球籠式等速萬向節鐘形殼的感應熱處理工藝

宋德仁

（沈陽市化工學校，沈陽 110122）

1 引言

鐘形殼是汽車用等速萬向節至關重要的零件之一，它主要由工作部分和聯結部分組成，工作部分由內球面及若干溝道組成，聯結部分由柄部的臺階面、外花鍵和外螺紋等組成。由于鐘形殼工作承受極其復雜的交變載荷，為確保其具有足夠可靠性、使用壽命和良好的韌性，必須采用特殊的熱處理工藝。

2 鐘形殼的使用性能要求

（1）工作條件。汽車用等速萬向節的鐘形殼在工作過程中，外花鍵柄部主要承受車輛啟動和制動時的扭矩及一定的彎曲載荷，有時還要承受車輛啟動和制動時因突然加速和減速所產生的沖擊載荷。故其外花鍵柄部受到的應力主要為彎曲加扭轉應力。內腔溝道表面則要承受傳動軸傳遞扭矩時沿周向產生的鋼球擠壓，以及車輛在轉向過程中鋼球沿溝道方向運動所產生的磨損。

（2）主要失效模式：①外花鍵齒面的壓陷、磨損以及柄部的斷裂。②內腔溝道表面的壓陷、磨損和接觸疲勞引起的點蝕破壞。

（3）性能要求：①外花鍵齒面要具有足夠的硬度，外花鍵柄部要具有高的強度、良好的耐沖擊韌性和抗疲勞性能。②內腔溝道表面要具有高硬度、高耐磨性和高接觸疲勞極限。

3 材料和熱處理技術要求

為了使零件表面獲得高的硬度、耐磨性和良好的耐疲勞性能，而心部又能保持一定的塑韌性，同時考慮到經濟性，鐘形殼一般選用中碳鋼。常用的材料牌號為55鋼，其化學成分見表1。

表1 55鋼材料的化學成分 /%

55鋼先經過正火處理，整體獲得一定的強度和塑性后，再經過表面感應加熱淬火，使表面獲得高的硬度、耐磨性和耐疲勞性，從而獲得良好的綜合力學性能，滿足使用要求。

鐘形殼的預先熱處理為正火，最終熱處理為感應淬火、回火。其具體熱處理技術要求見表2。鐘形殼的感應加熱淬硬區分布見圖1。

表2 鐘形殼的熱處理技術要求

圖1 鐘形殼淬硬區的分布

4 鐘形殼的感應熱處理工藝

4.1 工藝路線

下料→鍛造→正火→機械加工→中頻感應淬火→回火→機械加工（精加工）→成品。

4.2 正火工藝

鐘形殼鍛造后需經正火處理，以獲得均勻的組織及合適的硬度，既便于機械加工又為后續的感應淬火做好組織準備。鐘形殼的正火工藝見表3。

表3 鐘形殼的正火工藝

4.3 感應淬火、回火工藝

鐘形殼的花鍵柄部及內腔表面需經感應淬火、回火處理，以獲得一定深度的硬化層及較高的表面硬度，以滿足使用性能要求。通常采用同時加熱并淬火的方法。

（1）感應加熱電源。感應加熱電源的額定功率，一般花鍵柄部：160～200kW，內腔：200～320kW，電流頻率范圍可選擇3～30kHz，通常使用的電流頻率為8～10kHz。電流頻率、零件直徑與合理的淬硬層深度的關系見表4。

表4 電流頻率、零件直徑與合理的淬硬層深度的關系

（2）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）感應器的結構。

（a）花鍵柄部加熱的感應線圈結構?；ㄦI柄部感應加熱線圈的斜視如圖2所示，花鍵柄部淬硬區的分布如圖3所示。感應器與工件間的間隙一般為2～5mm。該感應圈由矩形橫截面的銅管1和2以及圓弧部分3a、3b、3c等組成。為強化某些部位的加熱效果，可根據需要在這些部位安裝導磁體。導體1和2段主要用來加熱花鍵柄部。

圖2 花鍵柄部的感應線圈斜視圖

圖3 花鍵柄部的淬硬區分布

感應線圈圓弧3a的剖面如圖4所示，該段線圈圓弧的內周正對工件的R部，線圈圓弧的長度方向約為沿順時針120°。感應線圈圓弧3b的剖面如圖5所示，該線圈圓弧內周正對工件的臺階外側壁，圓弧的長度方向約為沿順時針110°。感應線圈圓弧3c的剖面如圖6所示，該

圖4 線圈X-X剖面

圖5 線圈Y-Y剖面

圖6 線圈Z-Z剖面

圖7 鐘形殼內腔感應線圈的結構

段線圈圓弧內周正對工件的R部，線圈圓弧的長度方向約為沿順時針50°。感應線圈圓弧3a和3c共同完成對R角處的加熱。花鍵柄部的R角、小端面由線圈圓弧3a和3c加熱，而工件臺階外側壁則由線圈圓弧3b加熱。通過該結構的感應線圈，使階梯直徑和軸向長度相差較大的工件各部分均可得到均勻的加熱效果。

（b）內腔的感應線圈結構。鐘形殼殼體內腔加熱的感應線圈的結構見圖7，加熱部分的感應線圈主要由連接管、導磁體、感應圈等組成。

（4）感應淬火、回火工藝參數。（a）花鍵柄部的感應淬火、回火工藝參數。加熱功率、加熱時間、冷卻時間等工藝參數需根據具體零件的尺寸大小、形狀復雜程度等來確定。中頻感應淬火的加熱溫度一般為860℃～890℃（可通過目視工件加熱的顏色或使用紅外線測溫儀來判斷），回火溫度一般為170℃±10℃，可以采用爐內加熱回火或感應加熱回火的方式。表5是某鐘形殼花鍵柄部中頻感應淬火工藝參數示例。（b）內腔的感應淬火工藝參數。因內腔的加熱面積較大，結構形狀也較復雜，若淬火時加熱時間較長，則容易產生變形和開裂。故鐘形殼內腔的感應加熱通常采用大功率、短時間加熱法。

中頻感應加熱淬火的加熱溫度一般為860℃～890℃，回火溫度一般為170℃±10℃，可以采用爐內加熱回火或感應加熱回火的方式。

表5 某鐘形殼花鍵柄部的中頻感應淬火工藝參數

表6 某鐘形殼內腔的感應淬火工藝參數

表7 鐘形殼正火檢驗項目及質量要求

表8 鐘形殼感應熱處理的質量檢驗項目及質量要求

表6是該鐘形殼內腔的感應淬火工藝示例。

5 熱處理的質量檢驗

鐘形殼正火的質量檢驗項目及質量要求見表7。

鐘形殼感應熱處理的質量檢驗項目及質量要求見表8。