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六角頭軸套的加工工藝的改進(jìn)

2024-01-25

羅良澤

(寧波領(lǐng)奇五金實(shí)業(yè)有限公司)

摘 要:六角頭軸套原采用易切削鋼制造,設(shè)計(jì)的加工工藝流程成品質(zhì)量難以保證,在滿足性能要求的前提下,選擇中碳合金鋼材料替代和新工藝均可以改善軸套的質(zhì)量,熱處理原采用離子氮化變形量大,改用QPQ工藝,在氮化鹽浴和氧化鹽浴兩種鹽浴中處理工件,實(shí)現(xiàn)了滲氮工序和氧化工序的復(fù)合等工藝改進(jìn)措施,實(shí)現(xiàn)了軸套的批量化熱處理生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞:軸套;工藝;熱處理;QPQ;改進(jìn)

一、引言

隨著機(jī)械行業(yè)的迅猛發(fā)展,越來越多的現(xiàn)代化設(shè)備被運(yùn)用到生產(chǎn)中。國內(nèi)SKD機(jī)械廠在生產(chǎn)某型號清掃設(shè)備,需開發(fā)一款替代進(jìn)口的單向轉(zhuǎn)動(dòng)部件,本部件包括三個(gè)小零件:六角頭軸套,五角頭銷釘,單向封閉軸承;五角頭銷釘套上單向軸承后壓入六角頭軸套內(nèi)孔后組合成一組單向轉(zhuǎn)動(dòng)部件。領(lǐng)奇五金公司承擔(dān)了其中六角頭軸套和五角頭銷釘?shù)难兄坪蜕a(chǎn)任務(wù),其中六角頭軸套在試制過程中遇到重重困難,下面介紹一下有關(guān)六角頭軸套加工工藝改進(jìn)方面的一些經(jīng)驗(yàn)。

六角頭軸套所用材料(圖1)進(jìn)口件原采用美標(biāo)41L40屬于中碳易切削鋼。經(jīng)過與客戶溝通,在國產(chǎn)化的需求以滿足性能要求的前提下,選擇中碳合金鋼材料替代和新工藝來滿足軸套的質(zhì)量要求,詳見表1六角頭軸套主要工藝對照表。

圖1 六角頭軸套

表1 六角頭軸套主要工藝對照表

二、加工工藝分析

加工六角頭軸套以螺柱為例,從仿真分析的角度校核零件強(qiáng)度,以驗(yàn)證零件加工工藝是否合理。為此嘗試和設(shè)計(jì)了多種工藝路線,下面選擇其中三種比較有代表性的工藝路線:

第一種加工路線的核心是熱處理后小孔徑內(nèi)圓磨床精磨內(nèi)孔。工藝如下:SCM435兩抽兩球→磷化→拉拔→多工位成型機(jī)冷鐓成形→無芯磨粗磨外圓——CNC車小外圓,割外溝槽,六角頭端平頭外倒角→CNC車床粗鏜孔,割內(nèi)溝槽,孔口平頭內(nèi)外倒角→離子氮化→小孔徑內(nèi)圓磨精磨內(nèi)孔→化學(xué)煮黑→全檢并包裝(通規(guī)——全檢止規(guī)——全檢深度規(guī)——抽檢圓跳動(dòng))。結(jié)果效率低下,一臺小孔徑內(nèi)圓磨床日產(chǎn)200顆;且圓跳動(dòng)不穩(wěn)定,廢品率較高,無法滿足批量生產(chǎn)需要。

第二種加工路線的核心是熱處理后CNC數(shù)控車精鏜內(nèi)孔。工藝如下:SCM435兩抽兩球→磷化→拉拔→多工位成型機(jī)冷鐓成形→無芯磨粗磨外圓——CNC車小外圓,割外溝槽,六角頭平頭外倒角→CNC車床粗鏜孔,割內(nèi)溝槽,孔口平頭內(nèi)外倒角→離子氮化→CNC精鏜內(nèi)孔→化學(xué)煮黑→全檢并包裝(通規(guī)——全檢止規(guī)——全檢深度規(guī)——抽檢圓跳動(dòng))。CNC精鏜孔刀頭用國產(chǎn)的、進(jìn)口的,合金的、陶瓷的都試用過,但過高的硬度導(dǎo)致刀尖磨損嚴(yán)重,一件刀頭只能生產(chǎn)幾十顆不到,頻繁更換刀頭,成本高和效率低。

