基于VB技术的渗碳热处理装量计算

■ 车永平，海侠女

渗碳热处理是变速器零部件生产过程中关键的一环，实际生产中，在不改变设备参数、热处理工艺的条件下，提高生产效率的唯一途径便是增大装炉量。不同零件装量的设计主要从以下几个方面进行考虑：设备类型、工装参数、零件结构、零件热变形规律、热处理技术指标要求等。以我公司热处理车间为例，设备类型主要分为两类：多用炉、环形炉，炉腔的尺寸决定了基础工装（基础料盘、承重盘、立柱等）的长、宽、高；而零件的结构和热变形规律决定了零件的备料方式。

结合零件结构和热变形规律，本文将零件的备料方式分为串放与平放。片齿类零件首选串放的备料方式，具有装量大、效率高的特点；对于异形片齿类零件（薄壁件或成品尺寸要求精度高的零件等）则需采用平放的备料方式；轴齿类零件主要采用竖放、蹲放、挂放方式。可以认为，轴类零件的备料方式与齿轮类零件的平放备料方式相似，即轴齿类零件在高度方向上数量由轴长决定，而片齿类零件在高度方向数量由齿轮厚度决定。此外，轴类零件和某些平放片齿类零件需要进行位置约束，因此将平放又以无约束和定位约束两种形式加以区分计算。

图1 n/n型串放实物

一、串放计算

设定料盘的宽度为L1，长度为L2，高度为L3。沿宽度方向零件之间的间隙为t1，沿长度方向零件之间的间隙为t2，沿高度方向零件之间的间隙为t3。

1. n/n型（奇-奇、偶-偶）串放

（1）间隙t3≥0 如图1所示，假设条件：①沿高度方向零件之间的间隙t3≥0。②高度方向每层串数相等。③零件-零件之间间隙与零件-边界之间的间隙相同。

数学模型及计算过程：设零件的最大直径为D，厚度为T，沿宽度、长度、高度方向所放零件数量分别为a1、a2、a3，且均为正整数，间隙值t1、t2、t3≥0。同时，对于特定零件及工装，D、T、L1、L2、L3为已知值。n/n型串放正视状态如图2所示。

首先，L1方向计算。满足条件：a1T+t1（a1+1）≤L1

则：t1≤（L1- a1T）/（a1+1）

由于t1＞0时，a1＜L1/T（t1=0时情况），且a1为正整数，则可利用VB分别计算当a1=1到L1/T之间t1值。当给定一个t1区间时，自动求出t1的最小值，即L1方向上可以摆放零件数的最大值。

其次，L2方向计算。满足条件：a2D+t2（a2+1）≤L2

则：t2≤（L2-a2D）/（a2+1）

由于t2＞0时，a2＜ L2/D（t2=0时情况），且a2为正整数，则可利用VB分别计算当a2=1到L2/D之间t2值。当给定一个t2区间时，自动求出t2的最小值，即L2方向上可以摆放零件数的最大值。

再次，L3方向计算。当t3＞0时，L3方向与L2方向计算方式相同，此处不再赘述。

最后，装量计算。设零件重量为W1（kg/件），料盘净重为W2（kg/炉），料盘最大承重为W（kg/炉），零件个数为F，则实际生产中必须满足以下关系式：W＞F W1+W2，其中F=a1a2a3。

若满足上述条件，则装量为F；若不满足，则零件数减1，代入上述关系式，直到满足条件为止。利用VB的do while循环进行操作，可快速、有效地进行计算。

（2）间隙t3＜0 假设条件：①沿高度方向零件之间的间隙t3＜0。②高度方向每层串数相等。③零件-边界间隙 Δ＞0，但令其足够小以至于计算中忽略不计。

数学模型及计算过程：①此种情况的L1、L2方向上的计算方式与上面类似，此处不再赘述。②L3方向计算。

此种情况时，高度方向摆放个数a3≥2，即a3-1＞0。

满足条件：a3D+t3（a3-1）+2Δ≤L3

则：|t3|≥（a3D+2Δ-L3）/（a3-1）

如图3所示，理论上|t3|是上圆A点与下圆B点之间的距离，最大值可以为D。但实际生产中，|t3|远小于D值，因此，令|t3|＜D/2。此时，当上下层圆相切时，|t3|值最大。

