自動(dòng)化工裝夾具的設(shè)計(jì)過(guò)程介紹

作者：本站　來(lái)源：本站　日期：2018-11-05 21:29:20　人氣：155

　　自動(dòng)化工裝夾具對(duì)于機(jī)械設(shè)備來(lái)說(shuō)，是經(jīng)常會(huì)用到的一個(gè)配件，但是你知道自動(dòng)化工裝夾具是怎樣設(shè)計(jì)出來(lái)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(shí)，工藝人員往往會(huì)聯(lián)想到當(dāng)前國(guó)際上對(duì)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(shí)對(duì)于控制熱處理變形起到良好的效果，但在執(zhí)行壓淬工藝時(shí)所消耗的成本費(fèi)用是相對(duì)比較高的，而且工藝周期被拉長(zhǎng)，不利于高效生產(chǎn)，這在當(dāng)今市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)如此激烈的環(huán)境下，成為了制造商們非常頭疼的問(wèn)題。因此，對(duì)于一些特定的齒輪，需要嘗試通過(guò)改進(jìn)控制方法把齒輪滲碳淬火后的變形控制在技術(shù)要求的范圍以內(nèi)。圖1所示的工件是為國(guó)內(nèi)某發(fā)動(dòng)機(jī)總成廠配套的凸輪軸齒輪，屬于我廠的量產(chǎn)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(jié)構(gòu)上屬于典型的不對(duì)稱小直徑結(jié)構(gòu)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(píng)價(jià)界限為515HV1；金相要求碳化物1～3級(jí)；馬氏體及殘留奧氏體1～3級(jí)。

　　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(gè)信號(hào)臺(tái)；之后用7個(gè)信號(hào)臺(tái)定位，磨后端面；最后，用后端面定位，磨前端面。由于7個(gè)信號(hào)臺(tái)起到發(fā)信號(hào)的作用，因此，必須保證7個(gè)信號(hào)臺(tái)嚴(yán)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(jié)構(gòu)不對(duì)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(chǎn)量最高峰達(dá)8000件的排產(chǎn)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(shí)間后直接淬火的熱處理方式，如圖2所示。齒輪的熱處理設(shè)備選擇的是RTQF—13型IPSEN單門式多用爐生產(chǎn)線（3-1-2線），裝爐方式采用傳統(tǒng)的自動(dòng)化工裝夾具立裝，如圖3所示。齒輪開(kāi)發(fā)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(yàn)→清洗防銹→包裝入庫(kù)。

　　4.熱處理存在的質(zhì)量問(wèn)題

　　熱處理后齒輪的金相檢測(cè)項(xiàng)目雖然基本上能夠滿足技術(shù)要求，但是起初對(duì)于熱處理變形控制的效果很差。熱處理后，發(fā)現(xiàn)齒輪的中間輪轂面扭曲變形導(dǎo)致7個(gè)信號(hào)臺(tái)無(wú)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(wèn)題，我們從原材料的進(jìn)廠檢驗(yàn)、等溫正火、滲碳工藝參數(shù)的優(yōu)化、熱前尺寸的配合等方面都做了大量的工作進(jìn)行過(guò)程優(yōu)化。最終我們?cè)跓崽幚砗笞冃渭目刂品矫嫣岣吡瞬煌锡X輪熱處理后變形趨勢(shì)的一致性，但是對(duì)于齒輪輪轂面變形的控制效果依舊不太滿意。

　　5.對(duì)于庫(kù)存半成品件及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題件的處理

　　由于齒輪熱處理變形后強(qiáng)行磨削若發(fā)生黑皮將導(dǎo)致齒輪報(bào)廢，因此，部分變形件積壓在庫(kù)房中，無(wú)法動(dòng)刀，出不了成品，產(chǎn)生不了效益，又占用庫(kù)存，而且生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)還在產(chǎn)生同樣問(wèn)題的熱后半成品。為此，我們利用廠內(nèi)現(xiàn)有轉(zhuǎn)底爐和單工位淬火壓床資源，根據(jù)該凸輪軸齒輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了壓淬模具

　　在采用以上設(shè)備對(duì)于庫(kù)存半成品實(shí)施壓淬后，可以將突出的輪轂面壓平，保證后續(xù)熱后磨削順利進(jìn)行。在壓淬的同時(shí)我們對(duì)于壓淬的成本進(jìn)行了大致核算：

