閱讀臂零件加工工藝的優(yōu)化改進(jìn)

葉貴清，潘 毅，曹靜雯

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

1 問題的提出

薄壁型零件重量輕、成本低，廣泛應(yīng)用于紡織機(jī)械設(shè)備中，但由于其自身厚度較薄，故存在熱加工中變形量較大，工藝要求難以滿足以及內(nèi)部易出現(xiàn)組織缺陷等問題［1］。閱讀臂零件是國內(nèi)某紡織機(jī)械公司電子多臂式開口織機(jī)中的核心動力件，厚度僅為3mm，屬于典型薄板型零件，如圖1所示。該紡織機(jī)在使用一段時間后出現(xiàn)多起閱讀臂零件斷裂失效的現(xiàn)象，如圖2所示。由于該公司產(chǎn)品出口量占總銷售量的40%以上，造成維修成本高和生產(chǎn)效率低等問題，給企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此優(yōu)化改進(jìn)閱讀臂的現(xiàn)有加工工藝，對提高閱讀臂的整體機(jī)械性能顯得十分必要。

圖1 閱讀臂零件圖

圖2 失效閱讀臂零件

2 閱讀臂零件現(xiàn)有工藝的分析

根據(jù)企業(yè)提供的閱讀臂現(xiàn)有加工工序，閱讀臂從原始坯料經(jīng)過沖壓、整形、熱處理和成形加工，到最終進(jìn)行安裝調(diào)試，其加工工序流程如圖3所示。根據(jù)圖3所示，閱讀臂毛坯成形工藝為沖壓+熱整形工序，而該成形工序?qū)﹂喿x臂的疲勞壽命都會有不同程度的影響，容易造成內(nèi)在缺陷，導(dǎo)致閱讀臂工作時的斷裂失效［2］。同時根據(jù)閱讀臂現(xiàn)有熱處理工藝，高頻淬火后采用PAG水溶性淬火介質(zhì)冷卻，PAG淬火液的主要缺點(diǎn)是存在揮發(fā)性，其濃度的差異導(dǎo)致冷卻速度不穩(wěn)定［3］。閱讀臂的材料60Si2MnA屬于合金鋼，淬透性較好，當(dāng)淬火液濃度低時，很容易產(chǎn)生淬火裂紋，造成閱讀臂脆性斷裂［4］。

圖3 閱讀臂零件現(xiàn)有加工工藝流程圖

2.1 毛坯成形工藝分析

由于閱讀臂屬于薄板型零件，厚度僅為3mm，因此最為直接的影響就是沖壓后變形量大。為減少閱讀臂在沖壓工序后產(chǎn)生的變形量，在沖壓工序后增加了熱整形工序（580℃下整形3h或650℃下整形2.5h），然而該工序可能會使得工件表面產(chǎn)生一定量的脫碳層。通過金相顯微鏡對多個閱讀臂失效樣品進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)均有明顯脫碳的現(xiàn)象，最深達(dá)到0.2mm，并且溫度越高，脫碳層深度越深。脫碳層金相照片如圖4所示。

從圖4中明顯看出，脫碳層深度隨溫度的變化而變化，溫度越高，脫碳層深度越深。而脫碳層對于閱讀臂的使用壽命有著較為嚴(yán)重的影響：首先由于脫碳層碳含量較低，導(dǎo)致其強(qiáng)度、硬度均大幅度下降，易成為疲勞裂紋的萌生地［5］；另外脫碳層因其化學(xué)成分、組織與基體不同，導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)與基體不同，因此在熱處理過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力較大，造成工件表層微裂紋的產(chǎn)生。綜合來看，沖壓后的熱整形工序給閱讀臂帶來的質(zhì)量影響較大，因此不建議采用。

圖4 閱讀臂熱整形后的脫碳層金相照片

2.2 斷口形貌分析

為了進(jìn)一步找出閱讀臂斷裂的原因，從閱讀臂斷口附近取樣在掃描電鏡（SEM）下觀察發(fā)現(xiàn)：在斷口內(nèi)部有多條微裂紋，裂紋沿斷口方向伸展，指向斷裂方向，如圖5（a）所示。同時通過金相照片可以清晰地看到閱讀臂內(nèi)部有宏觀裂紋存在。裂紋穿晶而過、形狀較直、周邊未見分叉小裂紋，裂紋周圍未見明顯脫碳氧化現(xiàn)象，如圖5（b）所示。綜上所述，可以斷定裂紋屬于淬火裂紋。根據(jù)閱讀臂現(xiàn)有工藝，高頻淬火后采用PAG水溶性淬火介質(zhì)冷卻，PAG淬火液的主要缺點(diǎn)是存在揮發(fā)性，其濃度的差異導(dǎo)致冷卻速度不穩(wěn)定［6］。當(dāng)淬火液濃度低時，60Si2MnA很容易產(chǎn)生淬火裂紋，造成閱讀臂脆性斷裂。

