试模次数。几年来实际使用情况表明，是有效、可行的方法。 ’ ’参考文献 【1】 江雄心，林治平．带毂直齿圆柱齿轮精锻的计算机模拟．金属成形工艺，1997(2)：12．15． 【2】 Kondo K．Development of Ncw Precision Cold Die Forging PrDcesScs．Advanced Technology of Plasticity—Pmc of l st ICT Tokyo，1984：701-709． 【31 田福祥，林化春．直齿圆柱齿轮热精锻—冷推挤精密成形研究．锻白王机械，1997(6)：26-28． 【4】 围福祥．直齿圆柱齿轮精锻模具齿形设计．锻压技术，1998(2)：57-59． 【5】 孙宗强，刚福祥．直齿圆柱齿轮精锻研究的现状及发展趋势．青岛建筑工程学院学报，2000． (上接第6页) 7最终试制结论 ’ ． (1)薄肇零件及异形零件的热处理畸变是最为明显的，并且不是能够通过热处理的本身1： 艺可以克服的。 (21薄壁零件及异形零件的热处理，在考虑克服热处理变形时，尤其要多考虑，如何模拟 将悬殊的尺寸变成一个简单、一致的形状，同时又不能影响热处理质量。 (3)通过热处理的辅助 1：序，可以改善和纠正不合格品的几何尺寸。同时，热处理的辅助 ]-序，例如校直，不一定指轴类零件可以做，同时还可以作为其他各种零件的校正【 序，尤 其像薄壁类、齿圈类零件的补救方式。 以上只是我个人在工作中的一点小小总结，不对之处希望各位专家予以批评指正!
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