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碟簧在模压淬火中的翘曲现象分析
添加:2015-11-4 9:46:18    游览:1625    来源:www.aosailuo.cn

  碟簧是夹具系统的重要零件之一,工作时需要承受交变应力,因此要求它有高的弹性极限及屈强比,来保证多次受力不产生塑性形变。在精度方面要求虽然不算高,但两端面的支承面因组合需要,必须平行并与轴向垂直,不能有翘曲。

  原设计材料为65Mn钢,硬度要求为42~46HRC,端面翘曲度≤0.05mm,表面不能有碰伤或者是划痕。整个加工过程如下:备料(∅100mm圆棒料)—锻造(锻成∅210mmX12mm饼状)—退火—车削—淬火、回火—磨削—检验——油封。淬火工艺:浴驴加热至820~830℃,保温时间90s,油冷;回火:400℃X60min。处理结果因翘曲严重,∅152mm及∅200mm的内外径变成了椭圆,两端面局部翘起,端面不平度原因超出磨削余量,废品率高达70%以上。这种工艺不仅周期长、用料多、废品率高、成本增加,而且工厂在主产品大量生产条件下,因碟簧供不应求,所以主产品的生产也受到影响。

  1.碟簧翘曲原因分析

  65Mn钢属于亚共析钢,含碳量(wt%,下同)为0.62~0.70,含锰量0.90~1.20。锰虽然是使奥氏体等温转变曲线向右移的合金元素,但C曲线形状仍保持了碳素钢等温转变的形状。当碳含量为0.65,锰含量为1.32时,曲线的鼻尖部,奥氏体在2.5s后,即发生珠光体转变。长久以来,为了获得高硬度,都在油中冷却,以闯过过奥氏体最不稳定区,油的冷却速度虽比水的冷却速度小,但冷却时产生的热应力还是很大的。

  弹簧扭曲的重要原因是几何形状特殊,在冷却过程中,体积的收缩、马氏体的转变,都不能同期进行,使应力状态变得复杂化。车削加工时,由∅210mmX12mm的饼状坯料车成如图1所示的形状,在淬火钱未进行去应力处理。热应力、组织应力、机加工应力以及冷却不均匀产生的应力叠加在一起,以常规工艺处理,翘曲是很难避免的。

 图1 碟簧简图

  2.防止碟簧淬火翘曲的思路

  (1)弹簧的几何形状是截圆锥薄桶形,厚度只有2.5mm,淬火时可完全淬透。由经验可知,薄且尺寸大、又不对称的零件,热处理时要控制翘曲度不超过磨削加工余量,历来是一个棘手的问题。如果从加热方式、冷却液、冷却方式或校正方面去消除翘曲,很难奏效。若能找到一种可在淬火过程中扼制住热应力与组织应力的工艺方法,有可能防止翘曲的产生。

  (2)首先钢材应具有比较稳定的过冷奥氏体区,以及比较好的淬硬性,回火屈氏体应具有高的屈强比。在常用的弹簧钢中,60Si2MnA钢基本可满足上述要求。图2为60Si2MnA钢的奥氏体等温转变曲线。从图2可以看出,在650℃附近,只有保持时间不超过4s,就不会发生珠光体转变。由于弹簧厚度只有2.5mm,进入马氏体转变区,即使热应力与组织应力同时作用,若弹簧是在超应力下被压紧,则直至马氏体转变完成,弹簧也不会翘曲。

图2 60Si2MnA钢的奥氏体等温转变曲线

  (3)弹簧的淬火,如果在油中冷却,欲使其不产生翘曲,工艺、工装繁杂,而空冷则冷却速度太慢,显然不行。经验证明,T10A碳工钢,当小面积平板形零件厚度≤3mm时,环境温度在0℃以下,于780~790℃加热后,用两钢块压紧,可得到58~60HRC的高硬度。而60Si2MnA钢的过冷奥氏体的稳定性远优于T10A钢,在650℃最不稳定区,以断面较厚的模具压紧时,冷速虽小,但由于弹簧与模具的热传导作用,热能很快被模具吸收,瞬间可通过650℃的区域,其冷速介于油和空气之间。达到310℃(Ms)时,弹簧已被压成型,随之转变为细针状马氏体,从而可获得60~62HRC的高硬度及85%以上的屈强比。图3为模压淬火结构简图。

图3 模压简图

  3.改进后的工艺及效果

  将厚度为2.5mm的60Si2MnA钢冷轧薄板加工成200mmX152mmX2.5mm的圆环。用盐浴炉,(870±10)℃,单件吊装,加热100s,出炉后快速置于10t的手搬压力机上的模腔中,立即加压,使冷却与形成同步进行,90s后出模,置于平台上。冷却后硬度>60HRC。随即每10件叠捆一起,于(450±10)℃回火1h。检测随炉2.5mmX20mmX100mm试样,硬度为42~46HRC,对照标准试验资料αb>1470MPa, αs>1274MPa, αp>1372MPa。组织为回火屈氏体。

  按上述工艺制造的碟簧,达到了省料、省工、无废品的目的,质量一直很稳定。

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