膜片彈簧的高頻淬火方法探討

龍順彬

愛思帝(重慶)驅動系統有限公司，重慶 401122

0 引言

所謂的膜片彈簧就是碟形彈簧，是法國人J.F.Belleville于1867年發明的。大部分汽車都采用膜片彈簧式離合器。可以在占據空間小的情況下具有較大的載荷容量，而且只要將膜片彈簧在碟簧部分的自由高度和板厚之比值（H/t）取得適當，就可以得到不同的彈簧特性。下圖為一種膜片彈簧的結構簡圖和其位移——力值圖。

圖1 膜片結構簡圖

圖2 膜片力－分離指位移圖

從圖1可看出，膜片彈簧是由碟簧部分和分離指部分組成。

從圖2可知，設計合理的膜片彈簧具有良好的非線性特性，在摩擦片磨損到極限尺寸時，壓緊力仍能維持很少變化，可減輕分離離合器時的踏板力，使操縱輕便、舒適。

由于離合器工作條件惡劣，其工作環境溫度一般有200℃～300℃，因此要求膜片彈簧具有足夠的熱穩定性，特別是分離指部分的高頻淬火后的性能要滿足圖紙要求，否則容易因分離指過度磨損，造成整個離合器提前失效。膜片彈簧是否具有良好的疲勞強度、熱穩定性、耐磨性是決定離合器是否經久耐用、操作穩定的根本。

1 工藝過程

1.1 膜片彈簧分離指尖端需要高頻淬火，提高其硬度以保證其耐磨性

1）在汽車行進時，離合器隨發動機飛輪一直處于不停地旋轉中，當需要停車或換檔時，在分離軸承壓力P作用下（如圖3所示），根據杠桿原理，壓盤C上升，從而與從動盤總成分離，中止發動機傳來的動力。因此，膜片彈簧分離指尖端需要高頻淬火，提高其硬度以保證其耐磨性。

圖3 膜片分離指受力圖

1.2 高頻淬火工藝

1.2.1 膜片彈簧高頻淬火前的狀態

膜片彈簧經淬火回火后，基體是穩定的屈氏體組織。

1.2.2 高頻淬火原理

高頻淬火原理是利用電磁感應原理，在零件內部產生熱量，使鋼鐵件被加熱，再冷卻淬火。磁力線的分布情況對零件加熱效果起著決定性的作用，應使穿過零件的磁力線集中、均勻。

1.2.3 高頻淬火的加熱溫度要求

根據Fe－Fe3C相圖,可以確定其奧氏體化

溫度約為800℃，基于以下考慮：

1）由于高頻加熱速度快，奧氏體化不充分；

2）50CrV4因V、Cr元素具有細化晶粒作用，使合金元素充分溶解到奧氏體中去,以提高鋼的淬透性和淬火后機械性能的均勻性。

因此需要提高加熱溫度，但隨溫度的升高，又易導致奧氏體晶粒粗大，表層更易氧化和脫碳，因此確定高頻淬火的加熱溫度為900℃～920℃為宜。

圖4 Fe－Fe3C相圖局部圖

1.2.4 感應器的設計制作

感應器的大小可以根據高頻淬火區的大小確定，一般比淬火區小1mm～2mm就可以，形狀與工件形狀相似，粘帖導磁體，采用感應器自帶噴水圈噴水淬火。

1.2.5 淬火介質選擇

在高頻過程中，有可能出現淬火微裂紋。膜片彈簧是一種要求搞疲勞性很高的零件，不允許有微裂紋存在，因此采用水基淬火液來冷卻，避免出現微裂紋。并在高頻淬火工藝試制時進行磁粉探傷檢測，確定淬火區域合格且無裂紋后才可批量加工。

