超高強(qiáng)度鋼肩軸真空熱處理畸變量的控制

陳萬(wàn)昆，趙松彬，李繼良

鄭州飛機(jī)裝備有限責(zé)任公司 河南鄭州 450005

1 序言

肩軸是鄭州飛機(jī)裝備有限責(zé)任公司生產(chǎn)的一種重要的結(jié)構(gòu)承力件，材料為30CrMnSiNi2A，長(zhǎng)度為581.5mm，具體形狀如圖1所示，其技術(shù)要求為：σb=（1665±100）MPa，跳動(dòng)量≤0.55mm。采用立式真空油淬爐生產(chǎn)17批次零件，統(tǒng)計(jì)結(jié)果是50.7%肩軸淬火畸變量超出了技術(shù)要求，最大畸變量達(dá)到1.5mm。肩軸材料具有較強(qiáng)的缺口敏感性，淬火畸變后只能采用冷壓方法校正，σb=1665MPa的強(qiáng)度，冷壓校正難度極大，有較高的危險(xiǎn)性。針對(duì)出現(xiàn)的此問(wèn)題，本文研究了控制肩軸真空油淬畸變的工藝方法。

圖1 肩軸形狀

2 影響淬火畸變因素分析

2.1 肩軸工藝流程與熱處理工藝曲線

零件的工藝流程為：自由鍛毛坯→機(jī)加工→去應(yīng)力回火→機(jī)加工→淬火、回火→機(jī)加工→低溫回火→表面處理。

肩軸的熱處理工藝曲線（真空淬火工藝中真空度1～10Pa）如圖2所示。

圖2 肩軸熱處理工藝曲線

2.2 肩軸淬火畸變機(jī)理

對(duì)變形肩軸測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)顯示，肩軸變形最大部位都在圓柱體最上部小孔附近（見圖3），這個(gè)部位截面尺寸變化大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。針對(duì)這種情況，對(duì)肩軸現(xiàn)有工藝流程進(jìn)行剖析，從零件結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)、綁扎方式、裝爐控制及淬火冷卻等方面進(jìn)行了分析。

圖3 淬火冷卻模擬

根據(jù)熱處理零件淬火畸變規(guī)律，找出影響肩軸淬火畸變因素如下。

1）裝掛不合理。肩軸重心和零件懸掛點(diǎn)連線與重力作用線存在夾角，肩軸加熱和保溫時(shí)，由于肩軸自重比較大，因此在重力作用下產(chǎn)生塑性變形。

2）肩軸形狀復(fù)雜。前工序機(jī)加工時(shí)，破壞了零件表面應(yīng)力均勻分布狀態(tài)，存在較大的殘余應(yīng)力，肩軸加熱過(guò)程中，殘余應(yīng)力與熱應(yīng)力疊加使肩軸產(chǎn)生畸變。

3）工藝參數(shù)不當(dāng)。肩軸加熱時(shí)零件內(nèi)外溫差較大，在熱應(yīng)力作用下肩軸產(chǎn)生畸變。

4）裝爐時(shí)，肩軸掛裝間距不同，同一件肩軸不同部位加熱和冷卻都不均勻，在組織應(yīng)力和熱應(yīng)力作用下肩軸產(chǎn)生畸變。

5）肩軸在冷卻過(guò)程中，由于形狀比較復(fù)雜，同一個(gè)零件不同部位冷卻不均勻，組織轉(zhuǎn)變不同步，所以在組織應(yīng)力和熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生畸變。

3 方案制定與實(shí)施

3.1 根據(jù)畸變機(jī)理制定方案

1）設(shè)計(jì)制作工裝，限制肩軸自由度，確保零件重心和零件懸掛點(diǎn)連線與重力作用線存在夾角接近于零。

2）熱處理工藝參數(shù)優(yōu)化。增加去應(yīng)力回火工序，肩軸冷至室溫后重新裝爐加熱，嚴(yán)格控制零件之間掛裝間距均勻，并延長(zhǎng)淬火加熱第一階段670℃保溫時(shí)間，確保零件內(nèi)外溫差縮小。

