全自動熱處理生產(chǎn)線工藝應用研究

牟懷飛，張楠，馮凱強，劉海燕，李丹，張仙平

第一拖拉機股份有限公司 河南洛陽 471003

1 序言

我公司引進的一條易普森箱式多用爐全自動生產(chǎn)線主要由3臺滲碳主爐、3臺回火爐、1臺清洗機以及1臺雙向裝/卸料車等組成，并且配備AutoMag4.0生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)。爐膛有效尺寸為1220mm×760mm×760mm，最大裝爐量1000kg（包括夾具），爐壁為油冷方式。該自動生產(chǎn)線主要用于軸齒件的滲碳、碳氮共滲、淬火及回火等熱處理工藝。下面簡述該生產(chǎn)線的特點。

1.1 氮-甲醇氣氛

該多用爐全自動生產(chǎn)線選用的氮-甲醇氣氛控制系統(tǒng)。將特定比例的氮氣和甲醇直接通入滲碳爐內(nèi)，甲醇在爐內(nèi)充分裂解并與氮氣混合，形成類似于吸熱式氣氛的稀釋保護氣氛。同時，通入丙酮作為富化氣、空氣作為平衡氣，通過控制丙酮和空氣的通斷來調(diào)節(jié)碳勢。

1.2 計算機控制系統(tǒng)

采用AutoMag4.0自動生產(chǎn)管理軟件，用于熱處理工藝的登記、記錄和歸檔；計算機輔助全自動裝卸，靈活程序管理?？刂葡到y(tǒng)由多個部件組成，可以控制和監(jiān)控設備的各種不同操作，每個設備區(qū)域有單獨的計算機與設備通信；生產(chǎn)時只需選擇所需的程序號，計算機即可按照程序控制溫度、碳勢，自動完成滲碳淬火、回火等機械動作，計算機還顯示現(xiàn)行狀態(tài)及處理歷史。

1.3 氣氛控制系統(tǒng)

采用Carb-o-Prof軟件，該軟件具備工藝程序仿真、工藝自適應控制、報警記錄、爐料檔案、材料數(shù)據(jù)庫與合金系數(shù)計算、模擬圖動態(tài)顯示、故障報警記錄及ERP接口等功能。其中，氧探頭采用整根二氧化鋯管，并增加補償電解質(zhì)，增加了信號穩(wěn)定性，提高了使用壽命[1]；氧探頭接觸電極使用特殊合金，保證了測量精度。

1.4 安全防護

1）如果電源或保護氣體供應發(fā)生故障，爐內(nèi)將自動充氮氣凈化。若爐子不是用于氮碳共滲，當爐內(nèi)溫度降至安全點 750℃以下（例如，由于加熱發(fā)生故障）以及爐子運行失控時，爐內(nèi)也能自動充氮氣（進出爐的延時期內(nèi)除外）。

2）如果熱電偶斷裂或超溫，則爐子停止加熱。

3）在自動操作方式中，工件在爐內(nèi)的傳送有保護功能，以免在工作位置上重復裝料。

4）若一個爐內(nèi)的傳送動作未能在規(guī)定的安全時間內(nèi)完成，則進行聲光報警。

5）在有淬火室排氣口點燃的條件下，爐內(nèi)傳送鏈才能動作。

6）淬火油超溫或攪拌系統(tǒng)發(fā)生故障時，則停止淬火油加熱并且進行聲光報警。

2 性能測試

2.1 溫度均勻性測試

對多用爐全自動生產(chǎn)線中滲碳主爐和回火爐的溫度均勻性進行了全面測試，包括滲碳淬火爐850℃、900℃、930℃的爐溫均勻性，高溫回火爐180℃、550℃的爐溫均勻性以及低溫回火爐180℃的爐溫均勻性；采用9點測溫，熱電偶布置按GB/T 9452—2012《熱處理爐有效加熱區(qū)測定方法》規(guī)定布置，如圖1所示。

圖1 爐溫均勻性測試熱電偶分布

滲碳淬火爐爐溫均勻性測試結(jié)果見表1，回火爐爐溫均勻性測試結(jié)果見表2。測試結(jié)果表明，多用爐全自動生產(chǎn)線的滲碳淬火爐爐溫均勻性為±3.9℃，回火爐爐溫均勻性為+2.4～－1.8℃，符合要求。

表1 滲碳淬火爐爐溫均勻性測試結(jié)果 （℃）

表2 回火爐爐溫均勻性測試結(jié)果 （℃）

2.2 層深以及組織均勻性

對滲碳淬火爐進行了滲層均勻性測試，對3臺滲碳爐分別進行3次9點試驗，熱后分別對其有效硬化層深、表面硬度及金相組織等進行檢測（見表3）。結(jié)果顯示，9點位置的有效硬化層深均勻性、硬度均勻性及金相組織都大大滿足了軸齒件產(chǎn)品的技術(shù)及標準要求。

表3 滲碳淬火爐有效硬化層深、金相組織均勻性測試結(jié)果

除了9點試驗外，還針對同一工藝進行了多批次的工藝試驗，對各爐次的熱處理指標進行了統(tǒng)計，結(jié)果見表4。從對比結(jié)果來看，其有效硬化層深和表面硬度波動量比較小，金相組織級別遠高于標準要求，同工藝下的熱處理質(zhì)量比較穩(wěn)定。

