一種齒圈零件端面壓傷問題的研究

車永平

(陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710119)

1 問題的提出

壓淬是滲碳熱處理中的一種重要的工藝方式，主要是為了解決異形、薄壁零件在淬火過程中的不均勻變形問題[1]。壓淬的關(guān)鍵參數(shù)主要包括了壓淬模具設(shè)計、壓力及淬火油流量控制等[2-3]，其中核心問題是壓淬模具的設(shè)計，不僅要考慮到產(chǎn)品的工藝尺寸，也要考慮模具與工件在壓淬過程中的接觸問題。某齒圈類零件最大外徑為φ328.6 mm，齒寬為91.2 mm，由于該零件圓度及跨球距要求較高，因此采用壓淬工藝進行生產(chǎn)。在批量生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)部分零件的凸臺端面出現(xiàn)嚴重的壓傷問題，導(dǎo)致產(chǎn)品不合格，見圖1。

圖1 齒圈類零件壓傷Fig.1 Crushing of gear ring parts

基于此，針對零件特征、壓淬模具設(shè)計思路、壓淬機理、過程控制等多方面的研究對壓傷原因進行梳理、分析，并針對分析原因制定相應(yīng)的改進措施，最終實現(xiàn)了該問題的技術(shù)攻關(guān)。

2 問題分析

2.1 壓淬工藝分析

圖2為壓淬的全流程工藝，主要包括了滲碳爐冷[4-5]、壓淬、去應(yīng)力等三個階段。滲碳爐冷階段是將工件放置于具有一定滲碳氣氛的介質(zhì)中獲得工件所需的化學(xué)層深，并在一定保護氣氛下緩慢冷卻至室溫的過程。該階段由于需要釋放前工序的加工應(yīng)力，即使緩慢冷卻，其跨球距尺寸與圓度也較差。壓淬階段主要包括二次加熱與限形淬火過程，二次加熱是在一定溫度及滲碳氣氛下使齒圈二次奧氏體化，并對滲碳爐冷階段可能發(fā)生的脫碳進行補碳；限形淬火過程則是在壓淬模具的限形作用下冷卻至室溫的過程，該階段是產(chǎn)品質(zhì)量合格與否的關(guān)鍵。壓傷是在壓淬階段產(chǎn)生的。去應(yīng)力階段主要是釋放壓淬階段產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力，防止產(chǎn)品開裂。

圖2 壓淬的全流程工藝Fig.2 The whole process of pressure quenching diagram

2.2 壓淬機理分析

圖3為該齒圈壓淬模具示意圖，壓淬的限形淬火過程主要是利用擴張芯軸與外壓環(huán)的脈沖壓力共同保證工件的工藝尺寸及圓度，主要工作方式為：

1)擴張芯軸在錐體的作用下向外擴張，并與齒圈的小徑接觸；

2)外壓環(huán)上連接著均勻分布的外壓塊，外壓塊由一塊整體等分為12塊，每塊分別與外壓環(huán)螺栓連接，連接螺栓可自由上下移動，外壓塊與工件的外徑接觸，施加向里的脈沖壓力；

3)內(nèi)壓環(huán)施加在工件端面的脈沖壓力可保證產(chǎn)品平面度[6]。

當(dāng)模具處于松弛狀態(tài)時(未工作時)，外壓塊由于自身重力作用處于滑道底部，此時其外徑增大，端面的有效直徑大于工件最大直徑(即工件凸臺端，直徑為φ328.6 mm)，從而保證外壓塊在下降過程中不與工件發(fā)生干涉。當(dāng)模具開始進行壓淬時，外壓塊在外壓環(huán)的帶動下豎直向下運動，當(dāng)外壓塊接觸到下支撐模具時，外壓塊在螺栓的帶動下沿滑道上移，并最終與工件的外壁相接觸。在壓淬過程中，外壓塊實現(xiàn)了外壓環(huán)力的方向轉(zhuǎn)換。

圖3 齒圈零件的壓淬模具總裝圖Fig.3 General assembly drawing of press hardening die for gear ring parts

