细长空心零件加工工艺改进

赵凡

（齐齐哈尔雄鹰警用器材有限公司，黑龙江 齐齐哈尔161000）

1 概述

我公司某新品在开发试制阶段，遇到关键零件加工问题。该类产品件呈细长空芯结构，截面呈不对称扇形（见零件示意图1），属形状较复杂的零件，热处理变形规律难以掌控。开始我们采用精加工成型后进行盐浴热处理工艺方法，热处理后发现零件扭曲变形，直线度超差，孔内残留盐渍严重，无法清理，人工校正时易碎裂，磨削加工后也无法满足产品设计要求，此类工件加工工艺问题影响产品研制开发进程。

零件材料：42CrMo

热处理硬度：45-50HRC 金相组织：回火屈氏体

热处理圆柱度：＜0.5 磨削后圆柱度：＜0.1

2 问题分析

2.1 该零件是外形细长的薄壁管件，外径φ190-0.02，内径φ13+0.205+0.095，总长度在188，管体部截面呈不对称扁圆形，管心部开阶梯孔，致辞使管壁厚薄变化大；两端多孔构型，如果火后加工非常困难，所以内孔必须在火前精加工成型，这种结构复杂、外型不对称的纤细薄壁管状零件势必造成热处理弯曲变形，直线度超差严重，校正极其困难，校正碎裂问题突出等工艺难题。

2.2 该类精加工成型件以往采用盐浴炉加热淬火热处理工艺方案，不仅残存于工件孔隙和盲孔中的盐渍对精加工成型零件造成腐蚀，后序表面处理困难；熔盐由零件带出量大，辅助材料费用过多；生产现场工人作业环境污染大，劳动强度高，而且，由于其控制柜采用接触器控温，炉温波动较大，工件保温温度起伏明显，淬火硬度均匀性不佳。加热淬火中瞬间热应力和组织应力的综合作用大于钢的屈服强度时，就会产生畸变；当两种应力的综合作用超过钢的抗拉强度时，则引起工件开裂。[1]

3 改进过程

根据以上分析，我们决定进行试验改进机加工艺和热处理工艺。

3.1 把零件机加部分分为两部加工：由于内部孔太深，而且孔太小，前端孔只有∮1.9，零件淬火后很难加工完成，所以先把零件的内孔加工到位，热处理后再进行火后加工外形，这样可以尽量减小因外部形状不规则引起的零件热处理变形。

3.2 把盐浴热处理改为真空热处理，采用VOQ2-100 双室真空淬火炉替代RYD-75-13 盐浴炉,能减少残盐随工件带出降低熔盐浪费，还能防止熔盐粘附在工件缝隙和盲孔中对工件造成腐蚀。工件入、出炉自动化运送，工人劳动强度降低，生产效率显著提高；双室真空炉控制柜上安装了可存储多段控温的工艺控温曲线，工艺一致性好，人为设定温度误差得以有效消除，工件热处理硬度更均匀，工件由于人为操作造成的淬火变形明显改善。

3.3 双室真空淬火炉为工件光亮淬火提供了保证，该双室真空淬火炉，具有真空加热室与真空淬火室，淬火保证工件在高温加热与出炉淬火过程都在全封闭高真空下连续进行，极限真空度4×10-1Pa，采用真空淬火油淬火冷却，保证工件能达到无氧化光亮淬火要求。

3.4 为防止工件热处理变形，对火机加成型后零件不直接进行最终热处理，而是先采用箱式热处理炉进行去应力退火，再入真空炉采用吊挂方式加热与淬火，在工件加热淬火过程中，设计加工阶梯芯轴式夹紧支撑辅具，从而有效控制了细长空心零件热处理变形问题。

3.5 采用真空加热淬火新工艺取代盐浴炉加热淬火传统工艺方法，解决了盐浴炉加热淬火接触器控温加热温度起伏波动大的问题。盐浴炉控温采用接触器，其控温精度仅能满足±10℃工艺要求；双室真空淬火炉智能控温仪采用了PID 控温，能达到±5℃温控精度, 保证细长空心件淬火温度更均匀。在工艺试验过程中，通过趟试调整工艺参数，设定了四段式多台阶加热保温，840℃适宜加热温度，工件加热温度更均匀，炉温均匀性更好，使热处理变形问题得到改解决善，良好解决了热处理畸变与校正脆断问题。

先将该工件进行550±10℃去应力退火，能进一步消除工件火前加工应力；在最终热处理时，针对常规盐浴炉人工操作，接触器控温波动大导致工件加热淬火硬度均匀性较差，工件热应力和组织应力综合作用导到淬火变形大的问题，采用双室真空淬火炉，工件在真空中加热辐射传热，可采用多段预热，长时间保温[2]。

选取了对工件采用四台阶多段式加热工艺曲线，在淬火升温时设定在650℃保温预热，在工件回火时通过试验与检测，推选用350℃中温回火，保证回火后基体多相组织为回火屈氏体，从而有效降低热处理畸变与脆裂倾向。

图2 细长空心零件热处理工艺曲线

3.6 采用真空淬火油取代原普通淬火油作为该工件的冷却介质，工件淬火硬度更均匀，表面达到光亮无氧化，保证细长空心件热处理直线度要求。

表1 淬火介质性能指标检测情况

4 工艺试验与生产验证

4.1 新旧工艺试验对比, 细长空心零件在火前与火后分两部分加工成型，选用双室真空热处理取代盐浴炉传统热处理工艺方案，工件的内外在质量明显提高，解决了热处理变形无法校正的难题。

表2 细长空心零件盐浴炉与真空炉热处理试验

4.2 细长管类工件采用辅具夹紧支撑真空淬火新工艺经批量生产表明，工件热处理后无氧化腐蚀，热处理后直线度合格，火后机加100%合格，不校正，无脆断问题，工件硬度均匀，质量稳定，满足产品件设计要求。

表3 细长空心管类工件辅具支撑真空热处理新工艺批量验证情况

5 结论

5.1 该系列细长空心零件采用新的工艺方法后，通过几批该类零件冷、热加工验证，效果明显提高，能够满足零件精度要求。解决了细长薄壁不对称管的加工难题，保证产品研发进度。

5.2 该类工件新加工工艺的应用，细长空心管类工件内孔采用火前加工成型，热处理采用辅具夹紧支撑的吊挂式高真空热处理，火后再精加工外型的工艺创新，达到了工件无需校正，能保证热处理后圆柱度＜0.5，而且能保证火后精加工圆柱度＜0.1。

5.3 此类工件热处理打破了盐浴炉热处理传统的工艺方法，成功推出了高真空加热淬火的新工艺，以智能化、自动化程序控制取代原来手工操作，极大提高热处理生产率，改善了工人作业环境。

5.4 双室真空淬火炉应用于细长空心管状工件，解决了传统盐炉接触器控温，炉温波动大的弊端，实现了±5℃控温精度，使该关键件的硬度更均匀，强韧性指标更可靠，产品件内在质量更优。

5.5 细长空心零件热处理采用VOQ-100 双室真空淬火炉取代RYD-75-13 盐浴加热炉，根本解决了盐渍残留于工件盲孔及缝隙腐蚀工件的问题；实现了高真空无氧化淬火，降低了后序表面处理费用，达到了提质增效的目标。

5.6 此类细长空心工件在内孔精加工后增加了去应力回火工序，最终热处理利用新设备的热处理曲线存储功能，设定好四段台阶升温工艺曲线，避开了人为影响，使工件热处理变形可靠受控，保证了火后精加工外型工差要求，为热处理工艺向智能化升级迈开可喜一步。