圖5 閱讀臂內(nèi)部缺陷

3 對現(xiàn)有工藝的優(yōu)化

3.1 毛坯成形工藝優(yōu)化

通過對閱讀臂毛坯成形工藝的分析可知，現(xiàn)有成形工藝主要有沖壓+熱整形和激光切割兩種，而兩種工藝均存在閱讀臂變形量大、硬化層較深、脫碳現(xiàn)象嚴(yán)重的缺點(diǎn)。為此，將閱讀臂毛坯的成形工藝改成線切割工藝，即采用線切割制備閱讀臂毛坯，不僅具有降低成本、材料利用率高的優(yōu)點(diǎn)，更重要的是基本上杜絕了氧化層和硬化層的現(xiàn)象［7］。最終通過金相顯微鏡觀察線切割工序后的閱讀臂毛坯樣品，均沒有發(fā)現(xiàn)明顯的脫碳層和加工硬化層，其金相照片如圖6所示。

3.2 高頻感應(yīng)正火工藝優(yōu)化

高頻感應(yīng)淬火由于加熱速度快，擴(kuò)散難以充分進(jìn)行，往往會導(dǎo)致奧氏體成分不均勻，造成感應(yīng)淬火后出現(xiàn)偏析，并可能誘發(fā)閱讀臂內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生。因此在高頻感應(yīng)淬火前先進(jìn)行預(yù)先熱處理，如正火或調(diào)制處理，使得組織內(nèi)部碳化物或自由鐵素體呈細(xì)小、均勻的分布。該工藝優(yōu)化將有利于快速加熱時奧氏體成分的均勻化。基于以上分析，在高頻感應(yīng)淬火工藝前增加了高頻感應(yīng)正火工藝，以達(dá)到細(xì)化晶粒、消除偏析的目的。

3.3 金相分析

選取10只優(yōu)化熱處理工藝后閱讀臂樣品進(jìn)行金相分析，其中重點(diǎn)分析閱讀臂工作區(qū)域內(nèi)淬硬區(qū)的組織，金相照片如圖7所示。從圖7中可以看出，優(yōu)化工藝后的閱讀臂淬硬區(qū)金相組織主要為回火馬氏體態(tài)，晶粒組織均勻細(xì)致，無偏析、夾雜、裂紋等明顯缺陷，并且由于改用了穩(wěn)定性更好的油淬，因此殘余奧氏體含量明顯減少。

圖6 線切割加工的閱讀臂毛坯金相照片

圖7 優(yōu)化工藝后閱讀 臂淬硬區(qū)的金相照片

另外由于對閱讀臂熱處理工藝進(jìn)行了優(yōu)化，觀察發(fā)現(xiàn)從閱讀臂淬硬區(qū)到基體區(qū)域之間出現(xiàn)明顯過渡區(qū)組織，如圖8（a）所示。過渡區(qū)的組織主要為回火馬氏體和粒狀珠光體的混合體［8］，過渡區(qū)的出現(xiàn)對于工況條件下殘余應(yīng)力的釋放，防止應(yīng)力集中有很好的促進(jìn)作用。基體區(qū)域組織保持不變，仍為粒狀珠光體組織，如圖8（b）所示。

圖8 優(yōu)化工藝后閱讀臂其他區(qū)域的金相照片

4 總結(jié)

（1）采取線切割工序后的閱讀臂毛坯樣品，均沒有發(fā)現(xiàn)明顯的脫碳層和加工硬化層，毛坯組織更為優(yōu)越。

（2）在高頻感應(yīng)淬火工藝前增加了高頻感應(yīng)正火工藝，以達(dá)到細(xì)化晶粒、消除偏析的目的。

（3）優(yōu)化工藝后的閱讀臂淬硬區(qū)金相組織主要為回火馬氏體態(tài)，晶粒組織均勻細(xì)致，無偏析、夾雜、裂紋等明顯缺陷；同時觀察發(fā)現(xiàn)從閱讀臂淬硬區(qū)到基體區(qū)域之間出現(xiàn)明顯過渡區(qū)組織，過渡區(qū)的出現(xiàn)對于工況條件下殘余應(yīng)力的釋放，防止應(yīng)力集中有很好的促進(jìn)作用。

［1］ 李慧芳，蕭振榮.合金鋼及熱處理工藝學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)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，陳榮發(fā)，王篤雄，等.基于閱讀臂開口織機(jī)中閱讀臂零件的失效分析［J］.金屬熱處理，2012，37（10）：80-83.

［4］ 王家珂，潘毅.基于ANSYS對破碎輥鑄造過程中溫度場的仿真分析［J］.鑄造技術(shù)，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］ 伍翠蘭，陳汪林，元敏.牙輪失效分析研究［J］.湖南大學(xué)學(xué)報，2012，37（2）：51-55.

［7］ 齊曉華.感應(yīng)加熱器在金屬零件表面淬火的應(yīng)用研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，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.