一種汽車鐘形殼零件的感應(yīng)淬火工藝研究

范潔，夏元偉，梁智杰，宋京霏，梁朋濤，趙海洋

洛陽法拉地感應(yīng)設(shè)備有限公司 河南洛陽 471000

1 序言

為了增大汽車轉(zhuǎn)矩，均會使用到驅(qū)動橋總成，目前采用最多的是球籠式驅(qū)動橋總成。此種驅(qū)動橋總成不論是圓弧球道還是直球道，都較好地解決了等速傳動問題，并且傳遞工作角度大、效率高。但由于鐘形殼大多采用花鍵聯(lián)接，表面潤滑效果差，影響了整體的扭矩性能，為此我們采用感應(yīng)淬火工藝對其進(jìn)行淬火以提高其硬度、耐磨性和使用壽命。本文所涉及的一種汽車鐘形殼零件屬空心軸類，壁厚為11.5mm，同時硬化區(qū)域內(nèi)有楞，應(yīng)該說在感應(yīng)淬火區(qū)域內(nèi)很忌諱有薄壁、臺階等結(jié)構(gòu)存在，這些結(jié)構(gòu)經(jīng)常是淬火裂紋的根源[1]。但由于零件的功能需要，這些結(jié)構(gòu)又必須存在，導(dǎo)致其淬火工藝難度加大。為避免尖角效應(yīng)產(chǎn)生的過熱和淬火裂紋，我們從感應(yīng)器結(jié)構(gòu)及淬火工藝上進(jìn)行了設(shè)計，并對其淬火工藝進(jìn)行了研究。

圖1為一種汽車鐘形殼零件結(jié)構(gòu)，圖中A、B兩段所示區(qū)域要求進(jìn)行感應(yīng)淬火，圖1中A段感應(yīng)淬火（軸類+臺階），且凸臺及端面的淬硬層要求連續(xù)。對于軸類零件來說，一般要求硬化層較深。而滲碳等化學(xué)熱處理常因硬化層太淺而較少采用，火焰表面淬火的質(zhì)量又遠(yuǎn)不及表面感應(yīng)淬火易于控制，故軸類零件很適宜采用感應(yīng)表面硬化處理。軸類零件經(jīng)過感應(yīng)加熱表面淬火后，不僅在表層上會獲得高的硬度、強(qiáng)度和耐磨性，而且還具有一定的殘余壓應(yīng)力，但心部則保持高的塑性和韌性。所有這些性能對軸類零件在疲勞和磨損以及沖擊條件下工作來說，不僅是必要的，而且是十分有利的。

圖1中B段感應(yīng)淬火屬空心薄壁類零件，感應(yīng)淬火難點在于孔壁淬透或淬火層過深，否則會發(fā)生花鍵變形，為使感應(yīng)加熱表面淬火后的鐘形殼零件能獲得較高的疲勞性能，必須對硬化層深度、硬化層分布、合理確定硬度以及感應(yīng)加熱淬火工藝等問題，進(jìn)行科學(xué)分析，才能取得預(yù)期的效果[2]。

圖1 汽車鐘形殼零件結(jié)構(gòu)

2 鐘形殼零件技術(shù)要求

鐘形殼材質(zhì)為55鋼，預(yù)先熱處理為調(diào)質(zhì)，硬度260～300HBW；A段硬化層深：花鍵層深從齒根處測量（512HV）DS＝4.2～6.8mm；臺階處（512HV）DS＝1.7～4.8mm；大軸頸處（512HV）DS＝0.9mm；B段（內(nèi)腔，550HV）硬化層深DS＝1.5～2.6mm（前后各0～5mm過渡區(qū)）；硬化層深度：首檢檢測時淬硬層要達(dá)到中差，淬硬層形狀達(dá)到圖樣要求。熱處理硬度均為60～64HRC。

