自动化工装夹具的设计过程介绍

作者：本站　来源：本站　日期：2018-11-05 21:29:20　人气：155

　　自动化工装夹具对于机械设备来说，是经常会用到的一个配件，但是你知道自动化工装夹具是怎样设计出来的吗？提到易变形的齿轮或是高精度同步器齿套、盘桥齿的热处理变形控制时，工艺人员往往会联想到当前国际上对此采用的包含有压淬工序的成熟工艺流程：热前半成品→渗碳→压淬→回火。

　　虽然此热处理工艺流程确实对于控制热处理变形起到良好的效果，但在执行压淬工艺时所消耗的成本费用是相对比较高的，而且工艺周期被拉长，不利于高效生产，这在当今市场竞争如此激烈的环境下，成为了制造商们非常头疼的问题。因此，对于一些特定的齿轮，需要尝试通过改进控制方法把齿轮渗碳淬火后的变形控制在技术要求的范围以内。图1所示的工件是为国内某发动机总成厂配套的凸轮轴齿轮，属于我厂的量产零件。该齿轮的材料为20CrMnTiH，辐板面虽然不是很窄，但是仅11mm厚，在结构上属于典型的不对称小直径结构件。

　　1.凸轮轴齿轮热处理要求

　　表面硬度57～62HRC；心部硬度25～45HRC；有效硬化层深度0.61～1.2mm（含0.2mm磨量），有效硬化层深度评价界限为515HV1；金相要求碳化物1～3级；马氏体及残留奥氏体1～3级。

　　2.热处理后磨削加工流程

　　用后端面定位，磨齿轮正面的7个信号台；之后用7个信号台定位，磨后端面；最后，用后端面定位，磨前端面。由于7个信号台起到发信号的作用，因此，必须保证7个信号台严格的尺寸要求(±0.1mm)。

　　3.热处理工艺流程的确定

　　考虑到该齿轮虽然属于结构不对称工件，但材料为普通渗碳钢，又是不含镍钢，为了能够满足月产量最高峰达8000件的排产需求，并且尽量缩短工艺周期，我们选定的工艺流程是按照典型渗碳淬火工艺即渗碳后降温、保温一段时间后直接淬火的热处理方式，如图2所示。齿轮的热处理设备选择的是RTQF—13型IPSEN单门式多用炉生产线（3-1-2线），装炉方式采用传统的自动化工装夹具立装，如图3所示。齿轮开发初期整体工艺流程为：锻造→毛坯等温正火→热前加工→渗碳淬火→回火→清理抛丸→磨削加工→最终检验→清洗防锈→包装入库。

　　4.热处理存在的质量问题

　　热处理后齿轮的金相检测项目虽然基本上能够满足技术要求，但是起初对于热处理变形控制的效果很差。热处理后，发现齿轮的中间轮毂面扭曲变形导致7个信号台无法成功磨削，而且不同批次的齿轮热处理后尺寸的变化差异也不一样。

　　围绕着该齿轮的热处理变形问题，我们从原材料的进厂检验、等温正火、渗碳工艺参数的优化、热前尺寸的配合等方面都做了大量的工作进行过程优化。最终我们在热处理后变形件的控制方面提高了不同批次齿轮热处理后变形趋势的一致性，但是对于齿轮轮毂面变形的控制效果依旧不太满意。

　　5.对于库存半成品件及生产现场问题件的处理

　　由于齿轮热处理变形后强行磨削若发生黑皮将导致齿轮报废，因此，部分变形件积压在库房中，无法动刀，出不了成品，产生不了效益，又占用库存，而且生产现场还在产生同样问题的热后半成品。为此，我们利用厂内现有转底炉和单工位淬火压床资源，根据该凸轮轴齿轮的结构特点设计了压淬模具

　　在采用以上设备对于库存半成品实施压淬后，可以将突出的轮毂面压平，保证后续热后磨削顺利进行。在压淬的同时我们对于压淬的成本进行了大致核算：

　　能耗成本：转底炉总功率128kW，工业用电0.72元/kW·h，能耗128×0.72=92.16元/h；淬火压床总功率48.1kW，工业用电0.72元/kW·h，能耗48.1×0.72=34.632元/h。

