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机械加工与热处理的正确配合

发布时间:2011-12-11

机械加工与热处理之间有着相互影响、密切相联的关系,它们之间要正确配合,其中的一些配合有:
1)合理安排各道工序的加工余量。锻造后正火或退火的加工余量,应保证在其后加工过程中能将表面缺陷、脱碳层、贫碳层去除干净。调质件处理前应粗加工成形,沿最后工件的轮廓均匀地留出加工余量,以保证必要的淬硬深度(遇台阶或截面突变处仍应圆角过渡)。各道热处理工序之前的加工余量应大于热处理可能产生的畸变量。合理安排各道次去应力处理前后的加工量。在最后一次去应力时,加工余量尽可能小些,如去就历程后的加工量过大,会重新在零件内部形成较大的内应力。尤其对于渗氮和氮碳共渗零件,最终热处理前的内应力大小,常常是影响最终热处理畸变量的决定性因素。
2)某些形状比较复杂、在表面淬火时易引起畸变的零件,有些加工环节可放在表面淬火后进行,例如带内花键孔的齿轮可在齿面高频淬火后进行拉削内花键。
3)对于圆周上有开口的零件,如弹簧夹头,应在淬火后再切开。
4)对于热处理后畸变有规律、而热处理后又不便修正的零件,可采用在加工时预留变形量的方法,使热处理后工件尺寸落在公差范围之内。如机床导轨表面淬火后变形规律总是下凹,则在淬火前加工成上凸;渗氮零件也常考虑尺寸胀大量来解决变形问题。