　　能耗成本：轉(zhuǎn)底爐總功率128kW，工業(yè)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(yè)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(gòu)價(jià)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(gòu)價(jià)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(shí)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(shí)因熱處理變形發(fā)生廢品時(shí)半成品價(jià)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(chǎn)能明顯不足，只能作為變形件的挽救手段加以應(yīng)用而不能100%大批量壓淬，無(wú)法滿足該齒輪的高排產(chǎn)需求。

　　6.自動(dòng)化工裝夾具的優(yōu)化

　　如果齒輪的輪轂面變形的問(wèn)題能夠得到解決，那么該齒輪實(shí)現(xiàn)滲碳后直接淬火的工藝方式才是切實(shí)可行的。我們?cè)?jīng)試圖在組合式自動(dòng)化工裝夾具的結(jié)構(gòu)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(guò)多次的試驗(yàn)分析后，得出該產(chǎn)品熱處理變形大的主要原因是工件的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，一是工件立放，當(dāng)組織完全奧氏體化后，在重力的影響下齒輪中心比較厚實(shí)的凸臺(tái)部位就會(huì)產(chǎn)生一定的變形，淬火時(shí)齒輪又會(huì)使得原先的變形趨勢(shì)加??；二是淬火時(shí)齒輪上有效厚度較薄的部位先發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，而有效厚度較厚的部位發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的時(shí)間相對(duì)滯后，造成了同一個(gè)齒輪上不同部位由奧氏體組織向馬氏體組織轉(zhuǎn)變的不同時(shí)性，進(jìn)而造成了組織應(yīng)力對(duì)于變形的影響。

　　因此，對(duì)于這種結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的齒輪來(lái)講，滲碳淬火時(shí)使其呈現(xiàn)自由變形狀態(tài)是不可取的，將會(huì)給齒輪的質(zhì)量和成本控制都帶來(lái)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(méi)有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的。

　　首先我們作整爐試驗(yàn)尋找齒輪輪轂面移動(dòng)變形的趨勢(shì)，共裝載32件齒輪，編號(hào)為1～32號(hào)，雙層隨機(jī)立放，裝載方式如圖6所示。

　　分別測(cè)量32件齒輪熱處理前與熱處理后的端面平行度和信號(hào)臺(tái)側(cè)的輪轂面（中間凸臺(tái)面）相對(duì)于齒輪正面大端面的高差值，測(cè)量結(jié)果。

　　齒輪熱處理后中心凸臺(tái)整體朝齒輪后端面移動(dòng)變形的趨勢(shì)明顯，有將近一半的齒輪中心凸臺(tái)的平移量超過(guò)了0.10mm。

　　為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易的三爪式夾具（如圖7所示）與齒輪的凸臺(tái)面是圓周上均布三處接觸，支腳長(zhǎng)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(guò)程當(dāng)中因工裝的影響而受力。另外，我們考慮改變傳統(tǒng)的裝爐方式，將齒輪背面的凸臺(tái)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(jìn)行滲碳淬火，以達(dá)到阻礙中心凸臺(tái)移動(dòng)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(fù)的加熱和冷卻過(guò)程中小料盤已經(jīng)產(chǎn)生了一定的變形，即小料盤本身就已經(jīng)不平了，對(duì)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(duì)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(gè)5mm深的過(guò)油槽也有利于淬火油的流動(dòng)冷卻，對(duì)于凸臺(tái)面的硬度一致性的影響較小。

　　為了驗(yàn)證試驗(yàn)的有效性，我廠先期訂購(gòu)了5件三爪式夾具，在爐中不同的部位進(jìn)行工藝試驗(yàn)，前后總共跟蹤了10爐次的試驗(yàn)，50件齒輪的凸臺(tái)面沒(méi)有再出現(xiàn)移動(dòng)變形現(xiàn)象，平面度全部控制在0.10mm以內(nèi)，滿足了技術(shù)要求，轉(zhuǎn)入磨加工工序后，因?yàn)闊崽幚碜冃瘟烤刂圃跓崽幚砬邦A(yù)留磨量之內(nèi)，所以該批試驗(yàn)件全部得以成功磨出。

　　試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，該批齒輪的凸臺(tái)移動(dòng)變形現(xiàn)象得到有效的控制，為實(shí)現(xiàn)直淬式工藝縮短生產(chǎn)周期并滿足批產(chǎn)量奠定了基礎(chǔ)。

