常江， 唐漢薇， 盧桂榮

（中國(guó)航天科工集團(tuán)第四研究院，湖北孝感432100）

0 引言

金屬材料的熱處理工藝是在固態(tài)條件下將金屬或合金加熱到一定的溫度，保持一定的時(shí)間，然后用不同的冷卻方法冷卻下來(lái)，使其發(fā)生金屬相的轉(zhuǎn)變而獲得所需性能的一種熱加工工藝。一般來(lái)說(shuō)，只要選擇的金屬材料合適，熱處理工藝得當(dāng)，就能使機(jī)械零件的使用壽命成倍、甚至幾十倍地提高，收到事半功倍的效果，因此，熱處理是機(jī)械零件和工模具制造過(guò)程中的關(guān)鍵工序，也是機(jī)械工業(yè)的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)技術(shù)。

隨著機(jī)電產(chǎn)品對(duì)零部件的力學(xué)性能要求越來(lái)越高，各種結(jié)構(gòu)零件基本上都已采用了成品熱處理工藝，當(dāng)結(jié)構(gòu)零件尺寸較小、形狀機(jī)構(gòu)復(fù)雜且精度要求較高時(shí)，如在成品熱處理環(huán)節(jié)產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題則容易產(chǎn)生批次性報(bào)廢，最終造成制造成本的上升，不利于產(chǎn)品的研制及生產(chǎn)的順利進(jìn)行。由于熱處理是一個(gè)微觀組織變化的過(guò)程，對(duì)于過(guò)程的分析理論性要求較強(qiáng)，零件經(jīng)熱處理工藝后，其最終的性能受材料原始狀態(tài)、加熱方式、冷卻方式以及零件形狀等多種因素影響，任何一個(gè)因素的變化都會(huì)對(duì)材料的力學(xué)性能帶來(lái)巨大的變化。正是由于熱處理工藝的這種特殊性，單純依靠技術(shù)人員及操作工人的現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)，難以精確預(yù)測(cè)熱處理過(guò)程中的各種質(zhì)量問(wèn)題，導(dǎo)致熱處理過(guò)程質(zhì)量控制水平較低，而應(yīng)用CAE技術(shù)，對(duì)熱處理工藝過(guò)程進(jìn)行分析，可及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化工藝參數(shù)，從而大大減少試驗(yàn)的次數(shù)。

1 產(chǎn)品特點(diǎn)及工藝難點(diǎn)

本文研究的弧形推桿是船用液壓馬達(dá)中的傳動(dòng)零件，根據(jù)液壓原理可知，液壓傳動(dòng)過(guò)程中的能量損耗與傳動(dòng)件之間的間隙的立方成正比，因此液壓設(shè)備的機(jī)械零件精度普遍較高。本產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)如下：1）零件加工精度高，制造公差基本都在IT6級(jí)左右；2）零件材料為QT500，兩端部要求10 mm左右的局部硬度45HRC，同時(shí)兩端深孔作為另一零件的配合面，要求較小的變形量；3）零件上、下平面有較高的平行度要求，側(cè)面與底面之間有較高的垂直度要求，以保證裝配時(shí)較小的配合間隙。

圖1 弧形推桿三維圖

零件三維設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

對(duì)于零件的端面硬度要求，如果采用局部熱處理的工藝方式，由于QT500材料熱傳導(dǎo)系數(shù)低，在加熱過(guò)程中材料自身傳導(dǎo)熱量較慢，則加熱時(shí)間要很長(zhǎng)才能保證零件內(nèi)部達(dá)到奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，而此時(shí)零件表面已經(jīng)處于較高的溫度，由于QT500本身熔點(diǎn)較低，因此極易導(dǎo)致與熱源相接觸的部位局部熔化；如加熱過(guò)程時(shí)間較短，則零件內(nèi)部還不能達(dá)到組織轉(zhuǎn)變溫度，在冷卻過(guò)程中難以獲得較大比例的馬氏體，因此難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的硬度。

基于以上分析，在考慮零件的初步工藝方案時(shí)，考慮采用使用整體加熱，局部冷卻的工藝方法，通過(guò)整體加熱可以保證零件能夠較快地獲得材料內(nèi)外溫度的一致性，同時(shí)通過(guò)局部冷卻的方式使零件端面獲得需要的硬度。

零件的工藝路線為：下料→粗車成環(huán)狀→切斷→熱處理→磨零件外形。

2 初次試驗(yàn)結(jié)果及工藝過(guò)程仿真分析

2.1 初次試驗(yàn)結(jié)果及質(zhì)量問(wèn)題

根據(jù)初步的工藝方案，生產(chǎn)車間按照?qǐng)D紙進(jìn)行生產(chǎn)，零件經(jīng)過(guò)粗加工后進(jìn)行熱處理工序，然后用平磨磨平上下面，再用工裝夾緊磨平的上下面進(jìn)行定位后，磨削零件的內(nèi)外圓，內(nèi)外圓尺寸精度靠工裝尺寸保證。進(jìn)行完整套加工工序后，對(duì)零件的成品進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)弧形推桿兩端面的硬度達(dá)到要求，但弧形部位的內(nèi)外圓尺寸不符合圖紙要求，同時(shí)平行度及垂直度均超差。

