顏少平

（海軍駐武漢四六一廠軍事代表室，武漢 430084）

0 引言

某止動(dòng)裝置的兩止動(dòng)擋板動(dòng)作的同步性通過安裝在同步軸上的曲柄帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)，同步軸上安裝有兩件同步曲柄和四件釋放曲柄，每個(gè)曲柄有滑槽，滑槽內(nèi)有軸承滑動(dòng)。該設(shè)計(jì)及制造的核心是兩止動(dòng)擋板的同步釋放性能要求高。設(shè)計(jì)要求每個(gè)曲柄滑槽的兩內(nèi)表面粗糙度要求不大于 Ra3.2。為保證滑槽具有一定的耐磨和抗沖擊性，要求滑槽兩內(nèi)表面進(jìn)行淬火處理，硬度為 HRC45～HRC48，淬深1.0mm～1.5mm；每個(gè)曲柄加工后滑槽兩內(nèi)表面的平行度不大于0.2mm；安裝后所有曲柄滑槽對稱中分面的共面度不大于0.2mm（兩端曲柄之間的跨度約5m），所有曲柄滑槽兩內(nèi)表面的平行度不大于0.2mm，形位精度高；曲柄淬火后兩內(nèi)側(cè)表面的硬度高且無法檢測、無法再加工；滑槽的內(nèi)表面外形尺寸大，變形控制困難。針對上述特點(diǎn)，如何保證該止動(dòng)裝置的制造、安裝技術(shù)要求，合理確定曲柄內(nèi)側(cè)表面淬火工藝是該工程的關(guān)鍵技術(shù)。

1 各種淬火方法的對比分析

對該止動(dòng)裝置的曲柄而言，較常使用的淬火方法主要有滲碳淬火、感應(yīng)淬火、火焰淬火以及激光淬火等。

滲碳淬火[1]是使工件表面通過滲碳來獲得很高的硬度，滲碳工件的材料一般為低碳鋼或低碳合金鋼。該曲柄的材料為40Cr，滲碳時(shí)如果溫度控制不好，隨著碳濃度過高，工件表面易出現(xiàn)塊狀粗大的碳化物或網(wǎng)狀碳化物。這種組織硬脆，韌性較低，容易產(chǎn)生裂紋，曲柄在工作時(shí)承受沖擊荷載，淬硬是致命的缺陷。

感應(yīng)淬火[1]是使工件表面產(chǎn)生一定的感應(yīng)電流，迅速加熱零件表面并迅速淬火的一種熱處理方法。由于感應(yīng)電流具有集膚效應(yīng)，可使工件表面迅速加熱，表面溫度在幾秒鐘內(nèi)上升到800～℃1000℃，而心部溫度升高很小，因此感應(yīng)淬火具有表面質(zhì)量好、脆性小、淬火表面不易氧化脫碳、變形小等優(yōu)點(diǎn)。與常規(guī)熱處理中的“淬火+低溫回火”方式相比，零件表面的硬度要提高20%。另外，中頻感應(yīng)硬化層有大量的碳化物析出，且碳化物顆粒大，殘余奧氏體多。

火焰淬火[1]是一種用乙炔-氧火焰（最高溫度達(dá)3100℃）或煤氣-氧火焰（最高溫度達(dá) 2000℃）將工件表面快速加熱，隨后噴液（水或有機(jī)冷卻液）冷卻的一種表面淬火方法。火焰淬火設(shè)備簡單，但淬火質(zhì)量穩(wěn)定性差，不易控制?；鹧婕訜岬木鶆蛐噪y保證，工件表面容易燒化、過熱，對中高碳和合金鋼的表面淬火時(shí)易發(fā)生開裂，很難達(dá)到均勻的淬火層與高的表面硬度。

激光表面淬火[1]是一種利用高能量激光束掃射工件使被掃射工件表面區(qū)域硬化的技術(shù)，其基本原理是用高能量密度的激光束照射工件，使被照射的表面區(qū)域急速加熱至相變點(diǎn)溫度以上、熔點(diǎn)溫度以下[1]。當(dāng)激光束停止照射時(shí)，由于熱傳導(dǎo)作用，加熱區(qū)會急速冷卻而發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，使工件表層實(shí)現(xiàn)相變硬化。加熱區(qū)受熱并與基體之間存在很大的溫度梯度，基體基本處于冷態(tài)。激光表面淬火，使零件表面形成細(xì)小均勻、含有多種介穩(wěn)相合金化合物的高質(zhì)量表面強(qiáng)化層，淬硬層深度一般在0.3mm～2.0mm范圍之間，大幅度提高表面硬度、耐磨性和抗疲勞能力。

