用于圆筒状钢铁薄壁零件的淬火芯模及淬火方法与流程

本发明涉及航空发动机零件加工技术领域，特别地，涉及一种用于圆筒状钢铁薄壁零件的淬火芯模。此外，本发明还涉及一种包括上述用于圆筒状钢铁薄壁零件的淬火芯模的圆筒状钢铁薄壁零件的淬火方法。

背景技术：

某薄壁零件为航空发动机常用零部件，材料为结构钢，最终热处理状态为渗碳淬火。该零件厚度为4mm左右，内孔经渗碳淬火后，尺寸要求平面度≤0.1mm，内孔椭圆度≤0.15mm。由于零件壁薄要求高，易受外界因素影响大，实际生产中经常出现整批零件淬火后椭圆度超差的情况，后续机加内孔变形磨不起来，导致整批零件报废。该零件年投产200件，尺寸合格率不到50％，废品损失约10万元。同时严重制约生产进度。而生产中类似零件每年生产上万件，成本损失巨大。目前渗碳淬火过程中普遍对薄壁零件的变形操作控制效果不是很明显，单纯通过改进工艺参数来控制变形对此类加工余量小的零件效果有限，寻求一种更加直接有效的措施是十分必要的。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于圆筒状钢铁薄壁零件的淬火芯模及淬火方法，以解决薄壁零件淬火后变形，导致零件报废的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种用于圆筒状钢铁薄壁零件的淬火芯模，包括模体，模体外圆面的径向尺寸设计为零件的内孔干前径向尺寸，以保证零件淬火加热时受热内孔扩张顺利放入模体并且淬火冷却后零件紧箍于模体外；模体的外圆面上开设有多个沿轴向开设且双向贯通用于淬火冷却油液流通、防止零件淬火冷却时收缩破裂和辅助零件脱模的轴向通槽，多个轴向通槽沿模体的周向等间距排布构成均匀的锯齿状外圆面；与零件的端面宽边相对应的轴向通槽的槽底上开设有轴向贯通并用于提高淬火冷却油液流量以冷却零件的端面宽边的宽边冷却槽。

进一步地，两个宽边冷却槽分别对应于零件的端面宽边两侧布设；和/或宽边冷却槽对应于零件的端面宽边中段布设。

进一步地，模体的外圆面和/或端面上覆盖有耐磨镀层以增加表面硬度和耐磨性，或者模体的外圆面和/或端面进行了渗碳处理以增加表面硬度和耐磨性，或者模体的外圆面和/或端面进行了渗氮处理以增加表面硬度和耐磨性。

进一步地，模体至少一侧端面与模体外圆面转角设置为用于方便放入零件、保证零件内孔完整性和避免零件内孔收缩出现多边形的平面倒角或弧形倒角。

进一步地，轴向通槽采用内外等宽的平行槽、内宽外窄的窄口槽或者内窄外宽的扩口槽。

进一步地，模体的端面上开设有上下贯通并用于模体装配时夹持着力和淬火冷却时淬火冷却油上下交换循环冷却的端面孔。

进一步地，端面孔布设于模体端面中心；和/或多个端面孔沿周向均布于模体端面中心周围，相邻端面孔彼此间隔布设。

进一步地，模体材料采用镀铬结合力好的结构钢，以在模体磨损时通过镀铬以进行修复，从而提高使用寿命。

根据本发明的另一方面，还提供了一种圆筒状钢铁薄壁零件的淬火方法，采用上述用于圆筒状钢铁薄壁零件的淬火芯模，包括以下步骤：a、零件干前尺寸测量；b、零件表面清洗；c、淬火保温；d、零件内孔套入淬火芯模并淬火；e、拆卸淬火芯模；f、零件内孔尺寸及椭圆度检测。

进一步地，步骤d具体为：零件套上淬火芯模，并使零件的端面宽边正对淬火芯模的宽边冷却槽，然后在压力淬火剂上淬火；步骤e具体为：卸载模具内孔径向尺寸大于零件内孔径向尺寸且小于零件筒外径，零件端面放置在卸载模具上并使淬火芯模正对卸载模具的内孔，通过对淬火芯模沿轴向施压迫使淬火芯模从零件内孔脱出，从而卸载零件。