第三種加工路線的核心是調(diào)質(zhì)熱處理后精鏜內(nèi)孔再黑色鹽浴氮化處理。工藝如下:SCM435兩抽兩球→磷化→拉拔→多工位成型機(jī)冷鐓成形→無芯磨粗磨外圓→CNC車小外圓,割外溝槽,六角頭平頭外倒角——CNC車床粗鏜孔,割內(nèi)溝槽——調(diào)質(zhì)處理(26~29HRC)——無心磨精磨外圓———CNC數(shù)控精鏜內(nèi)孔——黑色鹽浴氮化處理(變形量很小)——清洗——全檢并包裝(通規(guī)——全檢止規(guī)——全檢深度規(guī)——抽檢圓跳動(dòng))。本工藝內(nèi)孔關(guān)鍵尺寸,一人管兩臺CNC車床,班日產(chǎn)量可達(dá)1700~2000顆,質(zhì)量穩(wěn)定,效率較好,被確定為批量生產(chǎn)工藝。

三、結(jié)果及工藝驗(yàn)證

根據(jù)試生產(chǎn)樣件交付的質(zhì)量判定,批量生產(chǎn)選擇第三種加工路線為佳,具體工序如下:

1、冷鐓毛坯:主要依靠冷鐓模具保證尺寸,內(nèi)孔有脫模錐度,且孔口倒角不良,外圓倒角偏、外圓表面不良(外圓表面錐度、壓痕、內(nèi)孔內(nèi)徑和內(nèi)孔深度)兩類,毛坯要預(yù)留加工余量。

2、針對零件內(nèi)孔與小外圓有圓跳動(dòng)≤0.13mm的要求,內(nèi)孔粗加工和外圓車加工時(shí)須統(tǒng)一基準(zhǔn)點(diǎn),對冷鐓坯進(jìn)行外圓ø15.90磨削處理,確保圓度誤差控制在0.03mm以內(nèi)。

3、用CNC?控車床加工,以精密夾頭夾住外圓ø15.90處,平六角頭外倒角+割外溝槽+車小外圓ø10.16。

4、用CNC數(shù)控車床加工,以精密夾頭夾住外圓ø15.90處,圓孔平頭內(nèi)外倒角+鏜底孔+割內(nèi)溝槽。

5、預(yù)備熱處理:精鏜孔前調(diào)質(zhì)熱處理,經(jīng)過多次驗(yàn)證,調(diào)質(zhì)硬度控制在26~29HRC,強(qiáng)韌性較好,后續(xù)鹽浴氮化變形量極小。

6、精磨外圓:消除熱處理后的變形,精磨外圓尺寸控制在ø15.85±0.01。

7、CNC精鏜內(nèi)孔,以精密夾頭夾住外圓ø15.85處,精鏜內(nèi)孔工藝尺寸ø12±0.01;此尺寸為關(guān)鍵要求全數(shù)檢測項(xiàng)目:孔徑尺寸、內(nèi)孔深度、內(nèi)孔圓與右側(cè)外圓ø10.16的圓跳動(dòng)圓跳動(dòng)≤0.13mm。