根據(jù)以上分析，滲碳淬火和火焰淬火均有一定的技術(shù)、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，感應(yīng)淬火和激光淬火比較適合該曲柄滑槽的淬火。

2 曲柄淬火工藝的試驗(yàn)研究

控制工件的淬火變形是當(dāng)今熱處理行業(yè)的一大難題。零件的設(shè)計(jì)、鋼材品種及其質(zhì)量、冷熱加工、熱處理的各個(gè)細(xì)節(jié)都可能成為淬火變形的影響因素。一般情況下，為消除零件淬火后的變形量，為保證零件的形位公差，淬火后通常會再磨削加工。由于該曲柄滑槽的結(jié)構(gòu)限制，滑槽內(nèi)表面淬火后根本無法加工。一是硬度高（HRC45～HRC48），無法通過刀具再加工；二是空間太小，無法磨削加工。因此，在滿足表面硬化性能的前提下，控制工件的淬火變形工藝至關(guān)重要。

為確定最佳的淬火工藝[2,3]，按1:1比例制造兩件樣品進(jìn)行淬火試驗(yàn)驗(yàn)證。為使具有可比性，兩件試樣材料毛坯制作時(shí)取自同一塊鋼坯、采用相同的鍛造工藝、同爐熱處理、材料組織性能基本一致。加工時(shí)按“三定”要求，以保證操作人員、裝夾方式、加工切削參數(shù)相同。為體現(xiàn)試驗(yàn)效果的直觀，兩件試樣加工后尺寸精度、表面粗糙度等參數(shù)基本一致。試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

試驗(yàn)結(jié)果表明，激光淬火優(yōu)勢比較明顯。與感應(yīng)淬火相比，激光淬火硬度高，硬層更均勻，淬火前后工件的相對變形量小，幾乎可以忽略，比較適合該曲柄的表面處理。同時(shí)激光淬火后曲柄表面粗糙度影響也較小，不需要后續(xù)磨削加工工序。另外，與中頻感應(yīng)淬火相比，在50N～250N的載荷條件下，激光淬火試樣的耐磨性比中頻感應(yīng)淬火試樣提高4%～21%。兩者的主要磨損形式均為磨粒磨損，中頻感應(yīng)淬火后的摩擦系數(shù)略大于激光淬火試樣的摩擦系數(shù)，中頻感應(yīng)淬火試樣磨損后表面犁溝的深度和寬度略大于激光表面淬火的深度和寬度。兩種淬火方法淬硬層均為板條馬氏體和少量針狀馬氏體的混合組織，而激光淬火的位錯(cuò)密度極高。因此，激光淬火工藝可作為該曲柄表面熱處理的最佳方案。

3 曲柄激光淬火工藝參數(shù)的研究

因該曲柄滑槽內(nèi)表面空間的限制，淬火后無法進(jìn)行硬度檢測，有必要對曲柄激光淬火工藝和可靠性進(jìn)行研究，以確保產(chǎn)品淬火后完全滿足技術(shù)要求。

制作兩件試樣，并記錄淬火實(shí)施前的尺寸、形位公差、表面粗糙度等。對試樣的兩個(gè)面分別進(jìn)行淬火試驗(yàn)，為找到最佳的淬火工藝參數(shù)，根據(jù)理論計(jì)算值不斷修正和調(diào)整激光聚焦鏡的角度、焦距、掃描速度、輸出功率等參數(shù)并記錄。淬火后對試樣表面進(jìn)行MT和PT探傷檢查，確定無裂紋等致命陷發(fā)生；然后對試樣的變形量及尺寸公差、粗糙度等進(jìn)行檢測并記錄；采用線切割方式剖開零件，對淬火層硬度、深度等進(jìn)行檢測。

通過多次調(diào)整并優(yōu)化、固定激光淬火工藝參數(shù)，試樣未出現(xiàn)裂紋、過熱等致命缺陷；對淬火后的試樣進(jìn)行全面檢測，變形在0.05mm～0.08mm之間，硬度HRC46～HRC47，深度1.2mm～1.3mm且分布均勻，重復(fù)、可靠性高。另外，配制專門的激光熔凝淬火涂料，能大幅度降低熔凝層的表面粗糙度，試樣淬火后表面粗糙度與淬火前相當(dāng)。

