自動化工裝夾具的設計過程介紹

作者：本站　來源：本站　日期：2018-11-05 21:29:20　人氣：154

　　自動化工裝夾具對于機械設備來說，是經常會用到的一個配件，但是你知道自動化工裝夾具是怎樣設計出來的嗎？提到易變形的齒輪或是高精度同步器齒套、盤橋齒的熱處理變形控制時，工藝人員往往會聯想到當前國際上對此采用的包含有壓淬工序的成熟工藝流程：熱前半成品→滲碳→壓淬→回火。

　　雖然此熱處理工藝流程確實對于控制熱處理變形起到良好的效果，但在執行壓淬工藝時所消耗的成本費用是相對比較高的，而且工藝周期被拉長，不利于高效生產，這在當今市場競爭如此激烈的環境下，成為了制造商們非常頭疼的問題。因此，對于一些特定的齒輪，需要嘗試通過改進控制方法把齒輪滲碳淬火后的變形控制在技術要求的范圍以內。圖1所示的工件是為國內某發動機總成廠配套的凸輪軸齒輪，屬于我廠的量產零件。該齒輪的材料為20CrMnTiH，輻板面雖然不是很窄，但是僅11mm厚，在結構上屬于典型的不對稱小直徑結構件。

　　1.凸輪軸齒輪熱處理要求

　　表面硬度57～62HRC；心部硬度25～45HRC；有效硬化層深度0.61～1.2mm（含0.2mm磨量），有效硬化層深度評價界限為515HV1；金相要求碳化物1～3級；馬氏體及殘留奧氏體1～3級。

　　2.熱處理后磨削加工流程

　　用后端面定位，磨齒輪正面的7個信號臺；之后用7個信號臺定位，磨后端面；最后，用后端面定位，磨前端面。由于7個信號臺起到發信號的作用，因此，必須保證7個信號臺嚴格的尺寸要求(±0.1mm)。

　　3.熱處理工藝流程的確定

　　考慮到該齒輪雖然屬于結構不對稱工件，但材料為普通滲碳鋼，又是不含鎳鋼，為了能夠滿足月產量最高峰達8000件的排產需求，并且盡量縮短工藝周期，我們選定的工藝流程是按照典型滲碳淬火工藝即滲碳后降溫、保溫一段時間后直接淬火的熱處理方式，如圖2所示。齒輪的熱處理設備選擇的是RTQF—13型IPSEN單門式多用爐生產線（3-1-2線），裝爐方式采用傳統的自動化工裝夾具立裝，如圖3所示。齒輪開發初期整體工藝流程為：鍛造→毛坯等溫正火→熱前加工→滲碳淬火→回火→清理拋丸→磨削加工→最終檢驗→清洗防銹→包裝入庫。

　　4.熱處理存在的質量問題

　　熱處理后齒輪的金相檢測項目雖然基本上能夠滿足技術要求，但是起初對于熱處理變形控制的效果很差。熱處理后，發現齒輪的中間輪轂面扭曲變形導致7個信號臺無法成功磨削，而且不同批次的齒輪熱處理后尺寸的變化差異也不一樣。

　　圍繞著該齒輪的熱處理變形問題，我們從原材料的進廠檢驗、等溫正火、滲碳工藝參數的優化、熱前尺寸的配合等方面都做了大量的工作進行過程優化。最終我們在熱處理后變形件的控制方面提高了不同批次齒輪熱處理后變形趨勢的一致性，但是對于齒輪輪轂面變形的控制效果依舊不太滿意。

　　5.對于庫存半成品件及生產現場問題件的處理

　　由于齒輪熱處理變形后強行磨削若發生黑皮將導致齒輪報廢，因此，部分變形件積壓在庫房中，無法動刀，出不了成品，產生不了效益，又占用庫存，而且生產現場還在產生同樣問題的熱后半成品。為此，我們利用廠內現有轉底爐和單工位淬火壓床資源，根據該凸輪軸齒輪的結構特點設計了壓淬模具

　　在采用以上設備對于庫存半成品實施壓淬后，可以將突出的輪轂面壓平，保證后續熱后磨削順利進行。在壓淬的同時我們對于壓淬的成本進行了大致核算：

　　能耗成本：轉底爐總功率128kW，工業用電0.72元/kW·h，能耗128×0.72=92.16元/h；淬火壓床總功率48.1kW，工業用電0.72元/kW·h，能耗48.1×0.72=34.632元/h。