　　甲醇成本：流量工艺要求为2～3L/h，采购价格为4元/kg，密度0.8kg/L，消耗成本为2L/h×0.8kg/L×4元/kg=6.4元/h。

　　丙烷成本：流量工艺要求为0.7m3/h，采购价格为7.168元/kg；密度1.76kg/m3，消耗成本为0.7m3/h×1.76kg/m3×7.168元/kg=8.83元/h。

　　压淬效率：每小时压11件。

　　压淬人工成本：1元/件。

　　压淬单件齿轮需要消耗成本：[(92.16+34.632+6.4+8.83)/11]+1=13.911元/件。

　　该齿轮热处理之后磨齿工序时因热处理变形发生废品时半成品价格为54.39元。

　　则挽救一件半成品需要付出的压淬成本所占比例为（13.911/54.39）×100%=25.6%。

　　由此可知，压淬成本高且效率低，压淬产能明显不足，只能作为变形件的挽救手段加以应用而不能100%大批量压淬，无法满足该齿轮的高排产需求。

　　6.自动化工装夹具的优化

　　如果齿轮的轮毂面变形的问题能够得到解决，那么该齿轮实现渗碳后直接淬火的工艺方式才是切实可行的。我们曾经试图在组合式自动化工装夹具的结构上寻求突破，但未能如愿。

　　必须找到影响热处理变形的根本原因，才可以在控制上有所突破。通过多次的试验分析后，得出该产品热处理变形大的主要原因是工件的结构不对称，一是工件立放，当组织完全奥氏体化后，在重力的影响下齿轮中心比较厚实的凸台部位就会产生一定的变形，淬火时齿轮又会使得原先的变形趋势加剧；二是淬火时齿轮上有效厚度较薄的部位先发生组织转变，而有效厚度较厚的部位发生组织转变的时间相对滞后，造成了同一个齿轮上不同部位由奥氏体组织向马氏体组织转变的不同时性，进而造成了组织应力对于变形的影响。

　　因此，对于这种结构不对称的齿轮来讲，渗碳淬火时使其呈现自由变形状态是不可取的，将会给齿轮的质量和成本控制都带来不利影响。我们必须在直淬工艺上有新的突破，否则我厂的工艺路线是没有竞争优势的。

　　首先我们作整炉试验寻找齿轮轮毂面移动变形的趋势，共装载32件齿轮，编号为1～32号，双层随机立放，装载方式如图6所示。

　　分别测量32件齿轮热处理前与热处理后的端面平行度和信号台侧的轮毂面（中间凸台面）相对于齿轮正面大端面的高差值，测量结果。

　　齿轮热处理后中心凸台整体朝齿轮后端面移动变形的趋势明显，有将近一半的齿轮中心凸台的平移量超过了0.10mm。

　　为此，我们设计了简易的三爪式夹具（如图7所示）与齿轮的凸台面是圆周上均布三处接触，支脚长度径向上既能满足该齿轮的直径需求，又不至于使齿轮外圆直径方向上在加热和淬火过程当中因工装的影响而受力。另外，我们考虑改变传统的装炉方式，将齿轮背面的凸台面平放在三爪式夹具上，而后再叠放在蜂窝式平板小料盘上进行渗碳淬火，以达到阻碍中心凸台移动的目的。

　　之所以不直接放在蜂窝式平板小料盘上热处理，是考虑到反复的加热和冷却过程中小料盘已经产生了一定的变形，即小料盘本身就已经不平了，对于齿轮的平面度影响较大；再者，齿轮平放在三爪式夹具上相对于直接与小料盘接触而言接触面积较少，且三爪式夹具上的3个5mm深的过油槽也有利于淬火油的流动冷却，对于凸台面的硬度一致性的影响较小。

