花鍵變形與控制

文／郝以領，張延森，于明星·一拖(洛陽)鑄鍛有限公司

張浩·寧夏長慶石油機械制造有限責任公司

在生產實踐中發現，不同的鍛造方式，不同的熱處理工藝，感應淬火后對花鍵的尺寸產生不同的變化。在新產品調試過程中出現的問題，本文主要介紹兩種帶漸開線花鍵的驅動輪軸，在感應淬火前、后出現的尺寸變化及解決方法。

鍛造加工是依靠沖擊或擠壓的方式，將材料在不同的模具內，以塑性變形方式改變其形狀但不改變其質量及材料成分的情況下，得到所要求的形狀、尺寸及機械性質的零件。鍛造加工可控制金屬的流動及晶粒的結構，使得鍛造的零件具有良好的機械強度及韌性，需要承受高負載及高使用頻率的機械零件，通常采用的鍛造方式有鐓粗類和拔長類。對帶盤的驅動輪軸，多采用大盤鐓粗成形工藝；對不帶盤的驅動輪軸，多采用桿部拔長成形工藝。中碳鋼料進行鍛造加工以后，必須實施淬火處理，以提高其表面硬度。本研究針對不同成形工藝的鍛造毛坯，采用不同的熱處理工藝條件實施淬火處理，分別觀察顯微組織、測試硬度，探索不同鍛造方式及不同熱處理工藝后零件尺寸的變化規律，并進行相應控制的方法，以保證產品尺寸符合圖紙要求，供碳鋼鍛件淬火和機加工時參考。

探索方向

圖1 是一種帶盤的驅動輪軸產品，主要應用于工程機械，如平地機、裝載機行走輪的驅動軸。淬火部位及層深、硬度要求：小端花鍵部位硬化層7 ～12mm(檢測部位離端面5.5mm 處)，表面硬度要求52 ～57HRC。加工精度要求：外花鍵跨棒距M值為71.93mm。感應淬火區域超過530mm。根據產品圖的要求，設計了淬火工藝，通過編程可自動實現整個淬火過程，從裝卡位置的上端開始淬火，采用掃描淬火、變速移動、選點停頓等手段，優化淬火過程，產品在試制過程中，發現花鍵尺寸的變形是最不易控制的。經過多次工藝優化，最終找到合適的淬火參數，減少了花鍵變形，彌補了線尺寸變化，保證了產品質量。

圖1 產品裝卡位置及淬火位置圖

工藝方案

方案一

按工藝方案一做了5 件產品，銑花鍵后M 值要求71.93mm。實測71.92 ～71.88mm，熱處理后實測發現跨棒距發生了較大變化，開始點花鍵M值在71.96 ～71.92mm，花鍵通規通，結束點花鍵M 值在71.87 ～71.85mm，花鍵止規止不住。花鍵硬化層形狀見圖2。

圖2 花鍵硬化層形狀

方案二

圖3 淬火后的花鍵

方案三

根據花鍵熱處理后尺寸變化規律和產品圖硬化層位置要求，淬硬層從端面12.5mm 位置開始檢測，所以，端面部位不淬火是符合圖紙要求的。再次對該批樣軸進行調試，主要是調整淬火開始點位置(微量上移)。同樣做標識，測量淬火前后的M 值，這樣處理的花鍵，硬化層形狀檢測如圖4 所示。開始點的部位花鍵脹0.01 ～0.03mm，結束點的部位花鍵縮0.01 ～0.03mm。花鍵熱處理前的M 值只要在71.88 ～ 71.90mm 之間，熱處理后就是合格的。

圖4 硬化層形狀

按照工藝方案三，產品感應淬火后，要用花鍵綜合檢規100%檢測花鍵開始點變形量。為降低超差風險，先做4 件，主要是摸索不同加熱始點位置對花鍵熱處理后M 值的影響規律。測量結果如表1 所示，發現花鍵改變淬火始點后尺寸變化量是0.010～0.030mm，而不是從端面開始淬火的0.040～0.080mm。

