降低二轴校直裂纹率

作者:神龙汽车有限公司 胡齐兵 王远华 文章来源:AI《汽车制造业》 发布时间:2016-11-10
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轴类零件在热处理后的校直过程中,因受压力作用存在产生校直裂纹的风险。本文通过对QASS系统裂纹能量图谱的研判、零件裂纹部位结果的分布与分析以及不同材料零件校直裂纹数据库的对比分析,分别采取对设备进行定期检查和保养,优化零件过渡圆角、校直顺序与压点位置,以及降低零件的碳含量等应对措施,从而达到降低零件裂纹率的目的。

校直裂纹现状

随着汽车行业的高速发展,市场竞争也日趋激烈,保证产品质量、降低生产成本一直是汽车行业努力的方向。对于变速器来说,轴类零件在热处理过程中容易产生弯曲变形,为保证热后加工和产品质量,这类零件在热后通常需要校直。在校直过程中,受压后变弯零件会受到不同程度的拉应力,而当拉应力超过该截面的抗拉强度时,零件会产生裂纹甚至断裂。轴类零件热处理后的校直裂纹一直是各大变速器生产企业亟待解决的问题,它不仅影响企业的生产成本,还影响生产效率。

如何有效地解决轴类零件在热处理后的校直裂纹率高的问题?由于校直工艺是一直被广泛应用的老工艺,原有技术都是设备供应商提供的,供应商只对通用的技术进行了研究与验证,没有针对我们的产品特性进行研究与验证。造成在生产初期校直裂纹率比较低,但产品和工艺发生变化和更改后,原有技术设计的方案不能满足要求。

神龙汽车的校直裂纹率也出现过类似情况,2013年前的水平裂纹率控制为1%~2%。从2013年10月开始,MA二轴裂纹率不断上升,在第四季度裂纹率达到3.71%,每月废品损失高达10万元以上。工艺、维修和车间分析了原因,采取了10余项措施,没能成功改善裂纹率。

校直的工艺原理及过程

轴类零件热处理后校直是大家普遍采用的工艺,校直分为两个步骤:重复检测;校直,直到获得工件所需要的公差。

1.检测

当检查一个圆形工件的弯曲度时,需要旋转工件至少一周,通过传感放大器检测与两个基准传感器之间的差值。图1中测量传感器在位置1,基准传感器Ro和Rt,实际测量值(M)是两倍的弦高(X)。在任何测量情况下,数控系统将自动描绘出Ro~Rt轴线间的理论电子基准,并检测出弯曲的弦高X。

这里需要特别说明的是校直的圆形工件达不到绝对的圆形,这是因为工件具有形状误差“F”。用手动量具测量工件时,由于跳动与所存在的形状误差混在一起,所以测量值(M)不能代表纯跳动误差。如图2所示,椭圆形工件其轴线为a和b,即使工件完全校直,其跳动测量值X仍为X=(a-b)/2,采用弯曲工作原理的校直机只能消除轴的弯曲误差,不能消除工件的形状误差。当形状误差远远大于弯曲误差时,在校直时非常重要的一点是必须将二者区别开。

2.校直

在弯曲校直中,系统检测工件然后将工件弯曲最大的点向上,并定位于压头之下。压头只加力于工件的两个支撑点之间,并且每个冲程增加行程,直到获得所需要的公差。

对于多点校直就需要对校直顺序进行定义。合理的校直顺序可以缩短校直时间和校直的次数。在此以一个校直5点的工件为例,一般5点校直的工件至少需要定义5个点。基于图3检查的结果,机床将移动工件或压头到第一个超差点,并且对该点进行校直,按照上述情况最简单的方法是按1—2—3—4—5的顺序进行校直。但实际经验告诉我们这样做并不合逻辑,由于对于整个工件弯曲影响最大的是工件的中点偏心,所以最好的校直顺序应该为1—2—5—4—3。当然对于一些特殊几何形状的工件,校直顺序还需具体分析。

3. MA二轴的校直工艺

MA二轴热后校直后的要求是5号点工艺要求0.05 mm不校直,其他3点要求0.04 mm(见图4)。根据工艺要求我们定义的MA二轴的校直生产工艺是1、2和3为校直时的压点部位;4、5和6为校直时的支撑部位;7、8、9和10为校直时的测量部位。校直工艺如图5所示。