本发明具有以下有益效果：

本发明用于圆筒状钢铁薄壁零件的淬火芯模，将淬火芯模的模体径向尺寸设计为零件的内孔干前径向尺寸，利用热胀冷缩原理，零件淬火加热升温后将淬火芯模放入模体内孔中，通过淬火芯模对零件由内而外的进行撑型，从而保证零件淬火后的内孔椭圆度。通过在淬火芯模周向均匀分布轴向通槽，为零件预留变形空间；减小淬火芯模与零件内壁面的接触面积以及切断连续接触面，以便于脱模；利用轴向通槽形成淬火冷却油的上下往复流动并充分与零件内壁面接触，以快速冷却零件，达到零件淬火的目的。通过在零件的端面宽边相应位置的模体轴向通槽内布设宽边冷却槽，以加大端面宽边位置的淬火冷却油流动量，从而减小端面宽边部位热量储能过大的问题并均衡零件各部位的温度差异，保证淬火后的零件尺寸在要求的范围内。在淬火冷却过程中使用淬火芯模控制和减小零件的内孔和平面度变形，使零件尺寸变形控制在合理范围内，满足后续机加要求、提高产品合格率、缩短生产周期、降低成本、保证生产顺利进行。零件淬火后使用卸载模具卸下芯模，通过淬火芯模与卸载模具的组合使用可以反复装卸，从而进行连续生产。该方法可以推广到更多类似零件的生产，产生的效益巨大。该方法简单有效，可控性及稳定性强，成本低，可长期使用，可广泛推广。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的用于圆筒状钢铁薄壁零件的淬火芯模的纵向剖面结构示意图；

图2是本发明优选实施例的用于圆筒状钢铁薄壁零件的淬火芯模的俯视结构示意图；

图3是本发明优选实施例的圆筒状钢铁薄壁零件的俯视结构示意图；

图4是本发明优选实施例的圆筒状钢铁薄壁零件的纵向剖面结构示意图。

图例说明：

1、模体；2、轴向通槽；3、宽边冷却槽；4、零件；401、端面宽边；5、端面孔；6、平面倒角或弧形倒角。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1是本发明优选实施例的用于圆筒状钢铁薄壁零件的淬火芯模的纵向剖面结构示意图；图2是本发明优选实施例的用于圆筒状钢铁薄壁零件的淬火芯模的俯视结构示意图；图3是本发明优选实施例的圆筒状钢铁薄壁零件的俯视结构示意图；图4是本发明优选实施例的圆筒状钢铁薄壁零件的纵向剖面结构示意图。

如图1所示，本实施例的用于圆筒状钢铁薄壁零件的淬火芯模，包括模体1，模体1外圆面的径向尺寸设计为零件4的内孔干前径向尺寸，以保证零件4淬火加热时受热内孔扩张顺利放入模体1并且淬火冷却后零件4紧箍于模体1外；模体1的外圆面上开设有多个沿轴向开设且双向贯通用于淬火冷却油液流通、防止零件4淬火冷却时收缩破裂和辅助零件4脱模的轴向通槽2，多个轴向通槽2沿模体1的周向等间距排布构成均匀的锯齿状外圆面；与零件4的端面宽边401相对应的轴向通槽2的槽底上开设有轴向贯通并用于提高淬火冷却油液流量以冷却零件4的端面宽边401的宽边冷却槽3。本发明用于圆筒状钢铁薄壁零件的淬火芯模，将淬火芯模的模体1径向尺寸设计为零件4的内孔干前径向尺寸，利用热胀冷缩原理，零件4淬火加热升温后将淬火芯模放入模体1内孔中，通过淬火芯模对零件4由内而外的进行撑型，从而保证零件4淬火后的内孔椭圆度。通过在淬火芯模周向均匀分布轴向通槽2，为零件4预留变形空间；减小淬火芯模与零件4内壁面的接触面积以及切断连续接触面，以便于脱模；利用轴向通槽2形成淬火冷却油的上下往复流动并充分与零件4内壁面接触，以快速冷却零件4，达到零件4淬火的目的。通过在零件4的端面宽边401相应位置的模体1的轴向通槽2内布设宽边冷却槽3，以加大端面宽边401位置的淬火冷却油流动量，从而减小端面宽边401部位热量储能过大的问题并均衡零件4各部位的温度差异，保证淬火后的零件4尺寸在要求的范围内。在淬火冷却过程中使用淬火芯模控制和减小零件4的内孔和平面度变形，使零件4尺寸变形控制在合理范围内，满足后续机加要求、提高产品合格率、缩短生产周期、降低成本、保证生产顺利进行。零件4淬火后使用卸载模具卸下芯模，通过淬火芯模与卸载模具的组合使用可以反复装卸，从而进行连续生产。该方法可以推广到更多类似零件4的生产，产生的效益巨大。该方法简单有效，可控性及稳定性强，成本低，可长期使用，可广泛推广。零件4的内孔干前径向尺寸：零件4在未做任何表面处理或仅做表面积灰处理且淬火前，进行表面的尺寸测量，以便于准备零件4内孔相应尺寸的淬火芯模；然后再进行零件4的表面处理及清洗。可选地，卸载模具为径向尺寸略大于零件4内孔直径的筒形支撑结构，即筒形支撑结构径向尺寸大于零件4的内孔直径且小于零件4内孔壁体的外径尺寸，从而刚好能够沿周向支撑整个零件4的壁体，通过向淬火芯模施加轴向力以迫使淬火芯模从零件4的内孔中脱离。可选地，卸载模具从零件4的端面宽边401一端支撑时，可以沿径向向外延伸，以同时支撑在零件4内孔壁体和端面宽边401上，以扩大与零件4的接触面积，使得受力均匀分散，避免零件4脱模时顺坏。

