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生產線自動控制系統。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。下面簡述該生產線的特點。

1.1 氮-甲醇氣氛

該多用爐全自動生產線選用的氮-甲醇氣氛控制系統。將特定比例的氮氣和甲醇直接通入滲碳爐內，甲醇在爐內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節(jié)碳勢。

1.2 計算機控制系統

采用AutoMag4.0自動生產管理軟件，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，計算機還顯示現行狀態(tài)及處理歷史。

1.3 氣氛控制系統

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、材料數據庫與合金系數計算、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，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，爐內將自動充氮氣凈化。若爐子不是用于氮碳共滲，當爐內溫度降至安全點 750℃以下（例如，由于加熱發(fā)生故障）以及爐子運行失控時，爐內也能自動充氮氣（進出爐的延時期內除外）。

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

5）在有淬火室排氣口點燃的條件下，爐內傳送鏈才能動作。

6）淬火油超溫或攪拌系統發(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果見表1，回火爐爐溫均勻性測試結果見表2。測試結果表明，多用爐全自動生產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果 （℃）

表2 回火爐爐溫均勻性測試結果 （℃）

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品的技術及標準要求。

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計，結果見表4。從對比結果來看，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)則結構零件尤為明顯），所以為了減少滲碳件的變形，此次試驗通過采取調整工藝參數，制作專用工裝，提高淬火冷卻介質溫度，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，由安裝在油槽兩側的4個攪拌器及其相應的導流系統實現強力攪拌循環(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，看一下工藝試驗結果。

3.1 嚙合套齒座

嚙合套齒座結構如圖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，熱處理工藝參數見表5。該零件屬于典型不對稱結構，上下壁厚不均勻，易導致熱后內花鍵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、小端不過的現象。本次通過工藝試驗，從其檢測結果來看，大小端錐度在0.05mm以內，M值變化比較穩(wěn)定，如圖3所示。

圖2 嚙合套齒座結構

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

3.2 中檔從動齒輪

中檔從動齒輪結構如圖4所示。有效硬化層深1.0～1.4mm，內花鍵M=φ30.26mm±0.05mm，此零件為大徑定心類內花鍵零件，產品對大徑尺寸要求為44.9+0.035+0mm，其公差范圍小且內花鍵上下端壁厚不均，熱后零件經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

圖4 中檔從動齒輪結構

圖5 中檔從動齒輪熱后M值變化

3.3 薄壁嚙合套

薄壁嚙合套結構如圖6所示。滲碳層深0.8～1.2mm，內花鍵M=φ70.98mm+0.12mm，翹曲≤0.10mm。該零件屬于薄壁嚙合套類結構，滲碳淬火后容易產生圓度超差和翹曲，且內花鍵縮量也不易保證，熱后經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，圓度在0.04mm以內，翹曲≤0.07mm，結果如圖7所示。

圖6 薄壁嚙合套結構

圖7 嚙合套熱后M值變化

3.4 AutoMag4.0生產系統的應用

AutoMag4.0為自動生產管理系統，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線管理批次代碼和生產工序卡→自動線根據爐線資源現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移至后工序；生產線的料盤計劃由系統自動進行生產過程控制，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的上下料周轉占用量，極大程度地減少了人力資源的投入。

4 結束語

1）通過全自動生產線的工藝開發(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標準要求。

2）通過運用生產線自動控制系統，實現了全自動滲碳淬火生產線工藝過程的控制，全線自動生產過程無需人工干預，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條件下，通過采取改變裝料方式、設計裝爐工裝、調整工藝參數及淬火油溫等措施，減小了熱處理變形，提高了零件的尺寸精度。