　　甲醇成本：流量工藝要求為2～3L/h，采購價格為4元/kg，密度0.8kg/L，消耗成本為2L/h×0.8kg/L×4元/kg=6.4元/h。

　　丙烷成本：流量工藝要求為0.7m3/h，采購價格為7.168元/kg；密度1.76kg/m3，消耗成本為0.7m3/h×1.76kg/m3×7.168元/kg=8.83元/h。

　　壓淬效率：每小時壓11件。

　　壓淬人工成本：1元/件。

　　壓淬單件齒輪需要消耗成本：[(92.16+34.632+6.4+8.83)/11]+1=13.911元/件。

　　該齒輪熱處理之后磨齒工序時因熱處理變形發生廢品時半成品價格為54.39元。

　　則挽救一件半成品需要付出的壓淬成本所占比例為（13.911/54.39）×100%=25.6%。

　　由此可知，壓淬成本高且效率低，壓淬產能明顯不足，只能作為變形件的挽救手段加以應用而不能100%大批量壓淬，無法滿足該齒輪的高排產需求。

　　6.自動化工裝夾具的優化

　　如果齒輪的輪轂面變形的問題能夠得到解決，那么該齒輪實現滲碳后直接淬火的工藝方式才是切實可行的。我們曾經試圖在組合式自動化工裝夾具的結構上尋求突破，但未能如愿。

　　必須找到影響熱處理變形的根本原因，才可以在控制上有所突破。通過多次的試驗分析后，得出該產品熱處理變形大的主要原因是工件的結構不對稱，一是工件立放，當組織完全奧氏體化后，在重力的影響下齒輪中心比較厚實的凸臺部位就會產生一定的變形，淬火時齒輪又會使得原先的變形趨勢加劇；二是淬火時齒輪上有效厚度較薄的部位先發生組織轉變，而有效厚度較厚的部位發生組織轉變的時間相對滯后，造成了同一個齒輪上不同部位由奧氏體組織向馬氏體組織轉變的不同時性，進而造成了組織應力對于變形的影響。

　　因此，對于這種結構不對稱的齒輪來講，滲碳淬火時使其呈現自由變形狀態是不可取的，將會給齒輪的質量和成本控制都帶來不利影響。我們必須在直淬工藝上有新的突破，否則我廠的工藝路線是沒有競爭優勢的。

　　首先我們作整爐試驗尋找齒輪輪轂面移動變形的趨勢，共裝載32件齒輪，編號為1～32號，雙層隨機立放，裝載方式如圖6所示。

　　分別測量32件齒輪熱處理前與熱處理后的端面平行度和信號臺側的輪轂面（中間凸臺面）相對于齒輪正面大端面的高差值，測量結果。

　　齒輪熱處理后中心凸臺整體朝齒輪后端面移動變形的趨勢明顯，有將近一半的齒輪中心凸臺的平移量超過了0.10mm。

　　為此，我們設計了簡易的三爪式夾具（如圖7所示）與齒輪的凸臺面是圓周上均布三處接觸，支腳長度徑向上既能滿足該齒輪的直徑需求，又不至于使齒輪外圓直徑方向上在加熱和淬火過程當中因工裝的影響而受力。另外，我們考慮改變傳統的裝爐方式，將齒輪背面的凸臺面平放在三爪式夾具上，而后再疊放在蜂窩式平板小料盤上進行滲碳淬火，以達到阻礙中心凸臺移動的目的。

　　之所以不直接放在蜂窩式平板小料盤上熱處理，是考慮到反復的加熱和冷卻過程中小料盤已經產生了一定的變形，即小料盤本身就已經不平了，對于齒輪的平面度影響較大；再者，齒輪平放在三爪式夾具上相對于直接與小料盤接觸而言接觸面積較少，且三爪式夾具上的3個5mm深的過油槽也有利于淬火油的流動冷卻，對于凸臺面的硬度一致性的影響較小。

