通電加熱淬火夾具優化設計

劉準星

（豫北光洋轉向器有限公司，河南新鄉453003）

1 引 言

隨著我國汽車產銷量的逐年遞增，消費者對汽車的關注也發生了顯著變化，開始更加注重質量。作為汽車上面的重要保安部件轉向器，從設計到制造過程也提出更嚴格的要求。我公司曾購買宮電高周波公司高頻通電加熱設備（SOM-150S），在加工某型號轉向器齒條軸時，齒背面淬火工序上淬火范圍一致性不良，從功率、加熱時間、冷卻時間等參數調整試驗，效果均不明顯。后來對夾具的淬火電極進行改進，對噴水塊高度進行調整，在保證硬度的前提下，徹底解決了齒背層深、淬火范圍不一致的問題。本文主要介紹其夾具優化過程。

2 轉向器介紹及齒背部淬火分析

圖1 是電動助力轉向器的機械部分，類似于機械式齒輪齒條轉向器，其基本結構是一對相互嚙合的小齒輪和齒條，通過從方向盤輸出的力，傳遞到轉向軸，帶動小齒輪旋轉、齒條做直線往復運動，直接帶動橫拉桿使轉向輪轉向。其優點是結構簡單，成本低廉，轉向靈敏，體積小，因而在汽車上得到廣泛應用。圖1 為齒輪軸與齒條嚙合剖視圖，齒輪、齒條的齒部都需熱處理。通過調整體壓緊齒條齒背部時，齒條作直線往復運動，與調整體之間來回摩擦，從耐磨耗設計上考慮，追加了齒條背部表面淬火工藝。

圖1 轉向器嚙合圖

3 齒條背部通電加熱淬火的原理及優缺點

圖2 齒條背部淬火示意圖

圖2 是齒條齒背部淬火裝置示意圖，直接利用電能，通過在對稱的左右電極上面追加高頻振蕩電流（60kHz）后，金屬工件內部高分子電載體的動能轉化為熱能，工件產生自熱迅速達到相變溫度以上，并迅速噴射淬火液冷卻工件，即通電加熱淬火。該工藝有如下優點：（1）通電感應加熱因是自體發熱，熱效率為90%以上；（2）能局部加熱,淬硬層的深度可自由選擇；（3）加熱時間短（僅幾秒）、急速冷卻，脫碳、氧化少；（4）急熱、急冷工件自身產生大的壓縮殘余應力，使得疲勞強度提高；（5）僅是表面淬火，內部組織未發生變化。具有表面硬、內部韌的特點，耐磨耗性、耐疲勞性得到提高；（6）能布入整條流水生產線，使節省時間、節省能源、節省成本及高效控制管理成為現實。

其缺點為：（1）設備成本高；（2）設備通電加熱線圈制造工藝復雜，精度高、成本高。

4 淬火夾具現狀分析及優化前后結構對比

設備導入生產線后，前期多次調試生產，設備確定了表1 為最佳參數。但還存在不足之處：淬火角度范圍極不穩定，經常出現超差現象，不得不追加卡板全檢位，增加了節拍時間；層深超差，時常采取批量隔離報廢措施，增加了成本；制造用電極（如圖3、圖4）在淬火夾具上左右對稱安裝，與工件接觸的R 面精度要求嚴格，需配磨制作，增加了制造、采購成本。配磨前電極狀態如圖5 所示。

表1

圖3 淬火電極優化前

圖4 淬火電極優化后

圖5 淬火電極配磨前狀態

根據以往經驗，在參數一定情況下，與工件接觸的電極R 面大小、與工件緊鄰的噴水線圈的寬度大小，線圈與工件之間的間隙等因素是直接決定因素。從此方面入手，通過逐漸降低噴水線圈高度、電極高度，反復多次加工試驗，最終在線圈高度降低5mm，如圖6、圖7，淬火電極降低3mm，且R 徑公差放大到直接可加工狀態，制作出的工件如圖11 所示，沿著軸線方向更加均勻、對稱。

圖6 噴水線圈

圖7 噴水線圈優化后

5 零件狀態優化前后對比分析

圖8 與圖9 為優化前后淬火件齒條背對比圖。表2與表3 為優化前后測量數據，層深L（0.3～1.3mm）為分別按圖10 中的A-A、B-B、C-C 段的切片左右α 和β（40°～60°）（圖11）范圍內35°處計量對應的數值，35°處計量硬度至450HV。通過比較，優化前：齒背淬火層軸向淬火范圍中間寬，兩側窄，中間角度范圍接近規格上限值，層深中間側（B-B 段）接近上限規格值；優化后：齒背淬火范圍對稱分布，比較均勻，層深也同樣均勻，整體比較均一。按照圖10 所示段，連續加工25 件，切片計量確認，對層深、角度等幾個尺寸作Cm值統計，驗證設備能力，其值均大于1.33。也再次驗證加工一致性良好。

圖8 優化前齒條背部淬火范圍

圖9 優化后齒條背部淬火范圍

圖10 齒背淬火圖（45 鋼）

圖11 縱向剖切圖

表2 優化前工件測量數據

表3 優化后工件測量數據

6 結 語

通過對淬火夾具上面的電極及噴水線圈優化設計，經一年多的批量生產，對每班初、中物品的切片計量確認，以及現場設備的電極更換頻次統計等方面分析對比，歸納出以下結論：（1）減少了電極工裝配磨工序，可直接加工成型，降低了制造成本及采購周期。（2）基本上避免了生產現場因淬火范圍、層深的不良造成的批量報廢、隔離現象發生。（3）可擴展到類似的通電加熱裝置。通過改變工件與電極接觸面大小、與噴水線圈的間隙、寬度等因素來改變層深及淬火范圍。

［1］ R/B 齒背部淬火機使用說明書［Z］.上海：電高周波，2011.

［2］ 沈慶通.表面淬火用感應器的設計與制造（四）［J］.機械工人（熱加工），1993（11）：27-29.

［3］ 王廣生，等.熱處理手冊［M］.北京：機械工業出版社，2001.