零件分析

曲軸類零件按功能可分為運(yùn)動(dòng)傳輸曲軸和動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)裝置曲軸，其中動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)裝置曲軸常選用軋制通氣以獲得高延展性、高耐磨性的表層，而芯部仍保留塑性和良好的韌性使零件能夠承受一定的沖擊載荷。與滲氮相比，軋制通氣的優(yōu)點(diǎn)是滲層廣度覆蓋范圍更大、允許留出較大體積粒度以精加工減速機(jī)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于我廠傳動(dòng)裝置系統(tǒng)的曲軸、軸銷等零件。

我廠安建的某輸入曲軸屬于典型的外齒+內(nèi)花鍵短軸型零件（見圖1），金屬材料牌號(hào)S82（低碳合金結(jié)構(gòu)鋼），梅修斯外齒徑節(jié)18，齒式39，壓力角25°，精度等級(jí)為AGMA8級(jí)（相當(dāng)于GB10095規(guī)定的7級(jí)）。內(nèi)梅修斯花鍵齒式16，徑節(jié)20/40,壓力角30°，ANSI標(biāo)準(zhǔn)梯形根側(cè)配合，7級(jí)精度。

該零件要求曲軸齒頂、Anglure、腕骨及齒側(cè)軋制通氣至700HV以上（HRC≥62），其余表層不軋制。首次設(shè)計(jì)工藝方案時(shí)考慮到非軋制表層及芯部在淬回火后延展性達(dá)到HRC42～47，而我廠加工花鍵的粉末冶金所能應(yīng)付的零件無限大延展性不超過HRC42。所以編制工藝規(guī)程傳輸速率用了傳統(tǒng)的"鍍銅-軋制-除銅"方案——精加工齒坯后插內(nèi)花鍵，鍍銅后車去齒頂與齒側(cè)的銅層，滾齒時(shí)留出磨齒穩(wěn)定度，并在退火操作過程中用銅層為保護(hù)非軋制面與霧化元素隔離，流程如下表所示圖右圖：

第一批產(chǎn)品加工完成后，在匯總檢驗(yàn)成品計(jì)算方法內(nèi)花鍵齒跳時(shí)發(fā)現(xiàn)合格率低于30%。復(fù)查退火前插齒成品的計(jì)算方法報(bào)告結(jié)果均合格。分析導(dǎo)致超差的其原因有：

a）退火后經(jīng)過研中心孔、外磨兩道成品，量測計(jì)算方法變動(dòng)。

b）機(jī)械加工及退火操作過程中造成的各種內(nèi)形變高于金屬材料的屈服強(qiáng)度，形變釋放導(dǎo)致零件發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的塑性變形。

通常應(yīng)付以上兩項(xiàng)影響的方法有以下幾種：

1)合理分配冷加工體積粒度，適當(dāng)提高內(nèi)花鍵加工精度,用富裕的體積和形狀精度彌補(bǔ)退火形變。

2)選用循環(huán)保溫、冰冷處理等去形變手段,盡可能消除機(jī)械加工中造成的殘余形變。

3)退火操作過程中嚴(yán)格控制升溫速度,選用較高的軋制和淬火加熱環(huán)境溫度,減少熱處理操作過程中造成的熱形變;在不影響軋制質(zhì)量的前提下,將曲軸的表層碳濃度和軋制層廣度控制在下限覆蓋范圍。

4)使用專用夾具,提高曲軸的剛性,以減小退火形變的程度。

據(jù)此，他們?cè)O(shè)計(jì)了第二套方案，退火后精修工藝計(jì)算方法和量測計(jì)算方法，將盆景鍵成品調(diào)整至退火后進(jìn)行，流程如下表所示圖右圖：

第二批產(chǎn)品加工進(jìn)行至盆景鍵成品時(shí)，操提出花鍵Sonbhadra異常崩刃的問題——第一批試作并能連續(xù)加工15件零件的Sonbhadra，當(dāng)批僅加工4件就出現(xiàn)前鐵柱磨損和崩刃。

他們查證設(shè)計(jì)圖的基體織物及涂層織物無誤，推測插齒刀崩刃主要其原因是T5250表層漏軋制，局部存在高硬組織。

分析其其原因有以下兩點(diǎn)：

a）零件體積較小，鍍銅操作過程中銅離子難以擴(kuò)散至T5250底部，孔底局部表層無銅層。

b）T5250銅層奈萊或加工操作過程中銅層剝落。

此后他們?cè)囼?yàn)在T5250涂防護(hù)油漆等為保護(hù)性措施，但由于油漆流動(dòng)性大、操作難度較高，改善效果并不理想。

改良方案設(shè)計(jì)

近年來我廠深入對(duì)接轉(zhuǎn)包模式，他們對(duì)硬質(zhì)合金有了更系統(tǒng)全面的認(rèn)識(shí)，在供應(yīng)商技術(shù)不斷升級(jí)的操作過程中，我廠可插齒零件的延展性無限大逐漸提升至HRC52～55覆蓋范圍。他們通過梳理此項(xiàng)輸入曲軸試作階段的現(xiàn)場寫實(shí)記錄，在最新一次的改良中創(chuàng)新選用穩(wěn)定度為保護(hù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鍍銅為保護(hù)，方案流程如下表所示圖右圖：

