用淬火模具控制薄壁齿轮淬火变形
所用材料为20Cr2Ni4A钢,其化学成分如表1所示。
该齿轮的技术要求是:渗碳层深度应为1.3-1.6毫米,表面硬度应等于或高于60HRC,中心硬度应为35至49HRC,端面翘曲度不应超过0.25 mm,内孔圆度应在0.25mm以内。
表1 20Cr2Ni4A钢薄壁齿轮化学成分
(质量分数) (%)
C | 锰Mn | 铬Cr | Ni |
0.17~0.24 | 0.30~0.60 | 1.25~1.75 | 3.25~3.75 |
原来的淬火工艺方案考虑到了零件由于其形状特点而产生翘曲的问题。但该方案忽视了零件的薄壁特性,仅增加淬火芯轴来控制内孔的圆度变化。
由于齿轮属于薄壁零件,其薄壁特性无法得到有效控制,导致薄壁零件最外端尺寸增大。在某些情况下,个别零件增加了1.5毫米以上。
从外观尺寸来看,零件呈现“喇叭口”形状,圆度超过1.0mm,严重影响后续加工,并可能因尺寸变化而直接报废。
1.原因分析
上述薄壁齿轮零件的变形给下一步加工带来很大困难,特别是由于基准的变化而导致最终齿形加工的完成。
我们发现这种变形的两个主要原因:
1)淬火过程中控制了内孔的圆度,但薄壁件没有控制,导致因组织应力和热应力而产生畸变。
2)薄壁处的变形导致端部翘曲增加。
为了控制这种变形和翘曲,需要在淬火时对薄壁件和端面进行限制。这样做可以保证零件在淬火过程中的变形量落在工艺要求的范围内。
根据我们的分析,薄壁零件尺寸增大和端部翘曲过大是由于淬火过程中措施不力以及对易变形零件缺乏限制造成的。
为了减少零件变形,此类零件在淬火过程中应平放在淬火油中。然而,由于每个部分之间的尺寸差异,这种方法可能会导致每个部件的冷却不均匀。这反过来又会导致热膨胀和收缩之间的不协调,导致薄壁尺寸增加和零件翘曲变形。
如果不采取适当的控制措施,零件的翘曲变形将继续增加,影响产品质量并造成损失。
2、热处理工艺及工装的改进及效果
综上所述,零件的热膨胀和冷收缩不同步,导致薄壁零件尺寸膨胀。
为了有效解决此类问题,我们将改进流程和工具。具体来说,我们会根据零件的结构特点以及实际生产中使用的淬火设备来设计淬火工装,如图2所示。我们还会对整个淬火过程中容易变形的零件进行限制,有效调节各零件的冷却速度,保证零件冷却均匀。这些措施将提高零件的淬火合格率。
- 1.心轴;
- 2、内压模具;
- 3、下模;
- 4、滑块;
- 5、外压模具;
- 6. 垫圈;
- 7. 六角头螺栓。
2.1 淬火模具设计
为了解决零件变形问题,根据零件的形状特征对淬火模具进行了重新设计。
这种特殊的淬火模具包括外模、内模、下模、六个滑块、心轴等,如图3至图7所示。
淬火模具的滑块通过螺栓与外模连接,外模通过螺钉与淬火压力机连接。
在外模下降过程中,由于外模附在淬火压力机上,滑块沿外模内壁的15°斜面移动。
当内模压在零件表面上时,滑块完成其运动并与零件外圆贴合。这种外圆尺寸的固定,控制了零件在淬火过程中的尺寸变化,达到了淬火模具控制零件变形的目的。
1)将滑块与外压模连接,保证滑块保持自由状态,不出现锁模停滞现象。
2)将外压模和内压模连接到淬火压力机上,提升到规定高度,并将淬火压力机控制按钮置于自动位置。
3)将下模和芯轴安装在淬火压力机的工作台上。
4)用心轴定位零件并将其放置在下模上。
5)按下淬火压力机上的控制按钮,使内、外压模同时下降。
当内压模具到达零件表面时,连接到外压模具的滑块完美地贴合到零件的外表面,并且外压模具落到工作台上,在工作台和零件之间形成封闭空间。
此时,喷油阀启动,将淬火油充满封闭空间,完成零件的淬火过程。
2.2 淬火模具的使用效果
在淬火压力机上进行淬火过程中,可以根据各种情况及时调整压力机的压力,保证零件持续进行压力淬火。零件的形状和尺寸受到淬火模具的限制,从而限制了零件的翘曲变形,从而保证翘曲变形量保持在要求的范围内。
通过使用这种淬火模具,在淬火过程中可以控制原始薄壁的尺寸变化。零件的圆度可测量并控制在0.25mm左右,不会出现“喇叭口”现象。
另外,通过芯轴的作用,可以将φ115mm内孔的圆度控制在0.2mm左右,显着提高零件的淬火合格率。
3、流程分析及体会
薄壁零件截面差异较大,容易产生变形,包括内孔收缩和端面翘曲变形。这些变形是各种复杂应力共同作用的结果。
因此,采取有效的控制措施来限制或减少零件的尺寸变化,确保其满足后续工序的加工要求至关重要。
通过薄壁件淬火生产实践,得到以下经验:
1、为了解决薄壁零件的尺寸变化,需要根据零件的形状和我们淬火设备的特点,通过改进淬火工装来限制这种变化的程度。具体来说,外压模内壁设计有15°的斜面。
2、根据淬火设备的特点,一端滑块的设计也进行了更新,以配合外压模内壁的尺寸。
3、15°斜面加工过程中,要控制加工精度较高的零件表面粗糙度,如Ra=0.4~0.8μm,防止滑块沿斜面卡死。外压模内壁。
4、淬火下模端面设计有36个沟槽,滑块侧面有6个孔。这种设计有利于零件淬火过程中淬火油的循环,从而增强淬火油的冷却性能和能力。而且,这保证了零件表面的淬火硬度能够满足图纸规定的技术要求。
5、滑块已加工成六片,均匀安装在外压模上。这样保证了外部压模在滑块下落过程中可以避免被夹紧,从而使滑块完全贴合在零件外圆上,限制零件外圆的尺寸变化。
6、零件变形的主要原因是由于截面差异、热应力、冷却时组织应力的综合作用,使零件薄壁尺寸扩大,可呈现“喇叭口”现象。
7、原淬火工艺方案未能有效限制零件淬火过程中产生的各种应力,难以满足工艺技术要求。
8、但淬火过程中使用淬火模具,可以最大限度地限制零件因淬火压力机的压力而产生的变形,有利于平衡相互应力,防止零件翘曲变形。
9、此外,渗碳层碳浓度梯度、金相组织、操作的顺利程度的变化也会影响零件的变形。
10、因此,在实际生产中,必须严格控制各种渗透剂的流量,以保证渗碳层浓度梯度向中心的平稳过渡,并与中心的原始组织平缓结合。这将避免出现太陡的碳浓度梯度,从而影响产品的性能。
4。结论
对于薄壁零件进行热处理,特别是淬火时,需要根据零件的结构特点和图纸要求,仔细分析和识别容易变形的零件。
应根据生产实际情况,采取有效的工艺方法和防护措施,将零件的形状扭曲和尺寸变化控制在工艺要求的范围内。这将确保生产顺利进行并满足必要的标准。