熱處理時(shí)零件發(fā)生變形，是熱處理過(guò)程中固有的矛盾。對(duì)于一些零件常因熱處理變形而進(jìn)行校正要耗費(fèi)大量工時(shí)，甚至因變形而報(bào)廢。因此，減少熱處理變形乃是我們熱處理工作者需要研究和探討的主要任務(wù)之一。
從動(dòng)錐齒輪是某變速箱中比較典型的薄壁盤(pán)形零件（見(jiàn)零件簡(jiǎn)圖）。該產(chǎn)品齒數(shù)多、花鍵孔壁較薄，氰化淬火后容易變形。常因零件的翹曲變形而影響了齒輪嚙合區(qū)域，目前沒(méi)有好的機(jī)械加工手段來(lái)消除變形，影響了變速箱的傳動(dòng)精度。為提高產(chǎn)品的合格率滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要，節(jié)約財(cái)力、人力，這就迫切要求我們熱處理工作者必須解決熱處理的變形。
圖1 零件示意
零件在熱處理過(guò)程中的變形，是因?yàn)榱慵诩訜岷屠鋮s而產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變的不等時(shí)性而產(chǎn)生的組織應(yīng)力以及組織轉(zhuǎn)變的不均勻性而引起的附加應(yīng)力所造成的。此外，由于零件的形狀特點(diǎn)、原材料質(zhì)量，加工狀態(tài)以及零件在熱處理爐中加熱時(shí)的支承或冷卻時(shí)的操作不當(dāng)、零件本身的自重等原因均能夠?qū)е伦冃蔚某霈F(xiàn)。熱處理的變形主要分為翹曲變形、體積變形和時(shí)效變形三大類(lèi)。因?yàn)槊糠N變形既是互相制約又是相互促進(jìn)的，翹曲變形和體積變形既是同時(shí)發(fā)生而又有主有次，所以在研究零件的變形時(shí)，必須在綜合考慮各種因素的前提下，抓住主要矛盾，并采取相應(yīng)的措施，才能有效地減小變形，以滿(mǎn)足產(chǎn)品的加工工藝中技術(shù)條件的規(guī)定。
1.問(wèn)題的提出
零件的技術(shù)要求：材料為30CrMnTi，其元素化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）wC=0.24%～0.32%，wMn=0.80%～1.10%，wCr=1.00%～1.30%，wTi=0.06%～0.12%；氰化層深度為0.7～1.2mm；表面硬度HRC58～64，心部硬度HRC35～49；端面翹曲≤0.2mm，內(nèi)孔圓度≤0.15mm。
原工藝在編制過(guò)程中，由于未能充分考慮零件氰化后的淬火過(guò)程中變形情況，采用穿淬火芯軸自由淬火的方法，雖然零件的內(nèi)孔在淬火芯軸的控制下，內(nèi)孔的橢圓度得到了保證，但是由于零件屬于盤(pán)類(lèi)零件，零件輪緣和輪轂不在同一端面，淬火后容易產(chǎn)生碟形使輪緣端面發(fā)生翹曲，加之零件的端面在淬火過(guò)程中未能得到有效的控制，導(dǎo)致零件的翹曲度過(guò)大，個(gè)別零件的翹曲度達(dá)到了0.5～0.6mm，影響到零件的后續(xù)加工，造成了不必要的損失。
由于此零件是錐齒輪，產(chǎn)生上述的變形，直接會(huì)影響齒部的加工精度，不能進(jìn)行裝機(jī)使用。其原因是：雖然內(nèi)孔在淬火心軸的控制下，內(nèi)孔的圓度得到了控制，但是端面在氰化淬火工藝時(shí)未加以限制，其變形仍然較大。為此，要控制零件端面翹曲的變化，就必須使零件的端面在淬火過(guò)程中加以限制，以保證此零件在氰化淬火過(guò)程中產(chǎn)生的變形在工藝要求范圍內(nèi)。
2.熱處理工藝、工裝的改進(jìn)及效果
通過(guò)對(duì)零件的具體分析，產(chǎn)生零件翹曲度過(guò)大的原因，主要是在淬火過(guò)程中，未能采取有效的措施，對(duì)零件易出現(xiàn)變形的部位未加以限制。因?yàn)榇祟?lèi)零件屬于盤(pán)類(lèi)零件，在淬火時(shí)需要平放入淬火油中，以減少零件的變形。但是其中有一個(gè)不可避免的因素出現(xiàn)，零件在平放入淬火油中時(shí)，由于零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，齒輪的齒面冷卻速度比齒背快，存在著齒面部位與背面部位的熱脹冷縮不協(xié)調(diào)因素，因此造成齒輪外緣上拱翹曲，而且操作不當(dāng)及控制方法的不合理，均會(huì)造成零件出現(xiàn)翹曲變形。若不采取必要的控制方法，就會(huì)造成零件的翹曲度增大，影響了產(chǎn)品的質(zhì)量，造成損失。
