工装夹具设计中材料及热处理问题的处理

2013-12-31李晔维

机械工程师 2013年4期

关键词：渗碳淬火工装

李晔维

（哈尔滨量具刃具集团有限责任公司，哈尔滨150040）

1 引言

在工装夹具的设计和制造、使用和修理中，常常会遇到因材料及热处理选择不当而发生的问题，影响到产品的质量。在处理这些问题时，往往不能单从材料及热处理范围内进行改进，还需要对工装夹具结构进行更改。

2 解决方案

（1）用V 型块作为定位件对圆形工件进行定位时，如果需用加大的夹紧力进行径向夹紧，采用45 钢或20Cr进行渗碳淬火，则由于定位表面与工件为线接触，单位面积上的压力较大，并且材料表面硬、内部软，容易产生凹坑，从而降低了V 型块的使用寿命。

处理方法：V 型块的材料可采用碳素工具钢（T8A、T10A）或合金工具钢（CrWMn、CrMn），淬火硬度为58～63HRC，这样就可以提高V 型块的使用寿命。

（2）对于那些形状特殊或厚薄相差很悬殊的零件，因热处理时冷却速度不均匀，容易产生裂纹。如图1 所示的零件，若用碳素工具钢制造（设计时应尽量避免），在淬火时很容易产生裂纹，甚至整圈断裂。处理方法一般有下列几种：（a）改尖角为圆角，避免淬火时产生应力集中，并且适当增加厚度；（b）降低零件的硬度要求，采用先热处理、后机械加工的办法制造；（c）选用淬透性好，用较缓慢冷却也能淬硬的合金钢（如CrMn、CrWMn）来制造；（d）对容易产生裂纹的部位及其附近不进行淬硬处理。

图1 极易产生淬火裂纹的零件

图2 大型V 形块的相对其结构的影响

（3）厚度不均而且带有直角面的大型定位件（如图2（a）所示的大型V 型块），如用碳素工具钢（T8A 等）或合金工具钢（CrMn 等）制造，淬火时也容易产生裂纹，如图中断裂线所示处。其处理方法一般有下列几种：（a）将直角转接处改成圆角过渡，如图2（b）所示；（b）改用组合式结构，如图2（c）所示，在定位面上镶以高硬度的垫片，这样V 型块的主体则可以不采用高硬度材料。此处垫片用螺钉和销子进行固定，但采用这种结构会影响V 型槽面的平整性，对清理定位表面会带来一定的麻烦；（c）如果V 型槽所受的夹紧力不大，则可以采用渗碳钢（35 钢或20Cr），这样也可以减少淬火开裂的可能性。

（4）对于需要配钻的销子孔零件，若不考虑其配钻的方向和材料硬度的关系，就会发生不能配钻的问题。

如图3 所示两个需要配钻的零件，其配钻方向为从上往下，在选择材料硬度时应注意下部底板配钻部位的硬度不能高，否则将不能进行配钻。如果底板的其它部位需要高硬度，可以采用渗碳钢进行局部渗碳来满足这一要求。

图3 配钻零件材料硬度的选择

图4 压套部件材料硬度的选择

（5）对于需要压套的部件，如不考虑其材料的硬度对保证位置精度及压套方便性的影响，则不能满足制造要求和使用要求。

如图4 所示的压套部件，衬套内孔需要有较高的硬度。当它的位置尺寸L 的公差δ 要求较严时，由于主体安装孔需要在热处理后进行加工，因此这一部位的硬度不能高，否则将难以用坐标镗床进行加工。如果主体的其它部位需要有较高的硬度要求，则可用渗碳钢来制造，并进行局部渗碳来满足使用的要求。但在某些情况下，如果主体需要采用全部为高硬度的材料，则衬套外圆应保持低硬度，以避免“硬碰硬”的压套方式；此时，衬套可采用渗碳钢，其内孔进行局部渗碳以达到高硬度，而其外圆不渗碳以保持低硬度。

（6）对于大型平板型底座，如图5（a）所示，当上下平面的平面度及相互之间的平行度要求较高，需要用刮削加工来保证时，如果采用钢料（如45 钢），则使刮削困难，而且容易自然变形，不容易保证精度要求。

处理方法为：大型平板底座以采用铸件（如HT21-40）较好，因此其结构形状也应作相应更改，如图5（b）所示。此处应注意，铸件刚性的好坏，主要取决于合理的截面形式，即合理布置加强筋，而不宜单纯增加其壁厚。关于铸件的壁厚，对工装夹具来说，通常取12～16mm 即可。

图5 大型平板形底座的材料选择及其相应的结构

（7）尺寸较大而硬度和精度要求较高的零件，如图6（a）所示两孔很近但壁厚很不均匀的整体式钻模板，即使采用热处理变形较小的合金工具钢（CrMn 或CrWMn），先进行精加工再进行热处理，也容易产生较大的变形，破坏热处理前精加工所获得的精度，保证不了钻模板的精度要求，而且用料也不经济。但若采用硬度不高的材料（如45钢）在热处理后进行精加工，则在使用时又容易磨损。

处理方法为：对于这种钻模板可采用硬度不高的材料，镶上两个磨削扁的钻套，如图6（b）所示。因为磨削扁的钻套的内外圆及扁平面，都可以在热处理后再进行精加工，这样就可以保证尺寸精度的要求。

（8）对于使用时容易磨损的渗碳表面，在返修时往往会将渗碳层磨掉，而且渗碳表面越往里硬度越低，这样就会影响工装夹具的使用寿命。

处理方法为：对磨损严重的、经常需要返修的表面，最好采用组合式结构，在容易磨损处镶高硬度的碳素工具钢或合金工具钢制成的零件。

（9）大面积的渗碳表面，因淬火后变形较大，制造过程中磨去变形量后，两端渗碳层也就被磨去，影响使用性能。此时可采用下列几种方法来解决：（a）减少渗碳表面的面积，改为断续表面，这样可以减少变形量，并可减少所磨去的渗碳层。（b）主体零件不采用渗碳材料，而在上面镶上用高硬度的碳素工具钢或合金工具钢制造的零件，改成组合式结构。

（10）采用铸铝作为工装夹具主体时，对于与它进行过盈配合的零件（如定位销、定位轴等），当受到交变载荷或较大的切削力时，由于铸铝的组织比较疏松，容易发生松动。

处理方法为：把工装夹具的主体材料由铸铝改为铸铁或钢料，这样可增加过盈配合的牢固性。

（11）夹紧装置与工装夹具上其它零件相接触的摩擦表面，由于受力较大而没有设置耐磨垫进行保护，因此会因磨损快而影响工装夹具正常工作，并需要经常返修。

处理方法：在工装夹具受力较大而磨损较严重的部位，应设置耐磨垫进行保护。这里耐磨垫应采用硬度较高的材料来制造，如选用T8A 等材料，硬度为53～58HRC.