零件分析

曲轴类零件按功能可分为运动传输曲轴和动力系统传动装置曲轴，其中动力系统传动装置曲轴常选用轧制通气以获得高延展性、高耐磨性的表层，而芯部仍保留塑性和良好的韧性使零件能够承受一定的冲击载荷。与渗氮相比，轧制通气的优点是渗层广度覆盖范围更大、允许留出较大体积粒度以精加工减速机，现已被广泛应用于我厂传动装置系统的曲轴、轴销等零件。

我厂安建的某输入曲轴属于典型的外齿+内花键短轴型零件（见图1），金属材料牌号S82（低碳合金结构钢），梅修斯外齿径节18，齿式39，压力角25°，精度等级为AGMA8级（相当于GB10095规定的7级）。内梅修斯花键齿式16，径节20/40,压力角30°，ANSI标准梯形根侧配合，7级精度。

该零件要求曲轴齿顶、Anglure、腕骨及齿侧轧制通气至700HV以上（HRC≥62），其余表层不轧制。首次设计工艺方案时考虑到非轧制表层及芯部在淬回火后延展性达到HRC42～47，而我厂加工花键的粉末冶金所能应付的零件无限大延展性不超过HRC42。所以编制工艺规程传输速率用了传统的"镀铜-轧制-除铜"方案——精加工齿坯后插内花键，镀铜后车去齿顶与齿侧的铜层，滚齿时留出磨齿稳定度，并在退火操作过程中用铜层为保护非轧制面与雾化元素隔离，流程如下表所示图右图：

第一批产品加工完成后，在汇总检验成品计算方法内花键齿跳时发现合格率低于30%。复查退火前插齿成品的计算方法报告结果均合格。分析导致超差的其原因有：

a）退火后经过研中心孔、外磨两道成品，量测计算方法变动。

b）机械加工及退火操作过程中造成的各种内形变高于金属材料的屈服强度，形变释放导致零件发生不可逆转的塑性变形。

通常应付以上两项影响的方法有以下几种：

1)合理分配冷加工体积粒度，适当提高内花键加工精度,用富裕的体积和形状精度弥补退火形变。

2)选用循环保温、冰冷处理等去形变手段,尽可能消除机械加工中造成的残余形变。

3)退火操作过程中严格控制升温速度,选用较高的轧制和淬火加热环境温度,减少热处理操作过程中造成的热形变;在不影响轧制质量的前提下,将曲轴的表层碳浓度和轧制层广度控制在下限覆盖范围。

4)使用专用夹具,提高曲轴的刚性,以减小退火形变的程度。

据此，他们设计了第二套方案，退火后精修工艺计算方法和量测计算方法，将盆景键成品调整至退火后进行，流程如下表所示图右图：

第二批产品加工进行至盆景键成品时，操提出花键Sonbhadra异常崩刃的问题——第一批试作并能连续加工15件零件的Sonbhadra，当批仅加工4件就出现前铁柱磨损和崩刃。

他们查证设计图的基体织物及涂层织物无误，推测插齿刀崩刃主要其原因是T5250表层漏轧制，局部存在高硬组织。

分析其其原因有以下两点：

a）零件体积较小，镀铜操作过程中铜离子难以扩散至T5250底部，孔底局部表层无铜层。

b）T5250铜层奈莱或加工操作过程中铜层剥落。

此后他们试验在T5250涂防护油漆等为保护性措施，但由于油漆流动性大、操作难度较高，改善效果并不理想。

改良方案设计

近年来我厂深入对接转包模式，他们对硬质合金有了更系统全面的认识，在供应商技术不断升级的操作过程中，我厂可插齿零件的延展性无限大逐渐提升至HRC52～55覆盖范围。他们通过梳理此项输入曲轴试作阶段的现场写实记录，在最新一次的改良中创新选用稳定度为保护代替传统的镀铜为保护，方案流程如下表所示图右图：