　　为了验证试验的有效性，我厂先期订购了5件三爪式夹具，在炉中不同的部位进行工艺试验，前后总共跟踪了10炉次的试验，50件齿轮的凸台面没有再出现移动变形现象，平面度全部控制在0.10mm以内，满足了技术要求，转入磨加工工序后，因为热处理变形量均控制在热处理前预留磨量之内，所以该批试验件全部得以成功磨出。

　　试验结果证实，该批齿轮的凸台移动变形现象得到有效的控制，为实现直淬式工艺缩短生产周期并满足批产量奠定了基础。

　　虽然我厂自己设计的夹具大多采用传统的3Cr25Ni20Si2材料，耐用度不高，重复淬火以后夹具的变形也有风险，而且试验中的简易式三爪式夹具因装载操作比较烦琐不适用于大批量整炉式装夹，但是毕竟为我们设计此种齿轮的渗碳夹具提供了一定的理论基础。

　　目前我们已经与国际知名的某专业热处理自动化工装夹具制造公司合作设计了适用于该种齿轮大批量整炉装夹的专用渗碳料盘及夹具

　　在考虑到夹具使用寿命时，我们与合作方一起又对夹具材料进行了优化，更换的材料为HR17Nb，可确保使用寿命达到两年。其合理的结构设计即等宽壁厚的对称布局可以有效地避免应力集中现象，同时严格执行铸造工艺确保夹具没有砂眼缺陷，材料成分也必须完全符合相应的标准。

　　该工装订购到位后我们必须规范使用、维护过程，在生产过程当中需要定期将夹具翻转使用，以便于缓解工装的变形。在客户对于该种齿轮需求量不断增长的前提下，该套新式夹具所带来的收益也会越加明显。

　　7.几种个性化实用热处理夹具介绍

　　以上介绍的专用渗碳夹具有一定的优点，但是不具有通用性，无法在所有的齿轮产品中进行推广。但是追求设计一种自动化工装夹具就可以处理所有的工件也是很困难的，因为不同的齿轮结构和热处理要求所适用的热处理夹具也不会一样。

　　在长期的实践摸索过程中，我们针对一些特定结构的工件设计出一些简易的个性化热处理工装，收到了良好的使用效果。

　　例如，图9a所示的齿轮其结构对称，对于此种齿轮我们设计的是通用性比较强的组合式自动化工装夹具，采取立放的形式进行渗碳，既能够最大程度地满足装炉量，又能够满足热处理变形的要求；对于图9b所示的中桥从动圆柱齿轮，我们设计的是串棒式自动化工装夹具，将齿轮每5个一组直接套在串棒上，串棒通过料盘上的定位孔进行固定。因中桥从动圆柱齿轮的工件端面宽度相对比较大，且串棒直径与齿轮的内孔直径间隙量比较小，可保障齿轮组整齐码放，防止进炉、出炉过程中齿轮相对于串棒来回窜动；对于图9c所示的两种工件，一是带有内花键的啮合套，由于结构不对称造成淬火时大小两个端面的冷却速度差异大，如果直接穿棒叠放在一起，热处理后一个显著的缺陷就是内花键会产生一定的锥度；二是大内孔薄壁齿轮若直接穿棒叠放在一起，热处理后会造成内孔椭圆。对于这两类工件我们采用的是平板式夹具或笼屉式夹具，用定位小立柱防止工件左右来回窜动，同时靠夹具受力来避免工件在热处理过程中相互挤压受力而变形。

　　采用以上所述的针对各种特点工件匹配设计的个性化自动化工装夹具，对于热处理变形控制都有比较好的效果，质量长期稳定。

　　8.结语

　　（1）在热处理过程中，自动化工装夹具对于热处理时扭曲变形的影响比较大。

　　（2）采用文中所示类型的三爪式渗碳夹具对于结构不对称的凸轮轴齿轮热处理变形（轮毂面平移）控制比较理想，批量大的齿轮采用该种整体优化后的夹具带来的收益也比较明显。

　　（3）工件采用何种装料方式需要根据其具体的结构特点来个性化确定，有时一些简易的夹具也可以收到比较好的使用效果。