如图1和图2所示，本实施例中，两个宽边冷却槽3分别对应于零件4的端面宽边401两侧布设；和/或宽边冷却槽3对应于零件4的端面宽边401中段布设。根据端面宽边401的周向尺寸，选择对应布设于端面宽边401边缘和/或中部相对应的宽边冷却槽3，以增大对应部位及其周围的淬火冷却油流量，从而达到均衡各部位温度差异的目的。

如图1和图2所示，本实施例中，模体1的外圆面和/或端面上覆盖有耐磨镀层以增加表面硬度和耐磨性，或者模体1的外圆面和/或端面进行了渗碳处理以增加表面硬度和耐磨性，或者模体1的外圆面和/或端面进行了渗氮处理以增加表面硬度和耐磨性。由于淬火芯模的材料选用的是结构钢，在淬火芯模磨损了尺寸或者超过寿命周期后，可以通过镀铬补救尺寸；相比于不锈钢等其他钢种，结构钢镀铬后的结合力更好，不会出现掉铬及铬层蹦脆等地情况。锯齿外圆面镀铬后经过磨床精磨合格后可以继续使用。

如图1和图2所示，本实施例中，模体1至少一侧端面与模体1外圆面转角设置为用于方便放入零件4、保证零件4内孔完整性和避免零件4内孔收缩出现多边形的平面倒角或弧形倒角6。零件4内孔中放入淬火芯模时，淬火芯模的平面倒角或弧形倒角6与零件4接触，以使淬火芯模能够顺利进入零件4的内孔，避免发现相互碰撞而发生破损或变形。淬火芯模通过平面倒角或弧形倒角6能够形成对零件4的变形约束，防止零件4在淬火过程中收缩形成多边形。

如图1和图2所示，本实施例中，轴向通槽2采用内外等宽的平行槽、内宽外窄的窄口槽或者内窄外宽的扩口槽。可以根据零件4尺寸选择不同的轴向通槽2的槽型，以稳定支撑零件4的同时避免零件4收缩形成多边形。

如图1和图2所示，本实施例中，模体1的端面上开设有上下贯通并用于模体1装配时夹持着力和淬火冷却时淬火冷却油上下交换循环冷却的端面孔5。

如图1和图2所示，本实施例中，端面孔5布设于模体1端面中心；和/或多个端面孔5沿周向均布于模体1端面中心周围，相邻端面孔5彼此间隔布设。可以根据需要，形成局部的淬火冷却油流量，以均衡零件4各部位的温度差异。

如图1和图2所示，本实施例中，模体1材料采用镀铬结合力好的结构钢，以在模体1磨损时通过镀铬以进行修复，从而提高使用寿命。由于淬火芯模的材料选用的是结构钢，在淬火芯模磨损了尺寸或者超过寿命周期后，可以通过镀铬补救尺寸；相比于不锈钢等其他钢种，结构钢镀铬后的结合力更好，不会出现掉铬及铬层蹦脆等地情况。锯齿外圆面镀铬后经过磨床精磨合格后可以继续使用。