2.3 壓傷源分析

通過對壓淬機理進行深入分析，并對壓淬模具進行拆解及傷口比對得知，壓傷源是因為外壓塊在壓淬過程中與工件凸臺端面發(fā)生干涉導(dǎo)致。由于外壓塊材料為GCr15合金鋼且為冷態(tài)，而工件為870 ℃的高溫?zé)釕B(tài)。因此，只要發(fā)生干涉，工件便會壓傷。

為了進一步分析壓淬模具與工件發(fā)生干涉的原因及干涉的區(qū)域，使用報廢零件按照工件擺放一致的原則進行驗證試驗，即將工件統(tǒng)一放置在同一方向進行壓淬。驗證結(jié)果發(fā)現(xiàn)，工件壓傷位置具有一致性。對該區(qū)域的壓淬模具進行拆解分析，發(fā)現(xiàn)外壓塊與外壓環(huán)相連接的固定螺栓出現(xiàn)松動現(xiàn)象，螺栓松動會使得外壓塊在壓淬模具向下移動的過程中發(fā)生晃動，可能會導(dǎo)致外壓塊與工件發(fā)生干涉。因此，固定螺栓松動應(yīng)是是導(dǎo)致壓傷的原因之一。

此外，機械手的定位偏差及模具轉(zhuǎn)移也會導(dǎo)致干涉現(xiàn)象的出現(xiàn)。圖4為熱態(tài)齒圈在芯軸上的示意圖，分析可得出：1)由于工件熱態(tài)溫度較高，經(jīng)熱脹冷縮后工件外徑增大且圓度降低；2)當(dāng)工件從上料位轉(zhuǎn)移至壓淬位時，由于慣性的原因，工件會發(fā)生位置偏移，致使工件與外壓塊間隙分布不均勻。上述兩種原因均可使得模具與工件發(fā)生干涉。

圖4 齒圈壓淬過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of press quenching process for gear ring

3 解決方案

基于壓淬工藝的理論分析及試驗驗證，可以得出，壓淬模具的設(shè)計缺陷、過程控制是導(dǎo)致壓傷的主要原因。

3.1 模具設(shè)計優(yōu)化

通過對圖3的壓淬模具總裝圖進行理論分析并試驗拆解傷口比對可知，外壓塊的下端與工件未完全接觸，如圖5外壓塊示意圖中白色區(qū)域所示(由于未與熱態(tài)工件接觸，不參與劇烈的熱循環(huán)，因此顏色呈白色)，該區(qū)域為模具與工件的干涉區(qū)域。

圖5 外壓塊示意圖Fig.5 Schematic diagram of external pressure block

由于該區(qū)域不參與壓淬過程，將外壓塊的白色區(qū)域進行倒角優(yōu)化，由3×45°的倒角優(yōu)化為10×30°的倒角，提高了外壓塊與工件之間的間隙(單邊增加2.77 mm)。即使工件位置發(fā)生一定的偏移，也會避免工件凸端與外壓塊的干涉。

3.2 過程控制優(yōu)化

針對生產(chǎn)過程中存在的問題，主要從以下三個方面進行優(yōu)化：

1)對松動的螺栓進行緊固，對無法緊固的螺栓進行更換；

2)調(diào)整機械手位置與移動速度，使得工件的轉(zhuǎn)運更加平穩(wěn)，定位更加準確；

3)對擴張芯軸進行預(yù)緊，即增大芯軸的初始外徑，使得熱態(tài)工件與芯軸單邊的間隙降低，減小了工件從上料位轉(zhuǎn)移至壓淬位的慣性偏移。

經(jīng)上述改進后，后續(xù)已累積生產(chǎn)該齒圈零件數(shù)百件，100%無壓傷，徹底杜絕了壓傷問題的反復(fù)、隨機性出現(xiàn)。故而可認定壓淬模具的設(shè)計缺陷是造成壓傷的最主要原因，因此在模具的設(shè)計時需要提前考慮過程控制的波動。

4 總結(jié)

針對一種齒圈零件在生產(chǎn)過程中存在的壓傷問題，分別從壓淬模具設(shè)計、生產(chǎn)過程控制等方面進行了技術(shù)分析，可能造成工件壓傷的三個主要原因：模具設(shè)計問題；工件定位不準確；固定螺栓松動等。并針對上述原因制定了相關(guān)的措施，解決了齒圈零件壓傷問題。