探索弹簧钢调整垫片的工艺生产整合

调整垫片,一般材质选用60Si2MnA、65Mn等弹簧钢,技术要求有冷硬态或淬火态,其中淬火态要求的较少。为降低产品制造成本,实现材料选用的规范化、标准化,公司对弹簧钢仅规定了65Mn一个材料品种,并且规定相关的供货状态是热轧、冷拉,供货品种是热轧圆钢、冷拉钢板、钢带,其中冷轧钢带的公称厚度有0.10mm～0.50mm,总计9个规格。

1 存在的问题

有淬火要求的65Mn调整垫片,其工艺规程一般是：10工序-铆加剪切下料；20工序-铆加割外形；30工序-铆加划孔；40工序-铆加钻孔；50工序-热处理淬火。

针对65Mn弹簧钢钢带的淬火处理,没有专用设备。其淬火工艺生产过程是用箱式电阻炉加热后加压淬火,现有工艺生产方法带来的质量问题是：

(1)外观质量不佳。淬火后调整垫片的表面,有氧化脱碳现象,平面度、粗糙度差,且很难通过热压校正、表面喷砂、表面砂光/抛光、化学处理等工艺方法消除以上不良质量因素；(2)机械性能指标降低。同样由于氧化脱碳、粗糙度、平面度等不良因素的存在,给调整垫片的机械性能指标,如抗拉强度、伸长率、弹性模量等带来负面影响；(3)淬火后,表面氧化脱碳降低了零件的精度尺寸；(4)工艺生产废品率高,大约15%,主要原因是氧化脱碳导致硬度不达标。

因此,基于65Mn弹簧钢钢带的调整垫片的工艺生产,面临极大困难,这些问题成为影响生产进度的瓶颈,亟待解决。

2 原因分析

调整垫片工艺生产出现难题的直接原因是相关淬火工艺技术的落后,市场上有现成的淬火态65Mn弹簧钢钢带,但由于原材料采购起订量的要求导致其购买成为瓶颈。

因此解决问题的方法有：

(1)提高公称厚度≤0.5mm的65Mn弹簧钢钢带的工艺淬火技术,引进专用淬火设备,但相关的成本较高；(2)增加下料厚度,先粗加工成形,利用原有设备淬火,再通过磨床精加工,保证精度,这样会增加加工道序,加工周期会变长,相应的成本会增高；(3)购进批量的淬火态弹簧钢带,这样会导致库存积压,占用大量资金；(4)寻找满足调整垫片性能要求,能便利化采购,作为制成品或半制成品市场化供应的调整垫片基础件。

表1 不锈钢1.4310材料调整垫片基础件供应信息表

表2 不锈钢1.4310材料替换65Mn材料的工艺生产整体有效性评价表

表3 不锈钢1.4310材料(基础件)工艺生产探索实验统计表

图1 顶盖控制弹簧片替代前后效果对比

3 工艺技术与生产的探索

为解决调整垫片的工艺生产难题,技术人员协调相关研发、生产、装调人员进行了积极探索。查询到了可以满足调整垫片性能要求的不锈钢1.4310(德标；德国H+S；德国Fein)新材料。市场上有经过热处理与精磨处理的制成品/基础件供应,硬度HRC43--HRC47,采用小包装(如0.2*50*300/10片/盒),不锈钢1.4310材料调整垫片基础件供应信息见表1。

由于不锈钢1.4310材料调整垫片基础件已经有硬度HRC43～HRC47,因此,替换材料后的工艺生产将省略热处理工序,在加工中不因热处理而产生报废,并且零件表面无氧化皮,外观质量及尺寸精度得到保证,减少了加工道序,缩短了生产周期,相应的成本会降低。

3.1 材料性能分析

调整垫片一般应用在有位置调整要求的零部件中,在调节过程中往往有轴向或径向的微量移动,在工作过程中其相应的移动或变形往往是0.01mm量级,因此,垫片材料的抗拉强度并非越高越好,其伸长率及弹性模量等塑性、弹性指标应该是主要的机械性能指标。

3.2 成本分析

不锈钢1.4310材料基础件供应商报价,0.2*50*300/10片/盒价格为95元,每片折合9.5元。以Y2FBF415PAC00调整垫片图样尺寸0.2*21.2*162//工艺下料尺寸0.2*24*166为例,每片不锈钢1.4310材料基础件可以制作2件,材料成本折合4.75元/件。如按原有工艺生产规划实施淬火,每件淬火成本：0.3h/单件淬火工时*15元/每小时淬火工时成本=4.5元。按65Mn成本27.35元/公斤计算,每片65Mn钢带材料成本约0.18元,则原有工艺生产成本是4.5+0.18=4.68/件。结合综合运用、不浪费原则,替换后相关其他工艺工序不变的情况下,替换后理论上增加工艺生产成本4.75-4.68=0.07元/件。

氧化脱碳等负面因素导致淬火生产中往往不能实现100%合格,一般有约15%的废品率存在。以每批次40件为例,以不锈钢1.4310基础件代替原有工艺方法后每件Y2FBF415PAC00调整垫片可以降低生产综合成本：(40*15%*4.68-40*0.07)/40=0.667元。因此,以Y2FBF 415PAC00调整垫片测算,工艺方法替换后每片生产综合成本将降低0.667元。

3.3 有效性评价

淬火后即使合格的65Mn调整垫片,表面也必然存在氧化皮等痼疾,降低调整垫片的实际塑性伸长率、弹性模量及拉伸强度等性能指标,不锈钢1.4310材料替换65Mn,材料的工艺生产整体有效性评价见表2。

表中可以看出,原有65Mn调整垫片的实际性能指标,与新的工艺生产材料不锈钢1.4310的相关性能指标相近,或相当,并且其原材料采购方式灵活,零件外观显著提高,生产成本降低,因此,不锈钢1.4310材料替换65Mn材料理论上可行。

3.4 相关工艺生产探索实验

申请了不锈钢1.4310(德标；德国H+S；德国Fein)材料部分代码,见表3。

仿真结果表明，本文算法和IMM-CKF算法都可以对目标运动进行有效跟踪。经过分析表明，IMM-RDCKF与常规IMM-EKF、IMM-CKF算法相比较，优点在于以下几点：

依据代码购置、加工后应用于ZL29烟枪部件。经现场调试测试,及分别发往不同的卷烟厂投入应用,经反馈,效果良好。

经扩展应用,顶盖控制弹簧片零件也已经采用该材料进行替换,替换前后零件的外观质量对比见图1。

替换前,零件加工共有7个道序,其中包含有两道热处理工序：退火和淬火,替代后,零件仅需要3个道工序即可完成。替换后,不产生热处理道序报废,表面无氧化皮,尺寸得到保证,外观质量大幅提升,加工周期明显缩短,生产成本降低。经安装在设备上运行调试,效果良好。

4 结语

采用经过热处理与精磨处理的不锈钢1.4310材料代替65Mn弹簧钢,不仅实现了调整垫片工业基础件的升级换代,提高了产品外观质量,保证了零件尺寸精度,满足了生产需求。并对该材料拓展应用,取得了良好的效果。通过替换,克服了原有工艺生产方法的弊端,为提高工艺生产的规范性、可靠性、有效性,管控工艺生产风险、降低工艺生产成本提供有效支撑,能快速响应、满足公司多品种、小批量的工艺生产需求。