阅读臂零件加工工艺的优化改进

叶贵清，潘 毅，曹静雯

（扬州工业职业技术学院 机械工程学院，江苏 扬州 225127）

1 问题的提出

薄壁型零件重量轻、成本低，广泛应用于纺织机械设备中，但由于其自身厚度较薄，故存在热加工中变形量较大，工艺要求难以满足以及内部易出现组织缺陷等问题［1］。阅读臂零件是国内某纺织机械公司电子多臂式开口织机中的核心动力件，厚度仅为3mm，属于典型薄板型零件，如图1所示。该纺织机在使用一段时间后出现多起阅读臂零件断裂失效的现象，如图2所示。由于该公司产品出口量占总销售量的40%以上，造成维修成本高和生产效率低等问题，给企业带来较大的经济损失。因此优化改进阅读臂的现有加工工艺，对提高阅读臂的整体机械性能显得十分必要。

图1 阅读臂零件图

图2 失效阅读臂零件

2 阅读臂零件现有工艺的分析

根据企业提供的阅读臂现有加工工序，阅读臂从原始坯料经过冲压、整形、热处理和成形加工，到最终进行安装调试，其加工工序流程如图3所示。根据图3所示，阅读臂毛坯成形工艺为冲压+热整形工序，而该成形工序对阅读臂的疲劳寿命都会有不同程度的影响，容易造成内在缺陷，导致阅读臂工作时的断裂失效［2］。同时根据阅读臂现有热处理工艺，高频淬火后采用PAG水溶性淬火介质冷却，PAG淬火液的主要缺点是存在挥发性，其浓度的差异导致冷却速度不稳定［3］。阅读臂的材料60Si2MnA属于合金钢，淬透性较好，当淬火液浓度低时，很容易产生淬火裂纹，造成阅读臂脆性断裂［4］。

图3 阅读臂零件现有加工工艺流程图

2.1 毛坯成形工艺分析

由于阅读臂属于薄板型零件，厚度仅为3mm，因此最为直接的影响就是冲压后变形量大。为减少阅读臂在冲压工序后产生的变形量，在冲压工序后增加了热整形工序（580℃下整形3h或650℃下整形2.5h），然而该工序可能会使得工件表面产生一定量的脱碳层。通过金相显微镜对多个阅读臂失效样品进行观察，发现均有明显脱碳的现象，最深达到0.2mm，并且温度越高，脱碳层深度越深。脱碳层金相照片如图4所示。

从图4中明显看出，脱碳层深度随温度的变化而变化，温度越高，脱碳层深度越深。而脱碳层对于阅读臂的使用寿命有着较为严重的影响：首先由于脱碳层碳含量较低，导致其强度、硬度均大幅度下降，易成为疲劳裂纹的萌生地［5］；另外脱碳层因其化学成分、组织与基体不同，导致热膨胀系数与基体不同，因此在热处理过程中产生的热应力较大，造成工件表层微裂纹的产生。综合来看，冲压后的热整形工序给阅读臂带来的质量影响较大，因此不建议采用。

图4 阅读臂热整形后的脱碳层金相照片

2.2 断口形貌分析

为了进一步找出阅读臂断裂的原因，从阅读臂断口附近取样在扫描电镜（SEM）下观察发现：在断口内部有多条微裂纹，裂纹沿断口方向伸展，指向断裂方向，如图5（a）所示。同时通过金相照片可以清晰地看到阅读臂内部有宏观裂纹存在。裂纹穿晶而过、形状较直、周边未见分叉小裂纹，裂纹周围未见明显脱碳氧化现象，如图5（b）所示。综上所述，可以断定裂纹属于淬火裂纹。根据阅读臂现有工艺，高频淬火后采用PAG水溶性淬火介质冷却，PAG淬火液的主要缺点是存在挥发性，其浓度的差异导致冷却速度不稳定［6］。当淬火液浓度低时，60Si2MnA很容易产生淬火裂纹，造成阅读臂脆性断裂。

