臥車鑄鐵床身滑動導軌面超音頻感應淬火工藝研究

米萍萍，呂長君，謝宇蒙

齊重數控裝備股份有限公司 黑龍江齊齊哈爾 161005

1 序言

床身是臥式機床的核心部件，用來支撐床頭箱等運動機構平穩運行，對整個機床的精度起著至關重要的作用。床身滑動導軌的失效形式主要是導軌工作面磨損、拉傷及碰傷，從而喪失導軌應用精度（平直度和表面粗糙度），使機床加工精度無法保證，因此必須提高床身導軌工作面的耐磨性和抗擦傷能力。為了使床身滑動導軌面有更好的硬度、耐磨性、精度保持性，并延長導軌工作面的使用壽命，研究合適的床身熱處理工藝是非常必要的。

2 鑄鐵床身滑動導軌面熱處理工藝現狀

臥式車床鑄鐵床身滑動導軌工作面原來采用以下兩種的工藝：一種工藝流程是鑄件→去應力退火→粗加工→去應力退火→精加工→磨削導軌面后直接使用，由于這種方法獲得的導軌面硬度也就是鑄件的基體硬度，因此導軌面耐磨性低，精度保持性差，使用壽命短；另一種工藝流程是鑄件→去應力退火→粗加工→去應力退火→精加工→導軌面鑲8mm厚的40Cr鋼淬火導軌板→磨削后使用，這種方法有效地提高了導軌面的硬度、精度保持性，使用壽命長，但工藝周期長，中間工序繁雜，生產成本高。

鑒于以上實際情況，不僅要保證機床的使用精度，延長工件使用壽命，還要縮短生產周期，降低生產成本。綜合探討，我公司決定采用功率300kW、型號為HKHC700數控導軌專用感應淬火機床進行超音頻感應淬火，采用450kW、RZ450型7m罩式回火爐進行整體回火，滿足床身滑動導軌工作面的使用性能。床身滑動導軌面現行工藝為：鑄件→粗加工→去應力退火→機加工→導軌表面超音頻感應淬火、整體回火→磨削→使用。

3 導軌面超音頻感應淬火工藝研究

3.1 臥車床身導軌規格及技術要求

床身材質為 HT250或HT300。

床身側面形狀如圖1所示，常用床身長度一般分為4m、5m、6m，圖樣要求a、b、c、d、e、f等各導軌面淬火硬度為42～51HRC，有效淬硬層深為1.2～1.5mm。

圖1 臥車床身側面形狀

3.2 臥車床身的加工工藝路線

為減少熱變形量及進行導軌面超音頻感應淬火，重新設計了臥車床身的加工工藝路線：鑄件→材料檢驗（合格）→劃線、數控銑鏜、修整→去應力退火→劃線、數控鏜銑→振動時效→劃線、數控銑鏜、修整、數控鏜銑（數控差補上凸）、導軌磨、修整、檢驗（化學成分、金相組織）→表面超音頻感應淬火→回火→搖臂鉆、龍門磨、鏜銑、修整、終檢→入庫待裝配。超音頻感應淬火前后導軌面均采用磨削工序，降低表面粗糙度值，能有效地減小機加工應力、淬火應力導致的變形量。

3.3 超音頻感應淬火前準備工作

為確保淬火成功，預防淬火開裂及變形的影響，淬火前要做好以下幾個方面的工作[1]。

（1）預備熱處理 粗加工后進行去應力退火，加熱溫度500～550℃，保溫4～6h，隨爐冷至200℃以下出爐空冷，目的是消除機加工產生的加工應力，防止淬火后產生較大變形。

