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(lái)越多的現(xiàn)代化設(shè)備被運(yùn)用到生產(chǎn)中。國(guó)內(nèi)SKD機(jī)械廠在生產(chǎn)某型號(hào)清掃設(shè)備，需開(kāi)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(xiāo)釘，單向封閉軸承；五角頭銷(xiāo)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(xiāo)釘?shù)难兄坪蜕a(chǎn)任務(wù)，其中六角頭軸套在試制過(guò)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(guò)與客戶溝通，在國(guó)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(lái)滿足軸套的質(zhì)量要求，詳見(jiàn)表1六角頭軸套主要工藝對(duì)照表。
圖1 六角頭軸套
表1 六角頭軸套主要工藝對(duì)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(wú)芯磨粗磨外圓——CNC車(chē)小外圓，割外溝槽，六角頭端平頭外倒角→CNC車(chē)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(tái)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(wú)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(chē)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(wú)芯磨粗磨外圓——CNC車(chē)小外圓，割外溝槽，六角頭平頭外倒角→CNC車(chē)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(guó)產(chǎn)的、進(jìn)口的，合金的、陶瓷的都試用過(guò)，但過(guò)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(wú)芯磨粗磨外圓→CNC車(chē)小外圓，割外溝槽，六角頭平頭外倒角——CNC車(chē)床粗鏜孔，割內(nèi)溝槽——調(diào)質(zhì)處理（26～29HRC）——無(wú)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�。�——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(tái)CNC車(chē)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(duì)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(chē)加工時(shí)須統(tǒng)一基準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)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(chē)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(chē)小外圓ø10.16。
4、用CNC數(shù)控車(chē)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(guò)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(cè)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(duì)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(guò)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(guò)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(cè)，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(cè)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(cè)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(shì)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(guò)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(cè)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(kāi)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(lái)。我們對(duì)原始檢具采取增加手柄，戴厚手套檢測(cè)方式，效率極低。通過(guò)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(lái)檢測(cè)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(cè)后，量具外徑磨損嚴(yán)重，無(wú)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(duì)塞規(guī)外徑進(jìn)行鍍硬鉻處理。檢規(guī)耐用性并沒(méi)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(cè)5萬(wàn)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(cè)需要。
第四代檢具：生產(chǎn)工藝優(yōu)化一直在進(jìn)行，但檢測(cè)工藝和手段成為現(xiàn)實(shí)的難題。經(jīng)過(guò)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(cè)處理氣體排出的體積容量，那檢測(cè)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?jī)x檢測(cè)盲孔孔徑是可靠和可行的。臨末公司定制了一臺(tái)數(shù)顯氣動(dòng)量?jī)x，解決了零件孔徑檢測(cè)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(cè)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(cè)，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(duì)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(cè)手段的運(yùn)用，使用數(shù)顯氣動(dòng)量?jī)x即精準(zhǔn)高效的檢測(cè)內(nèi)孔孔徑，又可以控制在微米級(jí)檢測(cè)精度，可靠的生產(chǎn)工藝和有效的檢測(cè)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(duì)促進(jìn)國(guó)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(hào)手冊(cè) [M]，北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2004.
[2]甄延波，趙娜，程良等. QPQ處理對(duì)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(chē)不銹鋼緊固件的熱處理 [J]，摩托車(chē)技術(shù)，2011(2)：48-52.
[3]師薔，王群，曹宏哲.QPQ鹽浴復(fù)合處理對(duì)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(zhǎng)期從事緊固件研發(fā)、銷(xiāo)售工作。
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