三球銷式等速萬向節三柱槽殼的感應淬火工藝

宋德仁

(沈陽市化工學校 ，沈陽 110122)

三柱槽殼是汽車用三球銷式等速萬向節的重要零件之一，其主要由工作部分和連接部分組成，工作部分由內圓柱面及若干溝道組成，連接部分由柄部的臺階面、外花鍵和外螺紋等組成。由于三柱槽殼工作時承受極其復雜的交變載荷，為確保其具有良好的韌性、足夠可靠性和使用壽命，必須采用特殊的熱處理工藝。

1 三柱槽殼的使用性能要求

1.1 工作條件

三柱槽殼將發動機的扭矩由差速器傳遞到傳動軸和驅動輪，工作時，帶外花鍵的柄部主要承受扭轉載荷，同時承受一定彎曲載荷，在車輛啟動、制動時還要承受一定的沖擊載荷，因此，柄部受到的應力主要為彎曲加扭轉應力。三柱槽殼的內腔溝道表面承受沿周向產生的球環擠壓，以及車輛在不平路面行駛時車輪上下運動引起傳動軸總成軸向伸縮而使三球銷總成沿三柱槽殼溝道縱向運動時所產生的摩擦。

1.2 性能要求

(1)外花鍵齒面應具有高的硬度、耐磨性，花鍵柄部應具有高的強度、良好的耐沖擊韌性和抗疲勞性能；

(2)內腔溝道表面應具有高的硬度、耐磨性和高的接觸疲勞極限。

1.3 主要失效模式

(1)外花鍵齒面壓陷、磨損以及花鍵柄部的斷裂；

(2)內腔溝道表面壓陷、磨損和接觸疲勞引起的點蝕破壞。

2 材料和熱處理技術要求

2.1 材料

為了滿足零件的強度、硬度、耐磨性、耐沖擊韌性和抗疲勞性能等要求，三柱槽殼的材料可選用20Cr，20CrMnTi等滲碳鋼，亦可以選用55#，40Cr等中碳鋼。這些材料從性能上均可滿足產品的使用要求，考慮到經濟性，一般選用55#鋼，其化學成分見表1。

表1 55#鋼化學成分 w,%

2.2 熱處理技術要求

55#鋼平均含碳量為0.55%，變形抗力較大，冷擠壓成形性較差，故三柱槽殼的內腔一般采用溫鍛成形+冷鍛精整工藝，為了使材料具有良好的冷鍛精整成形性能，需進行軟化處理，可采取球化退火工藝。最終熱處理工藝為感應淬火、回火。

三柱槽殼的加工工藝為：溫鍛→球化退火→磷化、皂化→冷鍛精整→機加工→中頻感應淬火→回火→精加工→成品。熱處理技術要求見表2，感應加熱淬硬區域分布如圖1所示。

表2 三柱槽殼的熱處理技術要求

圖1 三柱槽殼淬硬區域分布

3 感應淬火工藝

3.1 感應淬、回火工藝技術要求

對圖1所示區域進行感應淬、回火處理，使其達到表2的技術要求，從而獲得一定深度的硬化層和較高的表面硬度，以滿足使用要求。

3.2 感應加熱電源

感應加熱電源的額定功率，一般花鍵柄部為160～200 kW，殼體內腔為200～250 kW，電流頻率范圍可選擇3～30 kHz，一般采用8～10 kHz。電流頻率、零件直徑與合理的淬硬層深度的關系見表3。

表3 電流頻率、零件直徑與合理的淬硬層深度的關系

3.3 淬火機床

淬火工藝可采用通用、專用淬火機床或生產線，淬火機床的結構和精度應滿足工藝要求。機床應配備相應的參數儀表，如移動速度、轉速、溫度、淬火液流量、壓力、時間、能量監控等。工藝過程采用可編程的數控系統，可按編制的程序自動實現整個淬火過程。

3.4 感應器結構

3.4.1 花鍵柄部加熱感應線圈的結構

花鍵柄部感應加熱線圈如圖2所示。感應器與工件間的間隙一般為2～5 mm。感應線圈的結構組件1和2為矩形銅管，主要用來加熱花鍵柄部。為強化加熱效果，銅管上需安裝導磁體。此結構的感應線圈使階梯差別較大的工件各部分得到均勻的加熱。