綜上所述表明，齒輪的齒面和背面產(chǎn)生熱脹冷縮不協(xié)調(diào)，引起翹曲度的漲大。因此根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和我廠現(xiàn)有淬火設(shè)備的狀況，設(shè)計(jì)出如圖2～圖4所示的淬火工裝，使齒輪在整個(gè)淬火過(guò)程中，保持各部位的溫差最小，從而達(dá)到提高齒輪淬火合格率的目的。
圖2 淬火底模示意
圖3 淬火上模示意
圖4 淬火壓模工作示意
（1）淬火模具的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)齒輪的淬火模具，應(yīng)考慮以下兩方面因素，即齒輪內(nèi)、外緣的蓄熱量之比與齒輪內(nèi)、外緣的單位表面積散熱量之比；調(diào)整控制齒輪內(nèi)、外緣的淬火介質(zhì)的流量。
如上圖所示，零件在淬火過(guò)程中，是將零件平放于淬火底模上，淬火底模的平面在加工過(guò)程當(dāng)中，將盤(pán)面加工出24個(gè)凹槽，這樣的設(shè)計(jì)有利于零件在淬火過(guò)程中，利于淬火油的循環(huán)流動(dòng)，增強(qiáng)淬火油的冷卻性能，提高了淬火油的冷卻能力，同時(shí)也可以保證零件表面硬度能夠達(dá)到技術(shù)要求。
在制作淬火上模的時(shí)候，將淬火上模的內(nèi)腔形狀按照零件的外形進(jìn)行制作，這樣在淬火時(shí)模面能夠壓在零件的表面，限制了零件的變形趨勢(shì)；同樣在淬火上模的表面上加工出24條凹槽，以保證淬火油順暢地進(jìn)行流動(dòng)。
由于淬火上模和淬火底模都加工出了凹槽，這樣在零件的淬火冷卻過(guò)程中，能夠調(diào)整了淬火油量的熱平衡流量，保證淬火時(shí)油量充足，零件能夠得到良好的淬火效果。
在淬火過(guò)程中，由于內(nèi)孔中加入了淬火芯軸，既保證了零件的內(nèi)孔橢圓度，同時(shí)也可以增加零件的壁厚差，降低了零件在冷卻時(shí)因壁厚差產(chǎn)生的溫差，保證零件在淬火過(guò)程中，由于冷卻不均勻造成的變形趨勢(shì)。
（2）在淬火壓床上進(jìn)行淬火時(shí)，壓力的調(diào)整可以根據(jù)淬火時(shí)出現(xiàn)的不同情況，適時(shí)地進(jìn)行調(diào)整油壓表的壓力，使工件在淬火過(guò)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(guò)程中出現(xiàn)的翹曲度，從而保證了零件的翹曲度能夠達(dá)到所要求的范圍內(nèi)。
3.工藝分析及體會(huì)
從動(dòng)錐齒輪屬于薄壁盤(pán)形零件，其截面差較大。它的變形規(guī)律是內(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。引起翹曲變形的主要原因是：
（1）加熱過(guò)于激烈或加熱不均勻，造成較大的內(nèi)外溫差。
（2）冷卻過(guò)于激烈或冷卻不均勻，造成較大的各截面溫差。
（3）加熱時(shí)零件擺放的位置不當(dāng)和冷卻時(shí)出爐夾持不當(dāng)。
（4）各種機(jī)械加工所殘留的機(jī)械應(yīng)力。
（5）零件結(jié)構(gòu)形狀特點(diǎn)所造成的應(yīng)力不平衡。
（6）鋼材內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻造成的應(yīng)力不平衡。
（7）組織轉(zhuǎn)變的不均勻，即零件各個(gè)部位比容不均勻變化引起的應(yīng)力而導(dǎo)致翹曲等變化，這種零件在淬火時(shí)同樣伴隨著體積變形，即由于組織的轉(zhuǎn)變必然引起比容的變化，從而導(dǎo)致零件體積的脹縮，所以在研究或討論零件變形時(shí)，要同時(shí)考慮這兩種變形對(duì)零件熱處理后形狀的影響。