1.2.6 淬火后的回火

為消除淬火應力（組織應力和熱應力），高頻淬火后應及時回火，回火溫度采用180℃，回火時間以90min以上為宜。

1.3 高頻淬火回火檢查結果

1.3.1 檢測設備

1）PMEB OLYMPUS金相顯微鏡；

2）HR-150A洛氏硬度計。

以上設備分別檢測零件碳氮共滲后的金相組織和表面及內部硬度、基體硬度。

圖5

1.3.2 零件概況及淬火區要求見表1及圖5：

表1 零件概況及淬火區要求

1.3.3 膜片彈簧分離指淬火回火檢查結果見表2

表2 淬火回火檢查結果

表2中高頻淬火回火組織金相見圖5，基本組織金相見圖6：

圖5

圖6

1.4 高頻淬火設備

1.4.1 高頻感應加熱設備A

該設備是建廠初期引進的，每次加工一件，視膜片彈簧的大小，產量約1000件/班～1200件/班，效率較低，但產品質量很穩定。淬火方式方法見圖7，感應器是中空，自帶噴水式，見圖8。圖中次級變壓器可升降，帶動感應器升降，工作臺自轉，帶動零件旋轉。

圖7 淬火方式示意圖

圖8 感應器示意圖

1.4.2 晶體管高頻感應加熱設備B

初期引進的電子管高頻設備熱效率低，不節能，效率低，不能適應公司發展需要。經過多方論證后，決定引入晶體管感應淬火電源。IGBT晶體管電源頻率可從50kHz～100kHz自適應，具有電源本身不需調整、線路簡單、控制精度高、操作方便、可靠性高等優點，適合多品種小批量零件淬火。于是決定購買一臺IGBT電源的雙工位感應淬火機，設備主要參數如下：

該設備淬火方式與圖7方式基本相同，只是感應器不同。工作臺是兩個分別旋轉的臺子，可一次加工一件或兩件。感應器制作方式見圖9。工藝試制成功后，通過硬度和多相組織的檢查，產品質量合格，經過快4年的運行，設備和產品質量均很穩定，達到了最初引進的目的，產量提高到1800件/班～2000/班件。

1.4.3 膜片彈簧感應加熱自動淬火機C

由于公司發展迅速，原有二臺淬火機床已不能滿足生產需要，因此就考慮自動化設備來解決效率問題。2007年兩次去日本大阪的愛思帝總部培訓，期間參觀了愛思帝的膜片彈簧自動感應淬火機，決定按愛思帝模式在重慶工廠引進一臺膜片彈簧自動高頻淬火機，自動完成膜片彈簧的送入、感應加熱、冷卻淬火、工件送出等工藝過程，設備參數如下：

自動淬火機的循環周期由工件加熱時間確定。其工藝線路如下：

上料機構上料 → 工件放入上料位 → 轉盤轉動至加熱位置 →工件旋轉 → 感應器下降 → 對工件加熱 → 加熱完畢 → 感應器上升 → 轉盤轉動至噴淋位置噴淋 → 噴淋完畢 → 轉盤轉動至下料位→ 下料機構取工件 → 上料機構上料，依此循環。

自動淬火機床于08年7月引進投產，其工作原理見圖10：

圖9 感應器示意圖

圖10 自動淬火機圖示

該設備淬火方式與圖6方式基本相同，只是感應器不帶噴淋功能；另外，是靠轉盤轉動來交換工位，達到自動運行。轉盤轉動周期和加熱時間均可調整，以適應不同的產品加工需要。感應器制作方式見圖7。工藝試制時參考在用設備，并通過硬度和金相組織的檢查，與原有二臺設備的產品質量基本一致，經過兩年多運行，產品質量穩定，產量提高到2800件/班～3000件/班，滿足了產量迅速增長的需要，達到了最初引進的目的。

2 結論

1）針對膜片彈簧的感應淬火工藝，可適當提高淬火加熱溫度來保證淬火質量，采用水溶性淬火液來作冷卻液防止淬火微裂紋；

2）為了減少投資，提高設備效率，可采用雙工位加工方式和自動化設備來解決。

[1]美國金屬學會主編.金屬手冊[M].機械工業出版社，1988.

[2]熱處理手冊編委會.熱處理手冊[M].機械工業出版社，1991.

[3]施方友.金相技術[M].上海科學技術文獻出版社，1987.

[4]張英會，等.彈簧手冊[M].機械工業出版社，1997.