应对措施

1. QASS系统裂纹能量图谱的研判

(1)QASS系统裂纹声波分析

在生产中判断零件是否有裂纹是靠设备上安装的QASS裂纹探测系统。德国QASS公司的裂纹探测系统能够对任何一次校直过程进行实时探测,工件产生哪怕是非常细微的裂纹,探测仪都能发现,并给予报警,提示操作者将该件隔离报废处理。该裂纹探测装置的原理是:裂纹产生瞬间有一个能量的释放,而能量在金属材质中的传播速度非常快,能量通过工件传递到安装在合适位置的裂纹探测传感探头上,再通过该探测装置的过滤分析系统及信号处理系统进行分析和判断,探测到的信号振幅和能量值如图6所示。对于能量值系统将进行一次能量评估(该能量值为进行信号放大处理过后的概念值),如果该能量超过裂纹报警临界值,则系统自动给出裂纹报警。值得提醒的是,该报警仪只能探测出动态校直过程中产生的裂纹,不能用该仪器对校直后的工件是否存在裂纹进行探测。

裂纹探测系统探测到的能量值是一个探测周期内的累计值(按系统定义的规则进行累计),在这个周期内会有一些其他因素影响这个结果。所以我们要对声波图形进行分析和识别,消除裂纹探测系统的误报警,降低零件校直裂纹率。

(2)QASS系统异常声波图形的干预措施

①裂纹探测系统受到电磁干扰如图7所示,如果出现这种图形我们就需要检查裂纹探测系统的各个线路的连接是否紧固,以及在线路经过的部位是否有较大功率的电路靠近或交叉。

②裂纹探测系统接收到异常声波如图8所示,如果出现这种图形我们需要检查设备的机械系统,如压头、支撑等与零件接触的部位是否磨损,设备各运动机构是否润滑良好,零 件和设备滑动表面是否清洁等。

2.校直工艺优化

(1)零件裂纹部位结果的分布与分析

①零件裂纹部位统计在校直过程中,受压后变弯的工件会受到不同程度的拉应力,而当拉应力超过该截面的抗拉强度时,零件会产生裂纹甚至断裂。当零件裂纹出现在同一部位时(见图9),就需要调整压点位置或改善零件的工艺结构,减少裂纹附近的应力集中点。

②裂纹出现在同一处的措施根据裂纹点的受力分析,远离裂纹部位可以降低裂纹率。将2号、3号压点右移10 mm,同批次零件裂纹率从4%降到2%。

2号、3号压点裂纹报警零件裂纹部位检测结果如表1、表2所示,裂纹部位如图9所示。

对于5号部位过渡圆角处的裂纹,神龙汽车采用增大过渡圆角来增加零件在该部位的强度(如图10所示,圆角由Ra1.2增加到Ra1.6),防止零件在该部位产生应力集中而在校直中产生裂纹。

(2)校直点选择工艺过程

①自动校直机包含多套校直逻辑,通常情况下厂家推荐使用“最大变形量优先”模式,该模式具有校直节拍快的优点,但是对于结构复杂、长度较长且截面变化多的特殊零件却容易压反,导致校直机反复在径跳最高点(最大变形量)和邻近点重复校直,极易引发校直裂纹。

②MA二轴校直点选择措施加工的MA二轴采用特殊校直,压点工作顺序是2—1—3。在校直过程中发现临近压点重复校直,经过优化MA二轴校直顺序为1—2—3,校直裂纹率下降。

3.零件材料对裂纹率的影响

(1)零件材料对裂纹率的分析

对热处理变形来说,原材料的淬透性带宽越窄,变形一致性越好,芯部硬度越高,产生畸变越大,而零件的芯部硬度主要跟材料的淬透性有关。校直裂纹的产生跟变形的一致性和轴径芯部硬度有很大的关系。经过多年工作积累,我们发现裂纹报警率与轴径芯部硬度有一定的对应关系(见表4和表5)。因此轴类零件的芯部硬度应该控制为440~470较好。

(2)降低零件碳含量

在产品要求不变情况下将MA二轴材料更改为27CD4。

效果验证

进行上述试验后,根据试验数据的分析结果,神龙汽车重新完善了对设备的维护保养,杜绝了QASS系统的假报警;同时制定了校直裂纹高的处理流程,由专业的技术人员比对QASS的记录图谱,并指导现场调整、保养校直设备;对校直机的校直逻辑进行了优化,调整了压点位置,降低了校直裂纹的风险;同时优化了零件毛坯材料控制零件渗碳淬火后的芯部硬度和初始变形量;通过以上措施的实行,神龙汽车MA二轴校直裂纹率从3.5%下降到0.20%,年节约成本约105万元。

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