新方案的改良思路是退火前在非軋制表層留出加工穩(wěn)定度，零件整體軋制后硬車去除穩(wěn)定度，在HRC42～47狀態(tài)（退火后芯部延展性）插齒保證內(nèi)花鍵精度。雖然該方案增加了制造難度，但利用可靠的能夠保證內(nèi)花鍵質(zhì)量，取消鍍銅、除銅成品后生產(chǎn)流程更加精簡，大大優(yōu)化了退火前后的工藝計(jì)算方法統(tǒng)一性。

為防止精車后切削形變釋放導(dǎo)致零件二次變形，為保護(hù)性穩(wěn)定度的厚度應(yīng)盡量小，為此需要掌握零件表層至芯部的延展性變化規(guī)律。他們收集了試作階段的部分超差零件，沿徑向剖切曲軸部位制作試片（見圖）用于測試。

在圖中可看出，軋制處理僅改變了零件表層金屬的含碳量，淬火和低溫回火處理后，軋制層和零件基體組織之間還存在延展性過渡層（排列緊密的回火馬氏體組織）?？紤]到目前我廠插削花鍵的無限大延展性和成本的經(jīng)濟(jì)性。他們選用顯微延展性法量測從表層到HV=463（HRC47）處的垂直距離，用于分析通氣層最大廣度。

圖6靠近齒頂表層的延展性變化趨勢

我廠在氣體軋制時(shí)選用甲苯作軋制介質(zhì)，用甲醇作稀釋劑，軋制介質(zhì)在軋制環(huán)境溫度下發(fā)生分解并發(fā)生如下表所示反應(yīng)：

注：式中［C］是指在化學(xué)反應(yīng)中造成的霧化原子。

表1本零件軋制工藝參數(shù)

檢測操作過程中，他們發(fā)現(xiàn)通氣層廣度在減速機(jī)方向呈現(xiàn)出規(guī)律變化——腕骨部位通氣廣度最小，齒頂附近通氣層最厚，分度圓附近的Anglure通氣層深介于二者之間。通過分析可得出結(jié)論：曲軸表層軋制的奧氏體組織吸收霧化原子后，碳濃度升高，零件表層與芯部金屬材料的碳濃度差迫使碳原子向內(nèi)部擴(kuò)散，但由于曲軸表層輪廓的特殊性，霧化原子在各部位擴(kuò)散速度存在差異，其其原因是曲軸各表層接觸的霧化原子數(shù)量不同——齒頂附近表層接觸量最大，Anglure接觸量次之，腕骨表面處于類似凹形型腔的底部，所以接觸霧化原子量最少（見表2）。

表2曲軸表層軋制層廣度系數(shù)

軋制操作過程中，為保護(hù)性穩(wěn)定度應(yīng)均勻、連續(xù)地覆蓋所有非軋制表層，所以在確定穩(wěn)定度厚度時(shí)選取分度圓附近Anglure采集的數(shù)據(jù)，公式為：

穩(wěn)定度厚度≥Anglure碳化層廣度+延展性過渡層最大廣度

從圖6中可知從Anglure到HV=463處的垂直距離集中在1.3±0.1mm覆蓋范圍，實(shí)際應(yīng)用時(shí)軸向、徑向穩(wěn)定度均按1.5mm處理。

硬車方案設(shè)計(jì)及切削參數(shù)

3.1硬車技術(shù)特點(diǎn)及分析

S82鋼經(jīng)軋制、淬回火后抗拉強(qiáng)度（ób）提升至2270Mpa以上，相比軟狀態(tài)車削，硬車系統(tǒng)承受的切削力大約升高了2倍。提升系統(tǒng)剛性是他們首先面對(duì)的問題。

該輸入曲軸結(jié)構(gòu)屬于規(guī)則的回轉(zhuǎn)體，車削去除外圓及端面為保護(hù)穩(wěn)定度效率最高，但是受T5250體積限制，Φ12以上規(guī)格的鏜刀不適用于此零件，所以去除零件T5250穩(wěn)定度優(yōu)先選用鉆削，避免因鏜刀桿剛性不足導(dǎo)致鏜刀震顫。

圖7硬車前后零件結(jié)構(gòu)對(duì)比

刀片接觸零件時(shí)承受的瞬時(shí)沖擊是影響壽命的主要因素，考慮到零件表層延展性達(dá)到HRC62以上，可選用重載低速切削以減少?zèng)_擊給和機(jī)床造成的影響，伸長量應(yīng)控制在刀桿長度的0.5倍以內(nèi)，并盡量減少懸伸以增加剛性。本零件短粗的結(jié)構(gòu)和較小的長徑比非常適合用外圓定心、端面定位的夾持方法。為了最大限度地減小零件裝夾時(shí)的懸伸長度，他們?cè)O(shè)計(jì)了圖右圖的車削順序：

