自動(dòng)化工裝夾具的設(shè)計(jì)過程介紹

作者：本站　來源：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)備來說，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，不利于高效生產(chǎn)，這在當(dāng)今市場(chǎng)競(jìng)爭如此激烈的環(huán)境下，成為了制造商們非常頭疼的問題。因此，對(duì)于一些特定的齒輪，需要嘗試通過改進(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。

　　4.熱處理存在的質(zhì)量問題

　　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(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)于庫存半成品件及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)問題件的處理

　　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房中，無法動(dòng)刀，出不了成品，產(chǎn)生不了效益，又占用庫存，而且生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)還在產(chǎn)生同樣問題的熱后半成品。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)加劇；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(jìng)爭優(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)的平移量超過了0.10mm。

　　為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了簡易的三爪式夾具（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(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)。

　　該工裝訂購到位后我們必須規(guī)范使用、維護(hù)過程，在生產(chǎn)過程當(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的前提下，該套新式夾具所帶來的收益也會(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。

　　在長期的實(shí)踐摸索過程中，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、出爐過程中齒輪相對(duì)于串棒來回竄動(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回竄動(dòng)，同時(shí)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(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)量長期穩(wěn)定。

　　8.結(jié)語

　?。?）在熱處理過程中，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。

　　（2）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)來個(gè)性化確定，有時(shí)一些簡易的夾具也可以收到比較好的使用效果。