8、表面強(qiáng)化熱處理:根據(jù)六角頭軸套的特點(diǎn),服役時(shí)承載承受較大的載荷和摩擦,需對軸套內(nèi)孔進(jìn)行強(qiáng)化,表面硬度要求≥40HRC,內(nèi)孔的精度要求也較高,技術(shù)要求為:內(nèi)孔變形≤0.01mm,圓跳動(dòng)≤0.13mm。經(jīng)過多次試驗(yàn)證明,熱處理后零件硬度達(dá)到40~48 HRC,再精磨內(nèi)孔或精鏜內(nèi)孔都不是合適的生產(chǎn)工藝。根據(jù)本軸套高硬度、高精度的特點(diǎn),如果先精鏜孔好再熱處理能滿足參數(shù)要求的話,將會(huì)是理想的工藝,尋找一種減少變形的熱處理工藝很有必要;而采用鹽浴氮化熱處理工藝,在氮化鹽浴和氧化鹽浴兩種鹽浴中處理工件,實(shí)現(xiàn)了滲氮工序和氧化工序的復(fù)合(QPQ)工藝[1]改進(jìn)措施,并且軸套變形量很小,完全滿足技術(shù)要求。

經(jīng)過試驗(yàn),把軸套硬度調(diào)質(zhì)在26~29HRC,按圖紙尺寸要求精鏜孔,臨末熱處理QPQ黑色鹽浴氮化處理的軸套優(yōu)良品率高達(dá)98%以上,實(shí)現(xiàn)了批量化生產(chǎn)。QPQ工藝處理后的六角頭軸套金相檢測,其氮化層由表面氧化層和白亮層以及擴(kuò)散層組成,可以看出其氧化層和白亮層也是比較均勻的[3]。測得硬化層層深為0.27mm,氧化層深度為6um,白亮層深度為10μm,表面硬化層硬度為420~450HV。采用專用量具測得內(nèi)孔的圓度變形為0.005~0.010mm,滿足變形技術(shù)要求。

QPQ工藝既鹽浴復(fù)合處理技術(shù),“鹽浴復(fù)合”是指在氮化鹽浴和氧化鹽浴兩種鹽浴中處理工件,實(shí)現(xiàn)了滲氮工序和氧化工序的復(fù)合,QPQ熱處理工序?yàn)椋侯A(yù)熱→氮化→氧化→拋光→氧化。QPQ的技術(shù)優(yōu)勢主要如下:QPQ處理后的工件擁有極高的耐磨性、良好的耐疲勞性、極好的抗蝕性、極小的變形,QPQ技術(shù)綠色環(huán)保、技術(shù)成本低,這也正是試驗(yàn)采用QPQ工藝的原因。試驗(yàn)的QPQ工藝參數(shù)為:預(yù)熱溫度350~400℃,時(shí)間15min;氮化溫度570℃,時(shí)間2.5h;氧化溫度400℃,時(shí)間15min [2]。QPQ處理過程中,不僅外圓強(qiáng)化,且內(nèi)孔也強(qiáng)化,內(nèi)孔的圓度變形≤0.01mm,可以看出QPQ處理后的六角頭軸套表面十分美觀。

四、經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)

本軸套在生產(chǎn)中檢測控制和驗(yàn)證也是另外一個(gè)難點(diǎn),在檢具的設(shè)計(jì)也經(jīng)歷了一番曲折;在工藝不斷優(yōu)化的同時(shí)檢具也經(jīng)歷了技術(shù)的迭代;同期開發(fā)了幾代檢具。

第一代檢具:是委托量具廠用高速工具鋼制作:光滑通規(guī)和止規(guī),以及深度規(guī)。因內(nèi)孔間隙只有0.02mm公差,塞規(guī)不易放進(jìn)內(nèi)孔,放進(jìn)去都取不出來。我們對原始檢具采取增加手柄,戴厚手套檢測方式,效率極低。通過觀察發(fā)現(xiàn),塞不進(jìn)去,是因?yàn)閮?nèi)孔是盲孔氣體不易排出,塞規(guī)與內(nèi)孔單側(cè)只有0.01mm間隙,用電火花穿孔工藝,把光滑塞規(guī)中間增加3mm排氣孔,這一小改進(jìn),帶來檢測效率有較大提升,但因?yàn)槿珯z緣故,一個(gè)批次5千顆產(chǎn)品檢測后,量具外徑磨損嚴(yán)重,無法繼續(xù)使用。

第二代檢具:是委托量具廠用高速工具鋼制作:光滑塞規(guī),以及深度規(guī);后又對塞規(guī)外徑進(jìn)行鍍硬鉻處理。檢規(guī)耐用性并沒有顯著提升,檢具變成了消耗品。

