蔣克全，巢昺軒，王寶龍

(昌河飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 景德鎮(zhèn) 333002)

零件在熱處理的加熱和冷卻過(guò)程中，很容易發(fā)生變形。零件的熱處理變形一般分為尺寸變化和形狀畸變。形狀畸變是由于熱處理過(guò)程中，在復(fù)雜應(yīng)力的作用下，不均勻塑性變形引起的。影響工件變形的因素很多，主要有材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、熱處理工藝參數(shù)、冷卻的激烈程度和冷卻方式、工件熱處理前的應(yīng)力狀態(tài)以及工件的形狀尺寸、裝夾方式等。如加熱或冷卻的不均勻?qū)?xì)長(zhǎng)工件或薄壁件的變形影響十分明顯；形狀不規(guī)則的零件，其殘余應(yīng)力若未經(jīng)消除，對(duì)淬火變形也有很大影響[1]。因此控制熱處理變形需要全面考慮。

對(duì)于不同品種和形狀結(jié)構(gòu)的零件，其熱處理變形的程度是不一樣。鈑金零件由于其剛度相對(duì)較低，很容易發(fā)生熱處理變形；另一方面，鈑金零件一般無(wú)加工余量，零件變形后只能通過(guò)校正的方式來(lái)滿足圖紙的形狀和尺寸精度要求。鈑金零件在熱處理后彈性較大，校正困難，因此我們希望在熱處理過(guò)程中減少或控制熱處理變形以減少熱處理后鈑金零件的校正工作量。

熱處理變形控制主要選擇在淬火階段和回火階段實(shí)施，比如在淬火階段可采用適當(dāng)?shù)膴A具或模具，選擇合適的淬火介質(zhì)來(lái)減少零件淬火變形[2]。變形后的工件可以通過(guò)校正的方法來(lái)減小熱處理變形，常用的校正方法可以分為機(jī)械校正法和熱處理校正法。采用機(jī)械或局部加熱的方法均是使變形工件通過(guò)微量塑性變形和殘余應(yīng)力的釋放和重新分布達(dá)到校正的目的。常用的校正方法包括冷壓校正、熱壓校正、加壓回火校正、局部加熱的熱點(diǎn)校正等方法。

結(jié)合鈑金零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們主要從裝夾方式、夾具的使用以及改進(jìn)零件結(jié)構(gòu)形式等方面來(lái)想辦法，對(duì)于熱處理工藝很難解決變形的零件，應(yīng)該提前從設(shè)計(jì)源頭進(jìn)行優(yōu)化，選擇合適的結(jié)構(gòu)材料，減少加工變形。

1 鋼制鈑金零件的熱處理變形控制與校正

1.1 支撐圈熱處理變形控制及校正

超薄鈑金件的淬火變形是難以避免的。對(duì)于這類(lèi)零件，如采取回火校正模具對(duì)其控制變形會(huì)起到很好的效果。我公司生產(chǎn)的一種支撐圈零件，如圖1所示，該零件采用δ0.8 mm厚的65Mn板材縱向彎曲成型，熱處理硬度范圍為46～51 HRC，該零件在淬火過(guò)程很容易發(fā)生錯(cuò)位和開(kāi)口的問(wèn)題。針對(duì)變形情況，我們采取在淬火階段減少零件淬火變形量，并在回火階段采用校正工裝來(lái)對(duì)零件的變形進(jìn)行校正。具體措施如下：用芯軸將綁扎好的零件串起來(lái)，使零件在加熱和冷卻過(guò)程中保持垂直狀態(tài)。

圖1 支撐圈淬火綁扎Fig.1 Quenching and bind for the support ring

通過(guò)工藝改進(jìn)后，零件淬火后仍存在一定量的翹曲變形，根據(jù)資料介紹，可采用夾具校正法來(lái)減少這類(lèi)零件的熱處理變形：夾具校正法效率高，校正質(zhì)量好，不會(huì)對(duì)零件的力學(xué)性能造成影響，具有質(zhì)量穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)。這種方法是通過(guò)夾具對(duì)零件施加壓力，利用回火時(shí)零件的組織轉(zhuǎn)變達(dá)到校正的目的。用夾具回火校正的原理是利用淬火后回火時(shí)金屬會(huì)發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，當(dāng)某個(gè)方向受到限制，也就是受到應(yīng)力作用，金屬組織就會(huì)往減少應(yīng)力的方向變形轉(zhuǎn)變，當(dāng)去掉載荷(限制)時(shí)，工件不會(huì)回復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)[3]。采用夾具回火校正法適合較小較薄的零件，對(duì)于大型鈑金零件不太適用。

為此，設(shè)計(jì)出專(zhuān)用回火校正夾具，如圖2所示。在回火一段時(shí)間后從爐中取出來(lái)進(jìn)一步擰緊，然后放回爐中繼續(xù)回火，從而實(shí)現(xiàn)熱處理回火校正的目的，這樣回火后的零件基本能滿足零件圖紙要求[4]。