（2）化學成分檢驗 臥車床身在機加工過程中取樣進行化學成分檢驗，項目元素包括C、Si、Mn、P、S、Cr、Cu等。

（3）本體金相組織檢驗 項目包括石墨形態、石墨大小、珠光體、滲碳體及磷共晶含量，組織要求如下。

1）石墨：分布形狀以A型石墨為主，放大100倍，長度為5～30mm。

2）珠光體：數量在95%以上，以索氏體、細片狀珠光體為主，最大片間距在放大500倍的情況下≤2mm。

3）磷共晶：數量＜2%，小塊狀分散分布。4）游離碳化物：含量≤1%。

3.4 機加工反變形措施

為探索床身導軌面上凸量抵削淬火變形量的數據，積累超音頻感應淬火工藝參數，提高工件淬火成功率，從而修定對機械加工的要求。

1）淬火前，根據長條類零件表面感應淬火下凹的變形規律，并通過對現場一件廢舊4m段試驗件床身導軌表面進行超音頻感應淬火試驗，此結構4m床身超音頻感應淬火下凹變形量為0.5～0.9mm，因此確定通過機加工上凸來抵消部分淬火變形，機加工上凸量為0.3mm±0.1mm；床身的上導軌面留量0.5～0.6mm，側、下導軌面留量0.3～0.4mm，便于在后續機加工中消除淬火變形。

2）床身導軌面淬火前加工至表面粗糙度值Ra≤3.2μm，防止在淬火時開裂。

3）相關倒角為3mm×45°，倒角處圓角過渡，避免了由于淬火加熱時尖角部位溫度過高，減小了尖角冷卻時容易開裂的傾向。

4 超音頻感應熱處理工藝參數的試驗及確定

4.1 預檢

現場試驗跟蹤的鑄鐵床身材質控制wC≥2.0%、wCr≤0.25%；檢查零件各部尺寸是否符合圖樣及工藝要求的淬火留量；表面有無裂紋、砂眼、疏松及磕碰劃傷等缺陷。按對機加工要求逐項進行檢查。

4.2 超音頻感應淬火的試驗與實施

采用平面及直角仿形感應器，將U形導磁體鑲嵌在仿形感應器上，鑲嵌尺寸以淬火面尺寸為準，在相同規格及相同成分、組織的淬火試塊上反復做淬火加熱試驗，不斷調整各參數直至滿足淬火要求。確定工藝參數后，將試塊送至理化室對硬度、淬硬層深及淬火組織等進行檢驗，按技術要求評定合格后，采用確定工藝參數在床身上實施淬火[2]。

將床身找正、調平后開始參考試塊試驗工藝參數對床身進行超音頻感應淬火，淬火溫度為900～930℃，感應器移動速度為300～360mm/min，感應器與導軌面間隙為2～3mm，導軌兩端10～20mm不淬火，加熱后3～5s開始行走淬火，淬火冷卻介質為4%～6%的水溶性淬火液，淬火冷卻介質溫度為28℃±2℃；頻率為38～43kHz。試驗件及各長度床身淬火、回火數據見表1。

表1 試驗件及4m、5m、6m段床身超音頻感應淬火和回火試驗數據

通過對試驗件和實際工件的超音頻感應淬火，床身導軌越長，超音頻感應淬火后的變形越大，5m、6m床身經磨削后無法保證有效的淬硬層深度，就需要對淬火前的上凸反變形量進行調整。經調整后得出的數據見表2。

表2 調整上凸反變形量后4m、5m、6m段床身超音頻淬火變形量

4.3 回火

采用罩式爐整體回火，回火溫度220℃，保溫11h。

4.4 檢驗

經改進后，淬火面硬度為43～49HRC，表面無裂紋，有效淬硬層深為1.3～1.5mm，淬火組織為均勻針狀淬火馬氏體。

5 結束語

床身導軌面超音頻感應淬火前后機加工均采用磨削工序，并且在淬火前預先機加工出上凸反變形曲線，減少了機加工應力及熱應力導致的變形，同時減輕了淬火開裂傾向。

為保證有效淬硬層深度，淬火、回火后精磨上導軌面時，見光最小去除量的最大值為0.5mm，側導軌面及下導軌面見光最小去除量的最大值為0.3mm，修改超音頻感應淬火前機加工反變形量，其中4m段床身上導軌面預設上凸量0.7mm±0.1mm，5m段床身上導軌預設上凸量0.9mm±0.1mm，6m段床身預設上凸量1.2mm±0.1mm。此文總結的臥車床身導軌超音頻感應淬火工藝參數及加工反變形要求，值得業界同行推廣使用。