表1 改變淬火始點后花鍵M 值

說明選擇合適的加熱開始點，也可以影響M 值的變化量，從而找到工藝優化點。按照這個思路，增加了取樣數量，試驗了20 件，做了分組標記，淬火后工件在臺車回火爐中進行150℃回火，到溫保溫3h。降溫出爐時發現，距端面6mm 處開始加熱的樣件有3 件出現端面環形裂紋。檢測花鍵變形全部合格，檢測有裂紋的工件主要是端面過燒造成的。8mm 開始位置和10mm 開始位置的無裂紋出現。這說明，加熱開始點過長，M 值變大過多；加熱開始點過短，M值變大較小，但有淬裂風險。選9mm 作為優化后的加熱開始點是比較合適的，但又發現了線尺寸有較大的變化。經測量對比，變化規律見表2。

表2 線尺寸變化規律

優化后工藝及線尺寸控制

工藝優化后處理的花鍵變形控制在很小范圍內，裂紋風險消除，經線尺寸的進一步摸索，基本都在變長0.4mm 左右，掌握了變化規律，問題就好解決了。具體優化措施如下。

⑴精車工序。設備采用數控車，工藝采用雙頂尖定位，為了消除因中心孔深度誤差引起的線尺寸變化，機床配置了馬波斯量儀來提高定位精度。對已變長的零件增加精車端面工序，來保證線尺寸和安裝距在圖紙要求的公差內。對后續零件的處理方式是在零件熱處理前的精車序，將該線尺寸提前減小0.4mm，加工到507.6mm，熱處理后尺寸自動回歸到50mm，保證了線尺寸的合規。

⑵熱處理工序。優化了過程參數，由于淬火機床是PLC 控制，調整參數簡單便捷，調整了掃描加熱速度，降低加熱開始點的掃描速度，提高花鍵終止點的掃描速度，這樣由于端面溫度高，塑性好，加熱時尺寸膨脹可以向端面移動，組織應力可以沿軸向釋放，冷卻時組織轉變的應力也可以減少，從而降低了M值的變化范圍，檢測脹量在0.010 ～0.015mm。壓縮了跨棒距的變動范圍，M 值更趨穩定。

⑶銑花鍵工序。采用數控花鍵銑床，機床數控系統采用FANUC 0i—MD 六軸控制數控系統，可靠性高，保護功能完善，配置了單向對刀裝置。對花鍵一端脹一端縮的零件，可以實現熱處理后修復。對個別花鍵一端脹一端縮的變量較大的零件，也可以采用熱處理前插補銑，將花鍵加工成帶錐度的，使熱處理后M 值正好回歸到公差范圍內，強大的自動控制手段，為產品質量保證提供了堅強的支撐。

不帶盤的花鍵軸的研究

圖5 是一種不帶盤的花鍵軸，是拖拉機用驅動軸，淬火后發現花鍵及線尺寸的變化又有所不同，經過20 件的精加工、淬火、回火、測量，發現熱處理后的M 值是變大的，基本在0.01 ～0.03mm 間；而線尺寸是變小的，基本在0.15 ～0.2mm。和帶盤的驅動輪軸變化相反，應該與鍛造成形方式不同有關。帶盤驅動輪軸的成形屬于鐓粗類成形，在鍛造過程中，驅動輪軸的桿部是不發生形變的，它的成形主要是棒料聚集然后鐓粗成形大盤；而不帶盤的驅動輪軸，其成形工藝屬于拔長類成形，在鍛造過程中，桿部要經過拔長，發生形變。熱處理后取樣分析時通過觀察金相組織發現，兩種不同的成形方式在花鍵部位有很大差別。所以，可以采用對應的方法去控制M 值，其控制方法類同帶盤驅動輪軸，不再贅述。當然，在開發過程中也出現了如圖6 的淬裂現象，不在本文研究范圍，有興趣的同行，可以單獨聯系探討。

圖5 不帶盤的花鍵軸

圖6 特殊淬裂現象

結束語

通過多次試驗，找出變形規律，分析變形原因，采取相應措施，控制或彌補變形量，滿足了新產品開發節點，保證了批量生產的穩定性，降低了公司損失，希望對同行兄弟單位有所幫助或借鑒。