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轴感应淬火变形问题的解决方法

作者:机械圈日期:2022-04-05浏览:359分类:金属材料

作者:郝丰林,单位:江苏双环齿轮有限公司,来源:《金属加工(热加工)》杂志

我公司是传动部件专业制造厂,有许多客户的类产品要求中频淬火,由于客户众多,产品多样,不可能买很多种感应设备,只能对现有的感应设备调试。在调试的过程中不可避免地出现一些问题,下面主要介绍一种花键轴扫描淬火出现的问题及解决方法。

一、提出问题

图1是一种长轴类产品,技术要求:两端花键部位硬化层3.5+3mm/500HV1(检测部位离端面13mm处),中间部位硬化层6+2mm/500HV1、表面硬度要求56~64HRC,花键M值要求71.66~71.74mm。

感应淬火要求的长度较长,超过600mm。根据产品的要求和现有设备,我们只有采用扫描淬火,轴在试制过程中出现的问题主要是花键变形不合格。经过多次试验,最终找到一个合适的淬火方法,减少花键变形,达到批产合格。

轴感应淬火变形问题的解决方法

图1 产品装夹图

二、第一次试验

第一次试验做6件,热前花键M值要求71.66~71.68mm。实测71.66~71.67mm,热处理后实测开始点花键M值在71.70~71.74mm之间,花键能通能止,结束点花键M值在71.64~71.67mm,离端面有3~10mm花键止不住。硬化层形状见图2。

轴感应淬火变形问题的解决方法

a)中频开始点                             b)中频结束点

图 2

三、第二次试验

热前花键M值要求71.68~71.70mm。这次试验花键是热前热后花键敲点,做数据对比试验。经过试验发现中频开始的部位花键涨0.04~0.08mm,结束点的部位花键缩0.01~0.02mm。这样中频后的产品开始点花键通不进,中频结束点花键合格。检测开始点M值在71.73~71.76mm之间。结束点M值在71.67~71.68mm之间。检测见图3。花键淬火在开始点涨,在结束点缩。

轴感应淬火变形问题的解决方法

a)中频结束点                                            b)中频开始点

图 3

四、第三次试验

根据第二次试验结果,根据图样检测硬化层要求,检测位置要求从端面13mm开始检测,根据这个要求可以看出,要求端面可以部分不淬火。根据该要求我们对于花键M值在71.68~71.70mm之间的花键轴进行第三次试验,主要是调整开始点淬火位置。同样做标识测量淬火前后的M值,这样处理的花键,开始点涨0.01~0.035mm,花键热前M值只要在71.68~71.70mm之间,热后就是合格。硬化层形状检测如图4所示。

轴感应淬火变形问题的解决方法

a)中频开始点                                        b)中频结束点

图 4

花键热前M值范围差控制在0.02mm,对于批量生产有困难,尤其产品又重,批量生产材料淬透性的变化、调质质量的稳定性、感应淬火过程的控制还是会出现花键变形超差的产品。根据成品尺寸的要求71.66~71.74mm之间及感应淬火变形数据,开始点花键M值在71.65~71.705mm之间,结束点花键M值在71.68~71.75mm之间,花键过程加工M值控制在0.05~0.07mm之间可以保证,只要标识好,感应淬火按照标识淬火,但是这样会增加加工过程的难度,因此这个方案不可行。

按照第三次试验工艺,生产了部分产品,每次感应淬火都要用花键套检测花键开始点变形。一般先做6件,只要有花键不合格就要检测硬化层,通过调整硬化层深度、硬化层区域来保证变形合格,在工艺上主要是调整加热时间、加热始点位置、加热功率。感应淬火后出现花键不合格的主要原因是:热前尺寸不在要求范围内、调质质量问题、材料变化。出现不合格品花键M值尺寸在71.74~71.75mm之间(根据这个数据热前M值范围差可以控制在0.03mm),只要花键始点涨量减少0.01mm,热后花键就会全部合格。

花键采用扫描淬火始点花键涨,终点花键缩。根据这个现象分析,花键从端面开始加热时在热应力下膨胀,加热到淬火温度后,开始冷却,在冷却时热应力造成尺寸缩小,但由奥氏体转变为马氏体组织时,尺寸涨大。在这个过程中组织应力大于热应力,表现为花键涨。如果把花键加热的开始点为离端面一定距离时,花键加热位置改变后,加热时花键尺寸膨胀由于受两端没有加热位置的影响,会减少加热时的膨胀量,加热到淬火温度后,开始冷却,在冷却时热应力造成尺寸缩小,但由奥氏体转变为马氏体组织时,尺寸涨大。由于受端面没有组织转变的影响,也会降低膨胀量。因此,花键改变淬火始点后尺寸变化量是0.010~0.030mm,而不是从端面开始淬火的0.040~0.080mm。产品尺寸较长,采用扫描淬火,到淬上端花键时,由于感应淬火硬化层相当于一根管子,其轴向组织应力远大于横向组织应力,在加热的过程中这个硬化管不断地膨胀,造成花键淬火后缩小(主要是组织应力影响大,热应力影响较小)。根据以上分析对于始点淬火后只有减少涨量,才能保证花键变形合格。设备是西门子8402D控制系统,对于很多加热方式可以控制。考虑端面预热几秒(加热温度低于850℃),然后停止加热,停顿几秒后,再开始加热。根据这个原理重新制定始点感应淬火工艺,工艺为新工艺一。检测始点花键M值涨量在0.005~0.015mm之间,硬化层形状见图5。

轴感应淬火变形问题的解决方法

图5 新工艺一金相试块

这样试验了30支,在淬火的过程中,由于端面定位尺寸加工的变化,在淬火时看到端面有过热的现象(考虑检测位置在13mm处,不会影响质量)。从开始淬火到结束约4h。工件在箱式回火炉,在150℃回火,到温保温2h。第二天工件清理喷丸时看到有13件出现端面剥圈裂纹,见图6。检测花键变形全部合格。检测有裂纹的工件主要是端面过热造成的。

轴感应淬火变形问题的解决方法

图6 新工艺一处理

新工艺一处理的花键变形全部合格,只要解决了裂纹,这个处理方式就会保证花键变形合格,这样热前花键M值公差可以放大。由于端面定位孔的变化造成裂纹,那么能否采用第三次试验工艺的加热位置来减少过热。还是在新工艺一原位置预热,停顿几秒后回到第三次试验工艺的加热位置开始加热,这样由于端面温度高,塑性好,加热时尺寸膨胀可以向端面移动,由于端面温度高应力小,组织应力可以沿轴向方向释放,冷却时组织转变的应力也可以减少。根据这个思路我们重新优化了始点感应淬火工艺,这个工艺定为新工艺二,检测涨量在0.010~0.015mm。检测始点花键硬化层形状见图7。

轴感应淬火变形问题的解决方法

图7 新工艺二金相试块

按新工艺二同样处理了30件,回火后检查没有裂纹,花键变形都合格。新工艺二处理的产品,两个端面硬化后的颜色及形状都很类似(图8与图3比较)由于涨量减少,只要冷加工尺寸控制与原先一样,感应淬火后的尺寸都是合格的。图8与图6比较,可以发现图6淬火明显比图8的颜色深,端面基本颜色都变化了,说明淬火效果好,也就有裂纹的风险。

轴感应淬火变形问题的解决方法

图8 新工艺二处理的始点

通过多次试验,找出变形的规律及变形的原因,保证了批量生产,减少了公司损失,希望对其他公司有所帮助。

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