　　為了驗證試驗的有效性，我廠先期訂購了5件三爪式夾具，在爐中不同的部位進行工藝試驗，前后總共跟蹤了10爐次的試驗，50件齒輪的凸臺面沒有再出現移動變形現象，平面度全部控制在0.10mm以內，滿足了技術要求，轉入磨加工工序后，因為熱處理變形量均控制在熱處理前預留磨量之內，所以該批試驗件全部得以成功磨出。

　　試驗結果證實，該批齒輪的凸臺移動變形現象得到有效的控制，為實現直淬式工藝縮短生產周期并滿足批產量奠定了基礎。

　　雖然我廠自己設計的夾具大多采用傳統的3Cr25Ni20Si2材料，耐用度不高，重復淬火以后夾具的變形也有風險，而且試驗中的簡易式三爪式夾具因裝載操作比較煩瑣不適用于大批量整爐式裝夾，但是畢竟為我們設計此種齒輪的滲碳夾具提供了一定的理論基礎。

　　目前我們已經與國際知名的某專業熱處理自動化工裝夾具制造公司合作設計了適用于該種齒輪大批量整爐裝夾的專用滲碳料盤及夾具

　　在考慮到夾具使用壽命時，我們與合作方一起又對夾具材料進行了優化，更換的材料為HR17Nb，可確保使用壽命達到兩年。其合理的結構設計即等寬壁厚的對稱布局可以有效地避免應力集中現象，同時嚴格執行鑄造工藝確保夾具沒有砂眼缺陷，材料成分也必須完全符合相應的標準。

　　該工裝訂購到位后我們必須規范使用、維護過程，在生產過程當中需要定期將夾具翻轉使用，以便于緩解工裝的變形。在客戶對于該種齒輪需求量不斷增長的前提下，該套新式夾具所帶來的收益也會越加明顯。

　　7.幾種個性化實用熱處理夾具介紹

　　以上介紹的專用滲碳夾具有一定的優點，但是不具有通用性，無法在所有的齒輪產品中進行推廣。但是追求設計一種自動化工裝夾具就可以處理所有的工件也是很困難的，因為不同的齒輪結構和熱處理要求所適用的熱處理夾具也不會一樣。

　　在長期的實踐摸索過程中，我們針對一些特定結構的工件設計出一些簡易的個性化熱處理工裝，收到了良好的使用效果。

　　例如，圖9a所示的齒輪其結構對稱，對于此種齒輪我們設計的是通用性比較強的組合式自動化工裝夾具，采取立放的形式進行滲碳，既能夠最大程度地滿足裝爐量，又能夠滿足熱處理變形的要求；對于圖9b所示的中橋從動圓柱齒輪，我們設計的是串棒式自動化工裝夾具，將齒輪每5個一組直接套在串棒上，串棒通過料盤上的定位孔進行固定。因中橋從動圓柱齒輪的工件端面寬度相對比較大，且串棒直徑與齒輪的內孔直徑間隙量比較小，可保障齒輪組整齊碼放，防止進爐、出爐過程中齒輪相對于串棒來回竄動；對于圖9c所示的兩種工件，一是帶有內花鍵的嚙合套，由于結構不對稱造成淬火時大小兩個端面的冷卻速度差異大，如果直接穿棒疊放在一起，熱處理后一個顯著的缺陷就是內花鍵會產生一定的錐度；二是大內孔薄壁齒輪若直接穿棒疊放在一起，熱處理后會造成內孔橢圓。對于這兩類工件我們采用的是平板式夾具或籠屜式夾具，用定位小立柱防止工件左右來回竄動，同時靠夾具受力來避免工件在熱處理過程中相互擠壓受力而變形。

　　采用以上所述的針對各種特點工件匹配設計的個性化自動化工裝夾具，對于熱處理變形控制都有比較好的效果，質量長期穩定。

　　8.結語

　　（1）在熱處理過程中，自動化工裝夾具對于熱處理時扭曲變形的影響比較大。

　　（2）采用文中所示類型的三爪式滲碳夾具對于結構不對稱的凸輪軸齒輪熱處理變形（輪轂面平移）控制比較理想，批量大的齒輪采用該種整體優化后的夾具帶來的收益也比較明顯。

　　（3）工件采用何種裝料方式需要根據其具體的結構特點來個性化確定，有時一些簡易的夾具也可以收到比較好的使用效果。