本实施例的圆筒状钢铁薄壁零件的淬火方法，采用上述用于圆筒状钢铁薄壁零件的淬火芯模，包括以下步骤：a、零件4干前尺寸测量；b、零件4表面清洗；c、淬火保温；d、零件4内孔套入淬火芯模并淬火；e、拆卸淬火芯模；f、零件4内孔尺寸及椭圆度检测。零件4在未做任何表面处理或仅做表面积灰处理且淬火前，进行表面的尺寸测量，以便于准备零件4内孔相应尺寸的淬火芯模；然后进行零件4的表面处理及清洗；清洗完毕后的零件4进行淬火加热升温，并保持温度；零件4由于升温后涨大而大于淬火芯模的尺寸，此时将准备好的淬火芯模放置在零件4的内孔中，并使零件4整体处于压力淬火机中并淬火；淬火冷处理后，进行回火吹砂；加工完毕后冷却并进行检测，从而完成零件4的整个淬火过程。本发明主要针对薄壁零件淬火后变形，导致零件报废问题，设计了专用的淬火模具组合，在淬火冷却过程中使用芯模减小零件变形(主要是控制内孔、平面度变形)，使其尺寸变形控制在合理范围内，满足后续机加要求、提高产品合格率、缩短生产周期、降低成本、保证生产顺利进行。零件淬火后使用卸载模具卸下芯模，反复装卸模具，进行连续生产。该方法可以推广到更多类似零件的生产，产生的效益巨大。该方法简单有效，可控性及稳定性强，成本低，可长期使用，可广泛推广。

本实施例中，步骤d具体为：零件4套上淬火芯模，并使零件4的端面宽边401正对淬火芯模的宽边冷却槽3，然后在压力淬火剂上淬火；步骤e具体为：卸载模具内孔径向尺寸大于零件4内孔径向尺寸且小于零件4筒外径，零件4端面放置在卸载模具上并使淬火芯模正对卸载模具的内孔，通过对淬火芯模沿轴向施压迫使淬火芯模从零件4内孔脱出，从而卸载零件4。

实施时，提供一种用于圆筒状钢铁薄壁零件的淬火芯模，淬火芯模设计成为圆饼状，外圆尺寸设计为零件内孔尺寸，由于零件受热内孔扩张，可以保证淬火时零件顺利放入淬火芯模。外圆加工成均匀锯齿状，锯齿一侧端端面有一定倒角(平面倒角或弧形倒角6)，目的是既保证了零件的内孔尺寸的完整性，不至于收缩出现多边形的情况，同时淬火冷却油液能顺着开口处(轴向通槽2)流动，充分保证零件与淬火冷却油液接触，保证淬火冷却效果。淬火芯模中心均匀钻出4个的圆孔(端面孔5)，目的一是方便操作者单手拿取淬火芯模，目的二是促进淬火油上下均匀地交换循环，使淬火冷却时即均匀地冷却又能带走更多热量，加快淬火冷却速度。根据零件端面有二宽边形状(端面宽边401)，与其他部位相比，该部位热量储能更大，为减小宽边与窄边的温度差，则需要更多的冷却油量，故淬火芯模对称方向分别设计二个槽口(宽边冷却槽3)，淬火冷却时将二个槽口(宽边冷却槽3)分别对正两个宽边，将槽口(宽边冷却槽3)相应面对准宽边(端面宽边401)，有利于加大宽边(端面宽边401)部位的淬火油流量，减小各部位的温度差异。零件套在芯模外面进行淬火。该淬火芯模能很好的保证零件淬火后尺寸在要求范围内。

淬火芯模材料为结构钢，成本低，淬火芯模锯齿状外圆面作渗碳处理，以增加芯模硬度及耐磨性。由于零件的冷却收缩，零件淬火后的紧紧地夹住了芯模，在随后卸模的过程中，芯模与零件内壁产生巨大的摩擦力，渗碳可以显著增加芯模外端的硬度，极大提高了芯模的耐磨性，故可以保证芯模长期有效使用。在实际的生产中，只需要准备3-4件淬火芯模交替使用即可满足大批量的零件生产需要，经过测算每套芯模的反复装卸膜寿命可达1500次。