圖2 花鍵柄部的感應線圈(斜視圖)

感應線圈圓弧3a(見圖2)的剖面如圖3所示，該段線圈圓弧的內周正對工件的R處，線圈圓弧的長度為整個圓弧的1/3，主要用來加熱R角和小端面。感應線圈圓弧3b的剖面如圖4所示，該線圈圓弧內周正對工件臺階外側壁，圓弧的長度為整個圓弧的1/6，主要用來加熱工件臺階的外側壁。

圖3 線圈X-X剖面圖

圖4 線圈Y-Y剖面圖

3.4.2 內腔溝道加熱感應線圈的結構

三柱槽殼內腔溝道的感應淬火方法主要為移動加熱淬火法和同時加熱淬火法。

移動加熱淬火工藝的感應線圈結構如圖5所示。圖5a為加熱線圈的立體圖，在與三柱槽殼壁厚最大的部位相對應的導體上設置與殼體軸線平行的3(4)對互相平行的直立導體，每對導體都臨近配置，內部通方向相反的電流。圖5b為淬火時加熱線圈和冷卻水管的剖面圖，圖中第1冷卻水管安裝在導磁體下方，中空的冷卻水管設有放射狀的冷卻噴孔，可以向溝道表面噴射淬火液。中心配有輔助噴射水管，用于在加熱末段將淬火液噴向封閉端，將最后加熱的部位淬火冷卻。圖5c為B-B剖面圖，從圖中可以看出淬火時線圈與工件內腔的相對位置。同時第2冷卻水管配置在工件最薄壁的外側，淬火時起冷卻最薄外壁的作用。

圖5 移動加熱淬火工藝原理圖

移動加熱淬火法工藝過程為：工件相對感應器向下移動到淬火開始端停留，線圈通電加熱，同時第2冷卻管開始向外壁噴冷卻水，接著第1冷卻管向溝道表面噴射淬火液，開始淬火，工件移動進行連續加熱和淬火冷卻，工件移動到淬火末端時停止移動，加熱停止，位于中心的輔助噴水向封閉端面噴射淬火液，完成末端加熱區淬火，然后工件返回。

同時加熱淬火法的感應器由與三柱槽殼軸線平行的3對直立長導體構成，如圖6a所示，每對長導體的外側與溝道表面相對應，位置關系如圖6b所示。每對長導體的內側都需要安裝導磁體。感應器內側需要配置淬火液噴射裝置，工件外側需要配備冷卻外壁的冷卻噴水裝置。

圖6 同時加熱淬火工藝原理圖

同時加熱淬火法工藝過程為：加熱線圈進入工件，到達設定好的淬火位置后，線圈通電同時加熱三對內溝道，同時外壁冷卻噴水裝置開始噴射冷卻水，內側淬火液噴射裝置噴射淬火液，三對內溝道同時淬火，淬火結束后線圈返回。

三柱槽殼的這2種淬火工藝中，移動加熱淬火工藝的感應器結構簡單，但生產效率低，適用于單件小批量加工；同時加熱淬火工藝的感應器結構復雜，但生產效率高，適用于大批量加工。

3.5 工藝參數

三柱槽殼采用55#鋼，中頻感應淬火加熱溫度一般為860～890 ℃(可通過觀察工件加熱的顏色判斷或使用紅外線測溫儀測量)，回火溫度一般為(180±10)℃，可以采用爐內加熱回火或感應加熱回火的方式。由于三柱槽殼內腔結構比較復雜，淬火時加熱時間長，容易產生變形和開裂，因此，殼體內腔的感應加熱通常采用大功率、短時間加熱法(同時加熱淬火法)。某三柱槽殼花鍵柄部和內腔溝道中頻感應加熱淬火工藝參數見表4。

表4 某三柱槽殼的中頻感應淬火工藝參數

4 質量檢驗

三柱槽殼感應熱處理的質量檢驗要求見表5。

表5 感應熱處理的質量檢驗項目和質量要求

5 結束語

球銷式等速萬向節三柱槽殼的感應淬火工藝經生產實踐證明，淬火質量穩定，生產效率較高，所加工產品使用性能良好。