4 曲柄激光淬火后變形控制研究

零件淬火后變形是鋼鐵制件熱處理的必然，曲柄滑槽受設(shè)計(jì)形狀的限制，滑槽兩內(nèi)側(cè)表面淬火后無法再加工，必須先精加工再進(jìn)行淬火以滿足表面硬度、光潔度和耐磨性要求，但曲柄淬火后可能出現(xiàn)尺寸形位超差無法保證安裝精度，繼而無法保證同步性技術(shù)性能。

根據(jù)工藝試驗(yàn)研究的結(jié)果，激光淬火后滑槽的變形很小，滿足制造技術(shù)要求。但曲柄安裝到同步軸上后，安裝誤差會疊加并放大曲柄的變形效果，有必要進(jìn)一步研究如何縮小曲柄的變形量。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，可以采用反變形措施控制曲柄的變形量。由于加工設(shè)備的計(jì)算機(jī)控制，加工零件時(shí)可以預(yù)先在程序中設(shè)定反向的變形量，激光淬火后該部分預(yù)留量可以抵消一部分變形，而最終的形位公差會保證的更好。根據(jù)以上工藝試驗(yàn)結(jié)果，曲柄淬火后變形量在0.05mm～0.08mm之間，變形穩(wěn)定且主要集中在滑槽的中部，成中間大兩端小的錐形變化，具有一定規(guī)律。因此，曲柄加工時(shí)可人為地將滑槽加工成縮腰形（圖 1），中間控制在80mm+0.08mm+0.05mm，兩端控制在80m+0.13mm+0.10mm。綜合曲柄淬火后的變形，滑槽最終的變形量幾乎可以控制在0.03mm以內(nèi)，達(dá)到了理想的效果。

圖1 淬火前尺寸控制

通過上述對止動(dòng)裝置曲柄淬火工藝的研究，有效解決了曲柄滑槽兩內(nèi)側(cè)表面淬火硬度、淬硬層深度、表面光潔度、耐磨性和抗沖擊性、變形控制和形位精度的問題，保證了該止動(dòng)裝置的總體技術(shù)性能。

5 總結(jié)

激光表面淬火主要特點(diǎn)是以非接觸方式加熱材料表面，借助于材料表面?zhèn)鲗?dǎo)冷卻，具體表現(xiàn)[1]為:

1）快速加熱、自激冷卻，不需要爐膛保溫和冷卻液淬火，急冷速度快，無須冷卻介質(zhì)而冷卻特性優(yōu)異，是一種無污染、綠色環(huán)保處理工藝，很容易實(shí)行對大型模具表面進(jìn)行均勻淬火。

2）加熱速度快、熱影響區(qū)域小，表面掃描加熱淬火，瞬間局部加熱淬火，與各種傳統(tǒng)的熱處理工藝相比，被處理的工件變形最小。

3）激光束發(fā)散角小，且有很強(qiáng)的指向性，能夠通過導(dǎo)光系統(tǒng)對工件表面進(jìn)行精確的局部淬火，對其他方法難以處理的特定部位，以及表面有一定高度差的異性零件，可進(jìn)行靈活的局部處理。

4）一般不需真空條件，即使在進(jìn)行特殊的合金化處理時(shí)，也只需吹保護(hù)性氣體即可有效防止氧化和元素?zé)龘p。

5）配有計(jì)算機(jī)控制的多維空間運(yùn)動(dòng)工作臺的現(xiàn)代化大功率激光器，表面淬火淬硬層均勻，加熱層深度和加熱軌跡容易控制，通過調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，在距表面0.3mm～1.5mm范圍內(nèi)進(jìn)行表面淬火，效果明顯且硬化層深度可控。

6）激光淬火，能有效避免淬火變形、過燒、裂紋等致命缺陷。

7）特別適用于機(jī)械化、自動(dòng)化，效率高、質(zhì)量穩(wěn)定可靠、成本低，經(jīng)濟(jì)和社會效益好。

8）不適宜于零件內(nèi)部的深層淬火，其應(yīng)用受到一定的限制。

[1]中國機(jī)械工程學(xué)會熱處理學(xué)會. 熱處理手冊 工藝基礎(chǔ)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2001.

[2]羅玉梅. 激光淬火工藝的現(xiàn)狀及應(yīng)用[J]. 邵陽學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2004(3):49-51.

[3]張宏, 鄧琦林, 余承業(yè). 齒輪激光淬火工藝的研究[J].機(jī)械工藝師, 1997(2):9-11, 1.