此外，由于淬火芯模材料选用的是结构钢，在芯模磨损了尺寸，或者超过寿命周期后，芯模可以进行镀铬补救尺寸。相比不锈钢等其他钢种，结构钢镀铬后的结合力更好，不会出现掉铬、铬层蹦脆等的情况。锯齿外圆面镀铬后经过磨床精磨合格后可以继续使用。

卸载模具的设计

由于零件淬火冷却后，热胀冷缩导致零件紧紧夹住芯模，故需要设计处相应的配套卸载模具。卸载模具，尺寸略大于零件内孔尺寸，卸膜时将零件及夹住的芯模放置卸载模具上悬空，同时对芯模加载一定压应力，使芯模从零件中脱离出来，完成整个加工过程。

使用芯模组合的流程

零件干前尺寸测量：干前对零件内孔尺寸有一定要求，如果尺寸偏差较大，对后续套芯模有影响，直接影响零件淬火后尺寸及淬火质量。

淬火芯模尺寸计量：芯模定期送到计量仪表所进行计量，计量合格才可使用。

零件清洗：将零件清洗干净并晾干。

零件淬火保温：将洗净晾干的零件装在工装中，放热处理设备保温一定时间。

零件淬火：保温完毕，零件逐件套上芯模在压力淬火机上淬火，一组芯模套用完毕，将芯模卸载下来，开始新一轮套芯模淬火，直至零件全部淬火完毕。

卸载芯模：零件冷却终止后，在配套卸模上将零件卸载下来。

尺寸测量：测量零件内孔尺寸及椭圆度，记录测量实测值，合格后零件交检。

本发明用于圆筒状钢铁薄壁零件的淬火芯模的有益效果：

本发明已经成功应用到更多类似薄壁零件的淬火变形控制上进行试验。现统计出每批零件尺寸合格率为100％，同时零件的硬度、金相组织等检验指标均合格。使产品符合工艺要求，保证了生产的顺利进行，节约了大量零件成本，设备成本及人力资源。且该方法简单有效，持久稳定，成本较低，重复使用多次，是值得推广的控制手段。

图3和图4为零件简图，壁厚4mm左右，零件对称面有二宽边(端面宽边401)，内孔为渗碳面，该图1和图2为加工零件示意图，由于是属于薄壁类零件，在淬火冷却时产生的巨大热应力及组织应力导致内孔尺寸及椭圆度会发生变形。图1和图2为淬火芯模简图，芯模尺寸根据零件尺寸确定，在淬火前后要求的尺寸范围之内，既保证淬火质量合格，又保证内孔尺寸合格。卸模模具与芯模配套使用，淬火完毕零件内孔收缩会紧紧包住淬火芯模，需要垫在卸模模具上施加外力下压，使淬火芯模与零件分离。用手指抓住淬火芯模，开槽口(宽边冷却槽3)对应零件宽边竖直放入。零件出炉先平整放置在下模上，然后放入芯模，盖上上模，冷却油液从上模中部流出，零件开始淬火。

圆筒状钢铁薄壁零件的淬火方法的流程：干前检查→淬火→冷处理→回火→吹砂→检验。具体实施步骤：

零件干前尺寸测量：干前100％检查零件内孔尺寸、椭圆度和平面度。

零件清洗：用清洗剂将零件清洗干净并晾干。

零件淬火保温：用保护箱装渗碳剂保护零件进炉加热，800℃±10℃，保温2h～2.5h。

零件淬火：保温完毕，零件逐件套芯模在压力淬火机上淬火，淬火时零件a面朝下放在压力机下模上，再套入芯模(开槽口对应零件宽边)一组芯模套用完毕，将芯模卸载下来，开始新一轮套芯模淬火，直至零件全部淬火完毕。

卸载芯模：卸模放在平整台面上，套了芯模的零件中心孔对齐叠放在卸模上，使芯模悬空，将铁棒立在芯模中心，并用手扶住保持垂直，用卸模机或木榔头挤压或敲打铁棒，芯模脱出为止。

尺寸测量：测量零件内孔尺寸及椭圆度，记录测量实测值，合格后零件交检。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。