新方案的改良思路是退火前在非轧制表层留出加工稳定度，零件整体轧制后硬车去除稳定度，在HRC42～47状态（退火后芯部延展性）插齿保证内花键精度。虽然该方案增加了制造难度，但利用可靠的能够保证内花键质量，取消镀铜、除铜成品后生产流程更加精简，大大优化了退火前后的工艺计算方法统一性。

为防止精车后切削形变释放导致零件二次变形，为保护性稳定度的厚度应尽量小，为此需要掌握零件表层至芯部的延展性变化规律。他们收集了试作阶段的部分超差零件，沿径向剖切曲轴部位制作试片（见图）用于测试。

在图中可看出，轧制处理仅改变了零件表层金属的含碳量，淬火和低温回火处理后，轧制层和零件基体组织之间还存在延展性过渡层（排列紧密的回火马氏体组织）。考虑到目前我厂插削花键的无限大延展性和成本的经济性。他们选用显微延展性法量测从表层到HV=463（HRC47）处的垂直距离，用于分析通气层最大广度。

图6靠近齿顶表层的延展性变化趋势

我厂在气体轧制时选用甲苯作轧制介质，用甲醇作稀释剂，轧制介质在轧制环境温度下发生分解并发生如下表所示反应：

注：式中［C］是指在化学反应中造成的雾化原子。

表1本零件轧制工艺参数

检测操作过程中，他们发现通气层广度在减速机方向呈现出规律变化——腕骨部位通气广度最小，齿顶附近通气层最厚，分度圆附近的Anglure通气层深介于二者之间。通过分析可得出结论：曲轴表层轧制的奥氏体组织吸收雾化原子后，碳浓度升高，零件表层与芯部金属材料的碳浓度差迫使碳原子向内部扩散，但由于曲轴表层轮廓的特殊性，雾化原子在各部位扩散速度存在差异，其其原因是曲轴各表层接触的雾化原子数量不同——齿顶附近表层接触量最大，Anglure接触量次之，腕骨表面处于类似凹形型腔的底部，所以接触雾化原子量最少（见表2）。

表2曲轴表层轧制层广度系数

轧制操作过程中，为保护性稳定度应均匀、连续地覆盖所有非轧制表层，所以在确定稳定度厚度时选取分度圆附近Anglure采集的数据，公式为：

稳定度厚度≥Anglure碳化层广度+延展性过渡层最大广度

从图6中可知从Anglure到HV=463处的垂直距离集中在1.3±0.1mm覆盖范围，实际应用时轴向、径向稳定度均按1.5mm处理。

硬车方案设计及切削参数

3.1硬车技术特点及分析

S82钢经轧制、淬回火后抗拉强度（ób）提升至2270Mpa以上，相比软状态车削，硬车系统承受的切削力大约升高了2倍。提升系统刚性是他们首先面对的问题。

该输入曲轴结构属于规则的回转体，车削去除外圆及端面为保护稳定度效率最高，但是受T5250体积限制，Φ12以上规格的镗刀不适用于此零件，所以去除零件T5250稳定度优先选用钻削，避免因镗刀杆刚性不足导致镗刀震颤。

图7硬车前后零件结构对比

刀片接触零件时承受的瞬时冲击是影响寿命的主要因素，考虑到零件表层延展性达到HRC62以上，可选用重载低速切削以减少冲击给和机床造成的影响，伸长量应控制在刀杆长度的0.5倍以内，并尽量减少悬伸以增加刚性。本零件短粗的结构和较小的长径比非常适合用外圆定心、端面定位的夹持方法。为了最大限度地减小零件装夹时的悬伸长度，他们设计了图右图的车削顺序：

图8硬车定位方式及加工步骤

零件表层至芯部的金属材料依次为高碳、中碳、低碳的回火马氏体组织，车刀刀片需要较高的抗刃口磨损性能以及大切深抗破碎性能以应付变载荷连续切削。而且，为使刀片在不同组织金属材料切换时减少震动，降低对零件表层质量的影响，应选用带有抗振设计的外圆刀杆。