　　雖然我廠自己設(shè)計(jì)的夾具大多采用傳統(tǒng)的3Cr25Ni20Si2材料，耐用度不高，重復(fù)淬火以后夾具的變形也有風(fēng)險(xiǎn)，而且試驗(yàn)中的簡(jiǎn)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?cè)O(shè)計(jì)此種齒輪的滲碳夾具提供了一定的理論基礎(chǔ)。

　　目前我們已經(jīng)與國(guó)際知名的某專業(yè)熱處理自動(dòng)化工裝夾具制造公司合作設(shè)計(jì)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(shí)，我們與合作方一起又對(duì)夾具材料進(jìn)行了優(yōu)化，更換的材料為HR17Nb，可確保使用壽命達(dá)到兩年。其合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即等寬壁厚的對(duì)稱布局可以有效地避免應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行鑄造工藝確保夾具沒(méi)有砂眼缺陷，材料成分也必須完全符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

　　該工裝訂購(gòu)到位后我們必須規(guī)范使用、維護(hù)過(guò)程，在生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中需要定期將夾具翻轉(zhuǎn)使用，以便于緩解工裝的變形。在客戶對(duì)于該種齒輪需求量不斷增長(zhǎng)的前提下，該套新式夾具所帶來(lái)的收益也會(huì)越加明顯。

　　7.幾種個(gè)性化實(shí)用熱處理夾具介紹

　　以上介紹的專用滲碳夾具有一定的優(yōu)點(diǎn)，但是不具有通用性，無(wú)法在所有的齒輪產(chǎn)品中進(jìn)行推廣。但是追求設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化工裝夾具就可以處理所有的工件也是很困難的，因?yàn)椴煌凝X輪結(jié)構(gòu)和熱處理要求所適用的熱處理夾具也不會(huì)一樣。

　　在長(zhǎng)期的實(shí)踐摸索過(guò)程中，我們針對(duì)一些特定結(jié)構(gòu)的工件設(shè)計(jì)出一些簡(jiǎn)易的個(gè)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(jié)構(gòu)對(duì)稱，對(duì)于此種齒輪我們?cè)O(shè)計(jì)的是通用性比較強(qiáng)的組合式自動(dòng)化工裝夾具，采取立放的形式進(jìn)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(duì)于圖9b所示的中橋從動(dòng)圓柱齒輪，我們?cè)O(shè)計(jì)的是串棒式自動(dòng)化工裝夾具，將齒輪每5個(gè)一組直接套在串棒上，串棒通過(guò)料盤上的定位孔進(jìn)行固定。因中橋從動(dòng)圓柱齒輪的工件端面寬度相對(duì)比較大，且串棒直徑與齒輪的內(nèi)孔直徑間隙量比較小，可保障齒輪組整齊碼放，防止進(jìn)爐、出爐過(guò)程中齒輪相對(duì)于串棒來(lái)回竄動(dòng)；對(duì)于圖9c所示的兩種工件，一是帶有內(nèi)花鍵的嚙合套，由于結(jié)構(gòu)不對(duì)稱造成淬火時(shí)大小兩個(gè)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(gè)顯著的缺陷就是內(nèi)花鍵會(huì)產(chǎn)生一定的錐度；二是大內(nèi)孔薄壁齒輪若直接穿棒疊放在一起，熱處理后會(huì)造成內(nèi)孔橢圓。對(duì)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(lái)回竄動(dòng)，同時(shí)靠夾具受力來(lái)避免工件在熱處理過(guò)程中相互擠壓受力而變形。

　　采用以上所述的針對(duì)各種特點(diǎn)工件匹配設(shè)計(jì)的個(gè)性化自動(dòng)化工裝夾具，對(duì)于熱處理變形控制都有比較好的效果，質(zhì)量長(zhǎng)期穩(wěn)定。

　　8.結(jié)語(yǔ)

　?。?）在熱處理過(guò)程中，自動(dòng)化工裝夾具對(duì)于熱處理時(shí)扭曲變形的影響比較大。

　?。?）采用文中所示類型的三爪式滲碳夾具對(duì)于結(jié)構(gòu)不對(duì)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(yōu)化后的夾具帶來(lái)的收益也比較明顯。

　?。?）工件采用何種裝料方式需要根據(jù)其具體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)個(gè)性化確定，有時(shí)一些簡(jiǎn)易的夾具也可以收到比較好的使用效果。