圖2 支撐圈回火夾具Fig.2 Tempering fixture of support ring

1.2 鋼角材零件的變形控制

鋼角材零件一般是由平板折彎而成，大部分零件形狀不規(guī)則，零件較薄，一般厚度為1～3 mm，部分零件較長(zhǎng)，零件長(zhǎng)度超過(guò)1000 mm，熱處理時(shí)會(huì)產(chǎn)生翹曲和扭曲變形，即該類(lèi)零件熱處理變形特點(diǎn)是平面部分發(fā)生波浪變形，折彎區(qū)域易發(fā)生翹曲變形，該類(lèi)零件熱處理后的變形量大，很難校正，可能會(huì)因無(wú)法矯形而使零件報(bào)廢。我們生產(chǎn)的一種鋼角材零件長(zhǎng)為980 mm，板材厚度為2.5 mm，零件材料為30CrMnSiA，熱處理后硬度要求為31.5～38 HRC。零件熱處理后變形如圖3所示，零件因變形過(guò)大無(wú)法矯正而報(bào)廢。針對(duì)零件熱處理變形情況，我們開(kāi)展了以下改進(jìn)工作，首先我們改進(jìn)零件吊掛和入油方式，改進(jìn)前零件為自由狀態(tài)下垂直吊掛。這種狀態(tài)下的零件容易產(chǎn)生以下問(wèn)題：1)：零件在淬火轉(zhuǎn)移過(guò)程中容易發(fā)生擺動(dòng)；2)由于鈑金類(lèi)零件較輕，在油的阻力作用下，零件自由吊掛狀態(tài)下很難保證垂直入油。為此，我們采取以下改進(jìn)措施，在零件兩端增加工藝孔，分別固定在料架上，這樣改進(jìn)后，零件的變形量明顯減小，后續(xù)可經(jīng)過(guò)機(jī)械校正能滿足圖紙要求。

為了進(jìn)一步減少這類(lèi)零件的熱處理變形，我們進(jìn)行了以下改進(jìn)工作：調(diào)整加工工序，增加零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。先將板材折彎后，焊上一塊加強(qiáng)板，這樣工件變成了一個(gè)三角形，工件的剛度增大，大大減少工件的淬火變形，如圖4所示。

圖3 熱處理變形的鋼角材零件Fig.3 Steel angle part deformed by heat treatment

圖4 改進(jìn)后的工藝結(jié)構(gòu)件Fig.4 The improved process structure parts

這樣零件熱處理后經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的校正后再加工外形就能滿足圖紙要求，這樣零件就可以交付。

1.3 鋼制鈑金零件設(shè)計(jì)選材優(yōu)化

為了從源頭上解決鈑金零件的熱處理變形問(wèn)題，我們更應(yīng)多從零件選材角度來(lái)考慮。通過(guò)合理選擇零件的材料來(lái)減少零件加工變形。如圖5所示平板零件，零件材料為30CrMnSiA，熱處理后硬度要求為31.5～38 HRC。該類(lèi)零件熱處理變形很大，也很難校正，目前也缺少有效的變形控制方法。如果在零件設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)零件材料的選擇進(jìn)行充分考慮，不選用需要熱處理且熱處理變形嚴(yán)重的30CrMnSiA材料，改為選用退火狀態(tài)的TC4鈦板或冷作硬化態(tài)的1Cr18Ni9不銹鋼板加工，不經(jīng)熱處理也能保證零件的力學(xué)性能滿足圖紙要求。TC4(退火狀態(tài))強(qiáng)度σb范圍為935～1150 MPa；1Cr18Ni9(冷作硬化)的不銹鋼板，其強(qiáng)度σb范圍為930～1230 MPa，能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。采用該類(lèi)材料加工零件后可不需要熱處理，避免了熱處理的變形。對(duì)于外形簡(jiǎn)單或折彎量不大的零件可采用上述材料。

對(duì)于有較高硬度或強(qiáng)度要求的零件，可以考慮選用高強(qiáng)度沉淀硬化不銹鋼0Cr17Ni7Al等材料來(lái)加工，該類(lèi)材料在固溶態(tài)下塑性較好，冷加工工藝性好，便于零件成形，零件最終狀態(tài)只需進(jìn)行時(shí)效處理，零件熱處理變形量小[5]。

對(duì)于形狀復(fù)雜或變形量較大的零件可選擇鈦合金材料，通過(guò)熱成形的方法來(lái)加工零件，典型零件如圖6所示[6]。

圖5 平板零件示意圖Fig.5 Diagram of flat part

圖6 形狀復(fù)雜的鈑金零件Fig.6 Complex sheet matal parts

3 結(jié)論

鋼制鈑金零件熱處理變形控制一直是困擾制造工廠生產(chǎn)的難題，技術(shù)人員也一直想盡各種辦法來(lái)減少和校正零件的熱處理變形，除合理安排熱處理工序，選擇正確的吊掛等方式外，經(jīng)常會(huì)采用模夾具等輔助校正的方法來(lái)控制零件熱處理變形。本文還介紹了一種優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)形式，增加零件結(jié)構(gòu)剛度的方法來(lái)減少零件的熱處理變形的方法。當(dāng)然，通過(guò)合理選材來(lái)減少鈑金零件加工變形更是設(shè)計(jì)及工藝人員應(yīng)該首先考慮的問(wèn)題。