根據(jù)上述的分析，引起零件變形的主要原因是加熱和冷卻時(shí)工裝不適合，當(dāng)加熱和冷卻時(shí)，由于截面差、熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的綜合作用下，使零件的端面脹大，形成邊緣如同碟形的翹曲。
當(dāng)采用淬火壓模進(jìn)行淬火時(shí)，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(qiáng)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。而原來(lái)采用的穿芯軸自由淬火的方法，因?yàn)闆](méi)有這種強(qiáng)制限制變形的作用，零件在淬火過(guò)程中產(chǎn)生的各種應(yīng)力得不到有效地限制，故不能滿(mǎn)足工藝中的技術(shù)要求。
在鍛造后的預(yù)備熱處理中，采用正火加高溫回火，使合金碳化物能夠充分地進(jìn)行溶解，同時(shí)增加了合金碳化物的分散度，這樣的處理可以對(duì)改善組織和消除鍛造及原始組織的不良影響有較好的效果。通過(guò)這種熱處理方法，細(xì)化晶粒，獲得了均勻的索氏體組織，提高了原始組織的比密度，縮小了與馬氏體的比容差，同時(shí)相對(duì)減小了組織轉(zhuǎn)變的應(yīng)力作用。
采用熱油進(jìn)行淬火也能夠適當(dāng)?shù)販p小淬火變形。在工藝編制中，要求淬火油的溫度為40～80℃。淬火油溫的提高，增加了油的流動(dòng)性，使之在冷卻時(shí)，將零件各個(gè)部位的溫差更加趨于一致，冷卻更加均勻。同時(shí)，也能減緩馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)（Ms）以下的冷卻速度，從而減小了淬火冷卻時(shí)的應(yīng)力，減小變形。經(jīng)研究表明，雖然50℃油溫比20℃油溫的冷卻能力有所下降，但是由于氮原子的滲入，降低了馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)（Ms）的溫度，油溫的提高并不會(huì)影響氰化表面的硬化效果。由經(jīng)驗(yàn)得知，零件在氰化淬火時(shí)，淬火油的溫度一般控制在40～100℃之間，也是能夠滿(mǎn)足零件的氰化淬火時(shí)的硬度要求的。
此外，氰化層的碳、氮濃度和氰化層的深度，金相組織以及操作的平穩(wěn)性等都會(huì)影響零件的變形。在實(shí)際生產(chǎn)中還要嚴(yán)格地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(guò)渡，較平緩地與心部原始組織相結(jié)合，從而避免過(guò)陡的碳濃度梯度的出現(xiàn)，影響產(chǎn)品的使用性能。
4.結(jié)語(yǔ)
在實(shí)際生產(chǎn)中，我們深深地體會(huì)到，薄壁盤(pán)類(lèi)零件在進(jìn)行熱處理操作中，只要認(rèn)真、細(xì)致地分析圖紙，針對(duì)材料的化學(xué)成分、零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采取恰當(dāng)、合理的工藝方法，制作并選用適合零件形狀特點(diǎn)的工藝裝置，并且嚴(yán)格控制操作中容易出現(xiàn)問(wèn)題的環(huán)節(jié)，不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)不足，一定會(huì)將零件的翹曲變形控制在產(chǎn)品的技術(shù)要求范圍內(nèi)，從而更好地保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。
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作者：張宇慶
單位：遼寧省撫順市撫東機(jī)械廠
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