表4 同工藝不同爐次的有效層深、金相組織均勻性測試結(jié)果

3 減少熱處理變形的工藝研究

由于滲碳淬火熱應力和組織應力的綜合影響會引起工件變形（如細長軸件、花鍵孔零件，特別是不規(guī)則結(jié)構(gòu)零件尤為明顯），所以為了減少滲碳件的變形，此次試驗通過采取調(diào)整工藝參數(shù)，制作專用工裝，提高淬火冷卻介質(zhì)溫度，以及改變工件的裝爐方式等措施，明顯改善了工件的變形情況[2]。其中在淬火控制方面，由安裝在油槽兩側(cè)的4個攪拌器及其相應的導流系統(tǒng)實現(xiàn)強力攪拌循環(huán)，淬火油槽分隔成多個柵格，使得淬火油能夠均勻地穿過所有的工件縫隙，保證各部位工件冷卻速度的一致性；同時，選擇冷卻速度較慢的好富頓755H等溫淬火油，為減小淬火變形提供了必要條件。

以下是三種熱處理變形較難控制的零件，看一下工藝試驗結(jié)果。

3.1 嚙合套齒座

嚙合套齒座結(jié)構(gòu)如圖2所示。滲碳層深0.8～1.2 m m，齒面硬度5 8～6 4 H R C，內(nèi)花鍵M=φ30.23mm±0.05mm。裝爐方式為大端朝下平裝，熱處理工藝參數(shù)見表5。該零件屬于典型不對稱結(jié)構(gòu)，上下壁厚不均勻，易導致熱后內(nèi)花鍵M值縮量不一致，小端比大端縮量大，上下錐度也較大，易造成綜合塞規(guī)大端過、小端不過的現(xiàn)象。本次通過工藝試驗，從其檢測結(jié)果來看，大小端錐度在0.05mm以內(nèi)，M值變化比較穩(wěn)定，如圖3所示。

圖2 嚙合套齒座結(jié)構(gòu)

圖3 嚙合套齒座熱后M值變化

表5 嚙合套齒座熱處理工藝參數(shù)

3.2 中檔從動齒輪

中檔從動齒輪結(jié)構(gòu)如圖4所示。有效硬化層深1.0～1.4mm，內(nèi)花鍵M=φ30.26mm±0.05mm，此零件為大徑定心類內(nèi)花鍵零件，產(chǎn)品對大徑尺寸要求為44.9+0.035+0mm，其公差范圍小且內(nèi)花鍵上下端壁厚不均，熱后零件經(jīng)常因小端縮孔及大徑尺寸超差而報廢，熱處理變形很難控制。本次試驗通過采取降低滲碳、淬火溫度以及提高淬火油溫等措施[3]，最終滿足大徑塞規(guī)過端過、止端止的工藝要求，M值縮量在0.08～0.16m m，如圖5所示。大徑縮量在0.02～0.035mm，熱處理變形得到有效控制（見表6）。

表6 中檔從動齒輪熱處理工藝參數(shù)

圖4 中檔從動齒輪結(jié)構(gòu)

圖5 中檔從動齒輪熱后M值變化

3.3 薄壁嚙合套

薄壁嚙合套結(jié)構(gòu)如圖6所示。滲碳層深0.8～1.2mm，內(nèi)花鍵M=φ70.98mm+0.12mm，翹曲≤0.10mm。該零件屬于薄壁嚙合套類結(jié)構(gòu)，滲碳淬火后容易產(chǎn)生圓度超差和翹曲，且內(nèi)花鍵縮量也不易保證，熱后經(jīng)常不是圓度超差就是翹曲不合格，影響零件熱回。此次采用易普森多用爐對該零件進行工藝試驗，裝料方式采用平裝，通過采取降低淬火溫度，采用755H等溫淬火油等措施，熱后檢測零件M值縮量穩(wěn)定變形量在0.06mm以內(nèi)，圓度在0.04mm以內(nèi)，翹曲≤0.07mm，結(jié)果如圖7所示。

圖6 薄壁嚙合套結(jié)構(gòu)

圖7 嚙合套熱后M值變化

3.4 AutoMag4.0生產(chǎn)系統(tǒng)的應用

AutoMag4.0為自動生產(chǎn)管理系統(tǒng)，可自動完成從備料到卸料的一系列熱處理工藝過程，并能做到遠程控制。新建線的工藝路線為：人工對零件料盤裝料→人工輸入上線指令并自動生成生產(chǎn)線管理批次代碼和生產(chǎn)工序卡→自動線根據(jù)爐線資源現(xiàn)狀自動安排入線料盤的熱前等待、前清洗、滲碳直淬（或緩冷）、清洗、高溫或低溫回火（風冷）、熱后（卸料）等待→人工對熱后零件卸料轉(zhuǎn)移至后工序；生產(chǎn)線的料盤計劃由系統(tǒng)自動進行生產(chǎn)過程控制，期間無需另外人工干預（日常巡檢、點檢除外）。因此，正常工藝生產(chǎn)條件下，新建線配置的18個固定等待站臺（其中3個帶風冷功能）可滿足全線不少于連續(xù)30h的上下料周轉(zhuǎn)占用量，極大程度地減少了人力資源的投入。

4 結(jié)束語

1）通過全自動生產(chǎn)線的工藝開發(fā)應用，提升了齒輪件滲碳淬火指標。滲碳直淬工藝的硬化層深均勻性達到±0.08mm，硬度均勻性達到±1.5HRC，金相組織級別高于相關(guān)標準要求。

2）通過運用生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了全自動滲碳淬火生產(chǎn)線工藝過程的控制，全線自動生產(chǎn)過程無需人工干預，極大節(jié)省了人工成本。

3）在改善加熱及淬火條件、選用合適的淬火冷卻介質(zhì)條件下，通過采取改變裝料方式、設計裝爐工裝、調(diào)整工藝參數(shù)及淬火油溫等措施，減小了熱處理變形，提高了零件的尺寸精度。