3）調(diào)整肩軸吊掛方向。讓肩軸錐體部分在上面，改變淬火油進(jìn)入半封閉型腔的方向。

4）改變冷卻方式。在淬火過(guò)程中，肩軸入油冷卻，半封閉內(nèi)腔口部入油后，淬火油受熱后快速氣化，并從內(nèi)腔底部?jī)蓚?cè)小孔沖出，大量的油氣混合物對(duì)小孔周圍的組織起到快速冷卻效果。但是，此時(shí)兩側(cè)小孔通過(guò)冷卻介質(zhì)的速度和總量因受外界環(huán)境影響不同而不同，兩孔附近的冷卻速度不一致，導(dǎo)致肩軸兩側(cè)馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)間不一致，先發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的一邊會(huì)在零件表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，后發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的另一邊，零件溫度相對(duì)較高，有一定塑性，這樣在組織應(yīng)力的作用下使肩軸產(chǎn)生了塑性變形。當(dāng)零件半封閉型腔內(nèi)外雙側(cè)冷卻改為外側(cè)冷卻時(shí)，由于該零件外部形狀近乎對(duì)稱，各部位冷卻速度基本相當(dāng)，肩軸淬火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力相對(duì)均勻，因此肩軸產(chǎn)生的淬火畸變理論上會(huì)變小。

3.2 措施實(shí)施

（1）措施1 制作工裝限制肩軸吊掛后的自由度。將肩軸分成使用工裝和不使用工裝兩組（產(chǎn)生的變形量見表1），單爐次裝掛12件進(jìn)行試驗(yàn)（見圖4，圖中1是內(nèi)側(cè)，2是外側(cè)）。

圖4 零件裝掛示意

表1 限制軸肩吊掛自由度產(chǎn)生的變形量 （mm）

從表1中可知，使用工裝限位后，肩軸變形量合格率達(dá)到了50%。限制肩軸吊掛后自由度的方法對(duì)控制肩軸變形量合格率效果不明顯。

（2）措施2 在淬火工序之前增加（550±10）℃去應(yīng)力回火，產(chǎn)生的變形量見表2。

表2 增加回火后產(chǎn)生的變形量 （mm）

從表2中可知增加去應(yīng)力回火后，肩軸變形量明顯變小，合格率達(dá)到了57.1%。用（550±10）℃進(jìn)行去應(yīng)力回火的方法對(duì)控制肩軸變形量效果明顯，但合格率提高仍不理想。

（3）措施3 調(diào)整吊掛方向。采用與原來(lái)相反的吊掛方向，單爐次裝掛7件進(jìn)行試驗(yàn)，變形量見表3。

從表3中可知，調(diào)整吊掛方向后，肩軸變形量合格率達(dá)到了42.9%，表明調(diào)整吊掛方向的方法對(duì)控制肩軸變形量合格率幾乎沒(méi)有效果。

表3 調(diào)整吊掛方向產(chǎn)生的變形量 （mm）

（4）措施4 用工裝把內(nèi)腔口部進(jìn)行封堵，改內(nèi)外雙側(cè)冷卻為單側(cè)冷卻。由于肩軸外部形狀比較對(duì)稱，各部位冷卻速度基本相當(dāng)，肩軸淬火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力相對(duì)均勻。用兩個(gè)批次共24件肩軸進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)。有關(guān)資料顯示，30CrMnSiNi2A鋼單邊冷卻的管材油淬，可淬透直徑至20mm[1]，肩軸型腔最大厚度也只有18mm，如果從單面冷卻，完全可以淬透。我們采用工裝把內(nèi)腔口部進(jìn)行封堵后再進(jìn)行真空淬火，對(duì)兩個(gè)批次的肩軸進(jìn)行交叉工藝試驗(yàn)。試驗(yàn)分組情況見表4。

由上述數(shù)據(jù)可知，采用措施4的肩軸變形量合格率達(dá)到了87.5%，有效降低了肩軸的變形量。

3.3 工藝效果

經(jīng)過(guò)大量實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，同時(shí)采用措施2、措施4兩種工藝方法處理的肩軸，變形量合格率達(dá)到了98%。充分驗(yàn)證了措施2、措施4綜合工藝方法對(duì)肩軸真空淬火變形量的控制具有較好的效果。措施1、措施3肩軸畸變量控制效果不理想。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，可得出如下結(jié)論。

1）制作工裝對(duì)肩軸吊掛后自由度進(jìn)行限制、調(diào)整吊掛方向等方法對(duì)控制肩軸變形量合格率效果不明顯。

2）肩軸在淬火前增加（550±10）℃去應(yīng)力回火；冷卻時(shí)，將肩軸內(nèi)外雙側(cè)冷卻改為外側(cè)單邊冷卻的方法，使其冷卻更均勻。這兩種措施有效地降低了肩軸真空淬火過(guò)程的畸變量，顯著提高了肩軸畸變合格率，縮短了生產(chǎn)周期。