第三代檢具:是委托量具廠以合金模具鋼做塞規(guī)芯子用優(yōu)質(zhì)鎢鋼制作塞規(guī)外套組合而成;本檢具正常檢測5萬個(gè)產(chǎn)品檢具損耗仍在設(shè)計(jì)公差范圍內(nèi);基本滿足正常檢測需要。

第四代檢具:生產(chǎn)工藝優(yōu)化一直在進(jìn)行,但檢測工藝和手段成為現(xiàn)實(shí)的難題。經(jīng)過研究,發(fā)現(xiàn)此軸套內(nèi)有兩個(gè)特點(diǎn):一是盲孔特性,二是內(nèi)孔孔徑尺寸精密;假設(shè)內(nèi)孔孔徑和深度恒定時(shí),檢具塞進(jìn)去時(shí)排出的氣體體積應(yīng)該是恒定。

若有一容器或檢具能檢測處理氣體排出的體積容量,那檢測精度和效率一定會(huì)更精準(zhǔn)和高效。根據(jù)這個(gè)假設(shè),查閱了大量技術(shù)文獻(xiàn),發(fā)現(xiàn)可以定制檢具,用氣動(dòng)量儀檢測盲孔孔徑是可靠和可行的。臨末公司定制了一臺數(shù)顯氣動(dòng)量儀,解決了零件孔徑檢測效率低下的難點(diǎn)。

清掃設(shè)備中單向轉(zhuǎn)動(dòng)部件要實(shí)現(xiàn)可靠傳動(dòng)功能特性,六角頭軸套內(nèi)孔加工成為關(guān)鍵要素,其中一個(gè)尺寸超差,均會(huì)導(dǎo)致其配套進(jìn)口的單向軸承報(bào)廢。穩(wěn)定的、科學(xué)的生產(chǎn)工藝至關(guān)重要,同時(shí)有效的檢測手段必不可少。

五、結(jié)論

關(guān)于軸套內(nèi)孔精度的加工和檢測,是本產(chǎn)品生產(chǎn)的難點(diǎn),批量生產(chǎn)中先進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理得到相對穩(wěn)定組織結(jié)構(gòu),再運(yùn)用QPQ黑色鹽浴氮化新型熱處理工藝,既強(qiáng)化表面硬度又提高表面抗腐蝕能力。另外,新型檢測手段的運(yùn)用,使用數(shù)顯氣動(dòng)量儀即精準(zhǔn)高效的檢測內(nèi)孔孔徑,又可以控制在微米級檢測精度,可靠的生產(chǎn)工藝和有效的檢測手段為大批量生產(chǎn)六角頭軸套提供了可靠的解決方案。優(yōu)良品率大幅提升,有效降本提質(zhì),實(shí)現(xiàn)根本上替代進(jìn)口零件的目的;在緊固件行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新的路上,對促進(jìn)國內(nèi)關(guān)鍵基礎(chǔ)零部件質(zhì)量提升具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

參閱文獻(xiàn)

[1]李惠友,羅德福,吳少旭.QPQ技術(shù)的原理與應(yīng)用[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008:2-4.2、紀(jì)貴 . 世界標(biāo)準(zhǔn)鋼號手冊 [M],北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2004.

[2]甄延波,趙娜,程良等. QPQ處理對40Cr鋼滲層組織影響的研究[J],金屬加工(熱加工),2019(2):61~63.4、張先鳴 . 摩托車不銹鋼緊固件的熱處理 [J],摩托車技術(shù),2011(2):48-52. 

[3]師薔,王群,曹宏哲.QPQ鹽浴復(fù)合處理對35鋼組織和性能的影響[J].材料熱處理技術(shù),2008(10):84

作者:羅良澤,寧波領(lǐng)奇五金實(shí)業(yè)有限公司總經(jīng)理,長期從事緊固件研發(fā)、銷售工作。

來源:金蜘蛛緊固件網(wǎng)

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