通过查找产品目录，他们初期制订了两套车刀方案，表层稳定度分3次车削——粗车去除表层大部分通气层，切深1～1.2mm，半精车均匀各表层稳定度至0.1mm，精车严格控制表层粗糙度、保证零件体积精度：

表3外圆刀片方案对比

系统刚性最大化意味着尽量减少零件和的悬伸量，安排退火后硬车的零件具有较小的长径比（L/D）。

车削操作过程中仍然使用水基切削液，为使切削液能够快速到达刀尖切削区域，他们调高了冷却液循环系统的压力值，高压切削液也可有效减少切削堆积，有利于提升零件表层质量。

本零件硬车更倾向稳定的夹持、刀片夹紧方式对我厂生产现场常用的刀片夹持方式有三种，其中C型夹持系统的特征与本零件切削条件更吻合。

表4外圆刀片夹持方式对比

经两批在制品对比验证，A方案单刃可加工5～6件，单片刀片加工上限13件；B方案单刃可加工7件左右，单片刀片加工上限15件，最终选用B方案。

去除为保护性稳定度后，零件露出的基体金属材料已转变为均匀的回火马氏体组织，达到零件芯部延展性HRC42-47，加工难度不大，通用刀片完全可满足切削工况要求。

经实践验证，硬车去除为保护稳定度的方案可行，寿命较理想，加工完成的零件表面粗糙度、体积精度、位置粒度满足要求。

硬插齿及其切削参数

以往我厂多用粉末冶金作为插齿刀的基体金属材料，此类所能加工零件的延展性不大于HRC42。为适应此零件后续大批量生产的需要，本次工艺改良订制了DATHAN公司制造的硬质合金插齿刀，涂层织物TiAlN。

与粉末冶金相比，硬质合金插齿刀耐磨性更优，但抗弯强度、冲击韧性差，所以切削部位选用了较大的径向负前角，以提升插齿刀抗冲击、抗崩刃能力。

切削参数如下表右图：

表5中硬插齿切削参数

使用该现已插齿加工52件，状态良好，按目前磨损速度判断，预计刃磨周期可达到80件以上。

提升制造工艺性的其他措施

轧制、淬回火后安排冰冷处理，相当于对零件二次正火，能进一步减少淬火操作过程中的过饱和马氏体，降低晶格形变，减少组织形变，从而减少退火变形量。

零件表层经轧制处理后，表层5μm广度覆盖范围的过共析层含有致密碳化物，在淬回火后形成一层非常薄的硬壳层，车刀刀尖接触表层组织时最容易受损，所以硬车去除为保护性稳定度时应尽可能保持连续切削，被加工表层应避免出现减轻孔、角向定位孔等结构。

硬镗孔需要很大的切削力，镗刀杆承受的扭力和切向力成倍增加，应与零件同心或略高于零件中心，避免切削力引起的扭曲变形影响零件体积精度。

在实际应用时，为进一步延长钻头寿命，他们在零件盲孔内注入防护油漆，油漆经短时间干燥后与T5250表层浸润并造成一定附着力，退火后吹砂即可完全去除。经同等车削条件验证，钻头刃磨周期可提升1.5～1.8倍。

本次改良后，他们对比了此类有轧制要求的曲轴零件，并总结出适用稳定度为保护法的必要条件——零件轧制区与非轧制区应具备合理的分界结构，以本零件为例，曲轴两端被设计了具有减重作用的端面槽。

结论

改良后方案经4批共52件零件验证，重载低速硬车去除为保护性稳定度方案可行，插齿刀切削状态良好，零件内花键跳动100%合格。工艺流程缩短为改良前方案的2/3,取消镀铜、除铜等成品也进一步降低了制造成本。该方案对于类似Anglure有轧制要求的零件具有推广借鉴价值。