圖8硬車定位方式及加工步驟

零件表層至芯部的金屬材料依次為高碳、中碳、低碳的回火馬氏體組織，車刀刀片需要較高的抗刃口磨損性能以及大切深抗破碎性能以應(yīng)付變載荷連續(xù)切削。而且，為使刀片在不同組織金屬材料切換時(shí)減少震動(dòng)，降低對(duì)零件表層質(zhì)量的影響，應(yīng)選用帶有抗振設(shè)計(jì)的外圓刀桿。

通過查找產(chǎn)品目錄，他們初期制訂了兩套車刀方案，表層穩(wěn)定度分3次車削——粗車去除表層大部分通氣層，切深1～1.2mm，半精車均勻各表層穩(wěn)定度至0.1mm，精車嚴(yán)格控制表層粗糙度、保證零件體積精度：

表3外圓刀片方案對(duì)比

系統(tǒng)剛性最大化意味著盡量減少零件和的懸伸量，安排退火后硬車的零件具有較小的長徑比（L/D）。

車削操作過程中仍然使用水基切削液，為使切削液能夠快速到達(dá)刀尖切削區(qū)域，他們調(diào)高了冷卻液循環(huán)系統(tǒng)的壓力值，高壓切削液也可有效減少切削堆積，有利于提升零件表層質(zhì)量。

本零件硬車更傾向穩(wěn)定的夾持、刀片夾緊方式對(duì)我廠生產(chǎn)現(xiàn)場常用的刀片夾持方式有三種，其中C型夾持系統(tǒng)的特征與本零件切削條件更吻合。

表4外圓刀片夾持方式對(duì)比

經(jīng)兩批在制品對(duì)比驗(yàn)證，A方案單刃可加工5～6件，單片刀片加工上限13件；B方案單刃可加工7件左右，單片刀片加工上限15件，最終選用B方案。

去除為保護(hù)性穩(wěn)定度后，零件露出的基體金屬材料已轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻幕鼗瘃R氏體組織，達(dá)到零件芯部延展性HRC42-47，加工難度不大，通用刀片完全可滿足切削工況要求。

經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，硬車去除為保護(hù)穩(wěn)定度的方案可行，壽命較理想，加工完成的零件表面粗糙度、體積精度、位置粒度滿足要求。

硬插齒及其切削參數(shù)

以往我廠多用粉末冶金作為插齒刀的基體金屬材料，此類所能加工零件的延展性不大于HRC42。為適應(yīng)此零件后續(xù)大批量生產(chǎn)的需要，本次工藝改良訂制了DATHAN公司制造的硬質(zhì)合金插齒刀，涂層織物TiAlN。

與粉末冶金相比，硬質(zhì)合金插齒刀耐磨性更優(yōu)，但抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性差，所以切削部位選用了較大的徑向負(fù)前角，以提升插齒刀抗沖擊、抗崩刃能力。

切削參數(shù)如下表右圖：

表5中硬插齒切削參數(shù)

使用該現(xiàn)已插齒加工52件，狀態(tài)良好，按目前磨損速度判斷，預(yù)計(jì)刃磨周期可達(dá)到80件以上。

提升制造工藝性的其他措施

軋制、淬回火后安排冰冷處理，相當(dāng)于對(duì)零件二次正火，能進(jìn)一步減少淬火操作過程中的過飽和馬氏體，降低晶格形變，減少組織形變，從而減少退火變形量。

零件表層經(jīng)軋制處理后，表層5μm廣度覆蓋范圍的過共析層含有致密碳化物，在淬回火后形成一層非常薄的硬殼層，車刀刀尖接觸表層組織時(shí)最容易受損，所以硬車去除為保護(hù)性穩(wěn)定度時(shí)應(yīng)盡可能保持連續(xù)切削，被加工表層應(yīng)避免出現(xiàn)減輕孔、角向定位孔等結(jié)構(gòu)。

硬鏜孔需要很大的切削力，鏜刀桿承受的扭力和切向力成倍增加，應(yīng)與零件同心或略高于零件中心，避免切削力引起的扭曲變形影響零件體積精度。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為進(jìn)一步延長鉆頭壽命，他們?cè)诹慵た變?nèi)注入防護(hù)油漆，油漆經(jīng)短時(shí)間干燥后與T5250表層浸潤并造成一定附著力，退火后吹砂即可完全去除。經(jīng)同等車削條件驗(yàn)證，鉆頭刃磨周期可提升1.5～1.8倍。

本次改良后，他們對(duì)比了此類有軋制要求的曲軸零件，并總結(jié)出適用穩(wěn)定度為保護(hù)法的必要條件——零件軋制區(qū)與非軋制區(qū)應(yīng)具備合理的分界結(jié)構(gòu)，以本零件為例，曲軸兩端被設(shè)計(jì)了具有減重作用的端面槽。

結(jié)論

改良后方案經(jīng)4批共52件零件驗(yàn)證，重載低速硬車去除為保護(hù)性穩(wěn)定度方案可行，插齒刀切削狀態(tài)良好，零件內(nèi)花鍵跳動(dòng)100%合格。工藝流程縮短為改良前方案的2/3,取消鍍銅、除銅等成品也進(jìn)一步降低了制造成本。該方案對(duì)于類似Anglure有軋制要求的零件具有推廣借鑒價(jià)值。