由于a3为正整数，则可利用VB分别计算当a3=1到2L3/D（|t3|=D/2时的极限值）之间t3值。当给定一个t3区间时（包含于0＜|t3|＜D-H区间），自动求出t3的最小值，即L3方向上可以摆放零件数的最大值。

此种情况的装量计算与以上类似，此处不再赘述。

2. n/n+1型（奇-偶）串放

图4为n/n+1型实物串放状态，图5为n/n+1型串放正视状态。结合上面的思路，计算出L2、L3方向上零件个数a2、a3，令n=a3/2（高度方向上零件个数除于2），则零件总数F=（a2a3-n）a1，运用上面提到的方法进行超重判别即可。

图2 n/n型串放正视状态

图3 n/n型串放

图4 n/n+1型实物

二、平放计算

1. 无约束放置

无约束放置主要针对于片齿轮平放，即L2L1（长度×宽度平面方向）平面放置，其数学模型与串放的L2L3（长度×高度）平面类似，因此，采用类似的方法进行计算，此处不再讨论。

2. 定位约束放置

（1）设计思路 轴类零件和部分平放齿轮类零件在备料时需要进行约束，轴类零件竖放、蹲放、挂放均需要导向盘、定位孔等工装辅助，以保证其竖直状态；而部分平放齿轮类零件则需要定位孔+杆，以防止其在淬火入油位置移动导致的磕碰、损伤或淬火不佳等情况。通过对现有工装的定位约束所需的导向盘进行梳理，建立零件尺寸及工装尺寸的对应关系，如图6所示。对于报价零件，可比较现有零件和报价零件的结构，若为类似结构，可采用现有导向盘，根据导向盘中孔的数量及总重量约束，得出零件装量；如结构差异较大，可重新设计导向盘，得出零件装量。

图5 n/n+1型串放正视状态

图6 定位约束放置示意

图7 n/n型串放

（2）设计过程 该过程计算重点主要对料盘参数信息的梳理及管理。将料盘信息数据储存在Access数据库中，运用Adodc、DataGrid控件进行后台关联，利用ShellExecute方法对PDF文档进行打开操作，以更直观地显示料盘的信息。

三、测算过程

为了测试该计算系统的准确性，选取我公司常用零件的备料装量进行计算，间隙值根据零件的性能需求经验计算，具体过程如下。

1. n/n型（奇-奇/偶-偶）串放

选取零件进行测算如图7所示，结构如图7b所示，计算过程如图7a所示。计算结果显示可摆放齿轮数量为20个，与实际环形炉备料数量相同。

2. 无约束平放

选取零件进行测算如图8所示，结构如图8b所示，计算过程如图8a所示。计算结果显示可摆放零件数量为72个，与实际环形炉备料数量相同。由于该零件性能要求较高，因此，t1、t2间隙值设置较大，使其渗碳气氛和淬火过程更加均匀。

3. 定位约束平放

选取零件进行测算如图9所示，结构如图9b所示，计算过程如图9a所示，计算结果显示可摆放零件数量为20个，与实际环形炉备料数量相同。值得一提的是，导向盘的最大孔数为28个，由于重量约束，其最终的零件数量限制在20个之内。

使用该系统计算零件的装量方式与数量，在实际生产中具有较好的可实施性，在保证零件热处理技术指标满足图样要求和热变形规律趋势一致的情况下，最优化零件的备料方式。

图8 无约束平放

图9 定位约束平放

四、结语

该系统的建立，简化了渗碳热处理备料过程装量计算的问题，对新产品的备料设计及成熟产品的备料优化均具有一定的指导意义；使车间备料工装进行条理化，有助于工装的统筹管理、使用；将理论与实践有机结合起来，使备料过程不局限于经验，而是借助于编程软件的使用，在“两化”的范畴中指导生产。

参考文献：

[1] 胡光立，谢希文.钢的热处理（原理和工艺）[M].西安：西北工业大学出版社，1993.

[2] 明日科技. Visual Basic从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2015.