(1)关于齿轮变形问题的讨论
齿轮热处理畸变的情况很复杂,是全部冷、热加工工序影响因素的综合反映。机械加工产生的残留应力,热处理过程的热应力、组织应力均会对变形产生一定的影响。而它们的影响因素较多,涉及原材料、工件结构形状设计、整个工艺过程、技术要求、机加工方法、加工条件、热处理工艺(加热、冷却)、工装等。有时单从热处理方面采取措施来解决齿轮的变形有一定的困难,故要从冷、热加工全过程的各种因素来考虑,具体情况具体分析,采取相应措施,排除或减弱不利因素的影响程度,这是减少齿轮热处理畸变的有效方法。下面列出了低合金钢渗碳淬火的变形因素。
1)原材料。在齿轮选材正确的前提下,原材料的纯洁性、均匀性、淬透性(简称“三性”)是影响渗碳淬火齿轮变形的主要因素。①纯洁性指材料的纯净度,钢中存在杂质会使钢的基体分割成许多成分、性能、状态各异的小区域,严重时不仅使工件渗碳淬火后的畸变大,而且可能引发裂纹,并降低材料的力学性能。因此希望杂质尽可能少,通常非金属夹杂物控制在≤2级。②均匀性包括成分、组织及缺陷分布的均匀性。成分不均的偏析导致渗碳淬火后工件各部位的组织、力学性能、应力分布不同,难免出现畸变。出现的带状组织、混晶、魏氏组织等不良组织对变形影响也很大。一般要求原材料的带状组织≤2级。③淬透性包括淬透性值的高低及淬透性带的宽窄。通常淬透性值太高,冷却时马氏体转变更为剧烈,工件畸变更大,甚至出现裂纹。普遍认为J9的大小最为关键,J9=28~42HRC对于汽车齿轮比较合适;J9>42HRC时,材料在渗碳淬火后不仅畸变更大,而且在使用过程中易产生脆断。至于淬透性带,通常认为较窄的好,带宽太大说明成分的均匀性差,淬火后变形无规律,一般要求≤6~7HRC(国外有的要求为3HRC)。控制材料“三性”主要有精选炉料、严格控制钢液成分,必要时采用炉外精炼,钢液冷却时适当增大结晶速度,减少枝晶的形成。注意锻轧时温度(包括加热温度、始锻轧温度及终锻轧温度)及锻轧比,有条件的增加高温均匀化退火处理。
2)工件结构形状设计。为了减小变形,工件设计时应尽量避免尖角、薄壁、台阶等结构,对那些不可或缺的孔、槽、筋等,应力求分布均匀、对称,截面急变的区域应设计有均匀过渡区,如设置圆角、斜角等结构,以及减小应力集中。
3)锻造。锻造不仅成形,而且改善材料的内在缺陷,压合空洞,减少疏松等,可提高材料的均匀性、致密性,并形成合理的流线结构,提高强度。如锻造中形成过程组织、折叠、裂纹、不合理的流线分布、严重的带状组织、残留应力等,均会严重影响渗碳淬火畸变,甚至造成开裂。
4)正火。正火是渗碳前的一种常用的预备热处理工艺,良好的正火处理能达到减小及防止工件热处理畸变的目的。普通正火由于工件的加热、冷却不均匀,使其硬度和组织不均匀,还易形成粒状贝氏体组织,增大齿轮渗碳淬火的畸变。近年来国内外广泛采用的等温正火工艺(有人称等温退火),由于采用连续式炉,加热、冷却可控,获得均匀的组织和硬度,使渗碳淬火的畸变更小。从正火温度冷至等温温度的降温速率以多大为佳,目前尚无定论。有人认为应快些(10℃/s),以求得到更多、更细的珠光体。国内大多为3℃/s,正火组织中铁素体量高达50%。
5)机加工。机加工残留应力和表面粗糙度等淬火畸变影响也很大。曾有人发现,渗碳淬火前在工件上打上一小小钢印,其残留应力就使畸变增大0.01~0.08mm。表面粗糙度Ra为3.2μm时,公法线长度一般胀大0.03~0.05mm,表面粗糙度优于Ra为0.8μm时,公法线长度变化明显减小。
6)渗碳淬火。①设备。具有良好的炉温均匀性、密封性和气氛均匀性的设备,使渗碳件的质量稳定,其淬后的畸变小。②工件装夹。应使工件得到合理的支撑,避免因自重引起高温下的形变,并应力求使工件加热、冷却均匀,达到可减小畸变和确保变形的规律性。具体的工装夹具应按工件的形状尺寸、处理设备,通过经验摸索或计算机模拟得出。③工艺。一般认为降低渗碳温度和淬火加热温度对减小畸变效果显著。合理调整强渗期与扩散期的比例,控制渗层的碳质量分数和碳量分布,不仅能优化渗层组织,而且可减小畸变。相对而言,淬火过程对畸变的影响更为显著。选择合适的淬火介质、介质的使用温度、冷却液的合理搅拌及流向,做到工件均匀冷却,对于减少工件的畸变起着至关重要的作用。
7)关于齿形齿向的变形。齿形齿向一般不再加工,其变形会降低齿轮精度,从而降低运动的平稳性,增大机械噪声。低碳合金钢齿轮渗碳淬火后一般齿形和压力角增大,齿顶处变负,其齿向和斜齿轮螺旋角减小(齿拉直),但有时不完全遵循此规律。
总之,渗碳淬火工件的畸变是很复杂的,解决畸变的办法,一方面是学习别人的经验,另一方面是按实际情况运用统计试验方法(如优选洗、正交法、回归法和模拟法等)不断进行试验总结。即要认识问题的普遍性,又要注意问题的特殊性,要认真处理好与变形相关的每一个环节,把工作做得更细、更实。合格的材质、良好的锻造、规范化的预备热处理、有效的冷热加工配合是减小和稳定热处理畸变不可忽视的环节。
(2)关于齿轮表面喷丸强化的讨论
喷丸强化是将钢质(或玻璃质)的弹丸加速到一定速度(通常为50~90m/s)后投射(撞击)到金属零件表面进行冷加工的方法。它使金属表面产生塑性变形,细化表面组织,并使表面造成残留压应力状态。汽车齿轮渗碳淬火后表面进行喷丸强化处理不仅可消除机械加工过程中(磨削、刮削、校形等)所产生的拉应力,而且能使齿轮表面在热处理过程中形成的不良组织(如黑色组织、微氧化层、锈蚀、脱碳层及过多残留奥氏体组织)的影响降低到最小程度,同时改善齿轮因连续刀痕或凹槽、孔和过渡圆角等结构因素所造成的应力集中现象,从而提高齿轮的疲劳寿命。一般来说,渗碳淬火齿轮经喷丸后,弯曲疲劳极限可提高20%~30%,接触疲劳极限提高5%~7%,另外还提高了表面硬度(表层0.15~0.35mm发生加工硬化和残留奥氏体转变所致)、细化微观亚结构、增加位错密度、亚晶细化等。
喷丸强化常用喷丸强度指标衡量,即通常的阿尔门(Almen)试片的弯曲孤高度。喷丸强度的选定主要取决于齿轮模数或齿根硬化层厚度。值得注意的是喷丸强度并非越高越好,过高的喷丸强度反而会降低齿轮的接触疲劳寿命(俗称过度喷丸)。喷丸强化的覆盖率、残留压应力大小及弹丸质量、弹丸速度等均影响喷丸强化的效果。
有关喷丸强化工序的安排:
1)喷丸强化效果主要体现在齿面下0.15mm深的范围内,故对齿面需进行磨削或对硬齿面进行刮削时,喷丸强化应安排在这些工序后。而衍齿、研齿、或抛光工序因对齿面切削效应小,可安置在喷丸强化之后。
2)关于需再加热(去应力等)的工序。因温度大于190℃后,残留应力会迅速降低,故齿轮喷丸后不允许再用190℃以上的温度加热。
3)关于工件校直工序。工件经校直后才允许实现喷丸强化处理,否则会丧失喷丸强化效果,甚至出现开裂现象。
4)关于影响表面粗糙度的问题。一般喷丸强化后会适当降低齿轮的精度和增加粗糙度。对于不允许增加粗糙的面(如抛光面等),在实施喷丸工序前须对这些面进行屏蔽保护。
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