图5 阅读臂内部缺陷

3 对现有工艺的优化

3.1 毛坯成形工艺优化

通过对阅读臂毛坯成形工艺的分析可知，现有成形工艺主要有冲压+热整形和激光切割两种，而两种工艺均存在阅读臂变形量大、硬化层较深、脱碳现象严重的缺点。为此，将阅读臂毛坯的成形工艺改成线切割工艺，即采用线切割制备阅读臂毛坯，不仅具有降低成本、材料利用率高的优点，更重要的是基本上杜绝了氧化层和硬化层的现象［7］。最终通过金相显微镜观察线切割工序后的阅读臂毛坯样品，均没有发现明显的脱碳层和加工硬化层，其金相照片如图6所示。

3.2 高频感应正火工艺优化

高频感应淬火由于加热速度快，扩散难以充分进行，往往会导致奥氏体成分不均匀，造成感应淬火后出现偏析，并可能诱发阅读臂内部缺陷的产生。因此在高频感应淬火前先进行预先热处理，如正火或调制处理，使得组织内部碳化物或自由铁素体呈细小、均匀的分布。该工艺优化将有利于快速加热时奥氏体成分的均匀化。基于以上分析，在高频感应淬火工艺前增加了高频感应正火工艺，以达到细化晶粒、消除偏析的目的。

3.3 金相分析

选取10只优化热处理工艺后阅读臂样品进行金相分析，其中重点分析阅读臂工作区域内淬硬区的组织，金相照片如图7所示。从图7中可以看出，优化工艺后的阅读臂淬硬区金相组织主要为回火马氏体态，晶粒组织均匀细致，无偏析、夹杂、裂纹等明显缺陷，并且由于改用了稳定性更好的油淬，因此残余奥氏体含量明显减少。

图6 线切割加工的阅读臂毛坯金相照片

图7 优化工艺后阅读 臂淬硬区的金相照片

另外由于对阅读臂热处理工艺进行了优化，观察发现从阅读臂淬硬区到基体区域之间出现明显过渡区组织，如图8（a）所示。过渡区的组织主要为回火马氏体和粒状珠光体的混合体［8］，过渡区的出现对于工况条件下残余应力的释放，防止应力集中有很好的促进作用。基体区域组织保持不变，仍为粒状珠光体组织，如图8（b）所示。

图8 优化工艺后阅读臂其他区域的金相照片

4 总结

（1）采取线切割工序后的阅读臂毛坯样品，均没有发现明显的脱碳层和加工硬化层，毛坯组织更为优越。

（2）在高频感应淬火工艺前增加了高频感应正火工艺，以达到细化晶粒、消除偏析的目的。

（3）优化工艺后的阅读臂淬硬区金相组织主要为回火马氏体态，晶粒组织均匀细致，无偏析、夹杂、裂纹等明显缺陷；同时观察发现从阅读臂淬硬区到基体区域之间出现明显过渡区组织，过渡区的出现对于工况条件下残余应力的释放，防止应力集中有很好的促进作用。

［1］ 李慧芳，萧振荣.合金钢及热处理工艺学［M］.北京：机械工业出版社，1986.

［2］ Chen Ming，Chen ge.Review and prospect of the shuttle less loom development［J］.Journal of China Textlle University（Eng），1999，16（1）：56-58.

［3］ 潘毅，陈荣发，王笃雄，等.基于阅读臂开口织机中阅读臂零件的失效分析［J］.金属热处理，2012，37（10）：80-83.

［4］ 王家珂，潘毅.基于ANSYS对破碎辊铸造过程中温度场的仿真分析［J］.铸造技术，2014，35（3）：559-561.

［5］ Giovanni E Gigante，Stefano Ridolfi，Danieal Ferro.Di-agnostic investigations and statistical validation of EDXRF mapping of the burial monument of Pope Sixtus IV by Antonio Pollaiolo in the Vatican［J］.Journal of Cultural Heritage，2012（13）：341-351.

［6］ 伍翠兰，陈汪林，元敏.牙轮失效分析研究［J］.湖南大学学报，2012，37（2）：51-55.

［7］ 齐晓华.感应加热器在金属零件表面淬火的应用研究［D］.成都：西南交通大学，2010：68-70.

［8］ Liu Chein-Shan.An LGSM to identify nonhomogeneous heat conductivity functions by an extra measurement of temperature［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2008（51）：2603-2613.