由于磨削工裝的尺寸通過(guò)檢測(cè)符合設(shè)計(jì)尺寸，因此零件超差可排除工裝的原因，同時(shí)，因?yàn)槟ハ鞴ば虻纳弦坏拦ば驗(yàn)闊崽幚砉ば?，因此熱處理過(guò)程的質(zhì)量對(duì)磨削有著直接的影響?；谝陨戏治?，采用國(guó)際上先進(jìn)的工藝仿真軟件DEFORM對(duì)零件的熱處理過(guò)程進(jìn)行模擬，通過(guò)仿真分析研究熱處理過(guò)程中弧形推桿的熱力學(xué)行為。

2.2 熱處理工藝過(guò)程仿真分析

將弧形推桿的CAD模型直接導(dǎo)入DEFORM-3D系統(tǒng)，使用熱力耦合單元進(jìn)行有限元網(wǎng)格化分，并根據(jù)實(shí)際的工藝參數(shù)設(shè)置模擬邊界條件?；⌒瓮茥U熱處理工藝參數(shù)為：加熱溫度為850℃，保溫時(shí)間為20 min，工件兩端油冷，中間空冷。

仿真分析時(shí)，以弧形推桿中部為原點(diǎn)，即模擬淬火時(shí)夾具接觸位置，同時(shí)以此點(diǎn)為參考分析其他各部位的變形量。建立的有限元模型及熱處理工藝參數(shù)如圖2所示。

圖2 弧形推桿有限元模型及熱處理工藝參數(shù)

按照此工藝方案進(jìn)行設(shè)置后，零件的硬度分布及金相組織分布分析結(jié)果如圖3所示，淬火后工件兩端硬度為52～54.7HRC，中間硬度30HRC，符合實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)符合設(shè)計(jì)要求。工件兩端為100%馬氏體，中間段為100%珠光體，在過(guò)渡區(qū)是馬氏體和珠光體的混合物，獲得了良好的晶相組織。

圖3 硬度分布及金相組織分布分析結(jié)果

零件的熱處理變形分析結(jié)果如圖4所示，從分析結(jié)果可以看出，以工件中間段為原點(diǎn)，在零件兩端的Z軸方向上，其中一端向上偏移0.11mm，另一端向下偏移0.37mm，產(chǎn)生了較大的扭轉(zhuǎn)變形。通過(guò)研究圖5中零件內(nèi)部的應(yīng)力分布可以看出，零件中間夾持部位的應(yīng)力最高達(dá)到230 MPa，淬火分界點(diǎn)應(yīng)力也比較集中，大約150 MPa。由于零件兩端冷卻時(shí)中間部位還處于較高的溫度，材料抵抗應(yīng)力變形的能力較差，因此淬火應(yīng)力直接導(dǎo)致了零件的扭曲變形。

圖4 零件扭曲變形

圖5 內(nèi)部應(yīng)力分布

2.3 仿真分析結(jié)論

正是由于Z向扭曲變形的存在，即使平磨上下面也不能完全消除扭曲變形量，當(dāng)外形磨削過(guò)程中夾緊上下端面時(shí)，零件產(chǎn)生了較大的彈性變形，此時(shí)根據(jù)工裝尺寸磨削零件內(nèi)外圓時(shí)，名義上可以保證加工尺寸，但當(dāng)零件從工裝上取下后，夾緊時(shí)的彈性變形釋放，從而導(dǎo)致零件尺寸超差。

3 工藝優(yōu)化及試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)仿真分析結(jié)果，要保證磨削工序的加工質(zhì)量，則熱處理后零件的Z向變形必須消除。由于淬火過(guò)程中的變形難以有效控制，因此為校正零件的扭曲變形，可以在淬火后的回火工序中設(shè)計(jì)工裝夾具，用外力使其外形基本回復(fù)到淬火前狀態(tài)，然后低溫回火，消除內(nèi)應(yīng)力并穩(wěn)定保持校形狀態(tài)。

優(yōu)化后的工藝路線為：下料→粗車成環(huán)狀→切斷→淬火→校形回火→磨零件外形。

根據(jù)優(yōu)化后的工藝進(jìn)行了試驗(yàn)件的熱處理工藝試驗(yàn)，淬火后對(duì)零件的上下表面進(jìn)行平行度檢測(cè)，偏差在0.7 mm左右，與工藝仿真結(jié)果相符。淬火后使用工裝夾緊上下平面，然后低溫回火，回火處理后檢測(cè)零件的上下表面平行度，偏差在0.01 mm左右，有效地消除了Z向翹曲變形，保證了后續(xù)磨削工序的加工質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

本文應(yīng)用DEFORM-3D軟件，對(duì)弧形推桿淬火過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬，獲得其熱處理過(guò)程中的變形規(guī)律，并分析了組織及應(yīng)力分布情況，找出了零件磨削加工尺寸超差的原因所在，并以此指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，通過(guò)優(yōu)化后續(xù)熱處理工藝，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的工裝控制此種變形，以保證成品磨削時(shí)的加工質(zhì)量。

通過(guò)應(yīng)用數(shù)值仿真技術(shù)，對(duì)零件的工藝過(guò)程進(jìn)行分析，對(duì)于優(yōu)化工藝，降低制品成本，提高制品質(zhì)量，具有重要的指導(dǎo)意義。

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