現(xiàn)行的加工藝流程如下：

毛坯鍛造退火→鉆中心孔→車外圓→車端面→車內(nèi)腔面→滾壓花鍵→滾壓螺紋→車內(nèi)腔面→倒角→銑滾道→銑倒角→銑倒角→攻螺紋→切卡圈槽→熱處理→精加工→成品→檢驗。

3 存在問題及注意事項

1）帶臺階的軸或軸頸，硬化區(qū)最好從臺階根部圓角處開始，以保證獲得最好的疲勞壽命。如根部不需要淬硬，硬化區(qū)距圓角處距離應(yīng)當(dāng)在0～5mm，以避免過渡區(qū)的拉應(yīng)力出現(xiàn)在應(yīng)力集中部位。

2）為防止鐘形殼內(nèi)腔淬透或淬硬層不符合要求（太深或太淺）引起花鍵變形，導(dǎo)致為了消除變形進(jìn)行拉削修正時，時常發(fā)生拉因不動而損壞拉刀現(xiàn)象，對內(nèi)花鍵的冷卻是關(guān)鍵。

3）鐘形殼在感應(yīng)淬火過程中旋轉(zhuǎn)定位加熱的起始設(shè)定，是進(jìn)一步確保淬火質(zhì)量的控制、操作方法簡單可靠，易于實施、質(zhì)量穩(wěn)定，以及效率高的主要保證因素。

綜上所述，圖1中A段（臺階處淬硬層連續(xù)）及B段（薄壁內(nèi)腔）應(yīng)同時滿足淬火質(zhì)量要求，因此對其感應(yīng)器設(shè)計及淬火工藝調(diào)整有很大的難度，故需進(jìn)一步工藝試驗研究。

4 工藝研究

4.1 感應(yīng)器及夾具設(shè)計

鐘形殼花鍵部分加熱感應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖2所示，鐘形殼內(nèi)腔部分加熱感應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖3所示。以鐘形殼花鍵部分有效圈為例加以說明，其有效圈分三段：上段加熱工件圓柱體上端一段，此段包角應(yīng)＜150°，當(dāng)采用180°時，要將間隙放大；中間一段是由兩根立柱來加熱，此立柱上應(yīng)加裝導(dǎo)磁體；下段加熱軸的圓角部分，此段也要加導(dǎo)磁體。當(dāng)與圓角相連的法蘭面也要加熱時，此段可分成兩個區(qū)段，一段加熱圓角（所加導(dǎo)磁體的開口面向圓角），另一段的截面變成矩形（所加導(dǎo)磁體的開口面向底面），花鍵部分加熱感應(yīng)器實物如圖4所示，鐘形殼內(nèi)腔部分加熱感應(yīng)器實物如圖5所示，鐘形殼淬火用夾具如圖6所示[3]。

圖2 鐘形殼花鍵部分加熱感應(yīng)器結(jié)構(gòu)

圖3 鐘形殼內(nèi)腔部分加熱感應(yīng)器結(jié)構(gòu)

圖4 鐘形殼花鍵部分加熱感應(yīng)器實物

圖5 鐘形殼內(nèi)腔部分加熱感應(yīng)器實物

圖6 淬火用夾具

4.2 熱處理工藝研究

根據(jù)圖樣要求，鐘形殼淬火后的硬化層深為0.9～6.8mm，故選用的是中頻淬火機(jī)床，如圖7所示。使用的工藝參數(shù)見表1。

表1 鐘形殼淬火用工藝參數(shù)[4]

圖7 鐘形殼淬火用機(jī)床及電源

鐘形殼花鍵部分加熱感應(yīng)器與處理面間隙：距上端面為2mm；淬火后硬度為53～58HRC，金相取樣如圖8所示，金相組織如圖9所示。鐘形殼內(nèi)腔部分加熱感應(yīng)器與處理面間隙：距上端面為4mm；淬火后硬度為54～58HRC，金相取樣如圖10所示，金相組織如圖11所示。

淬火工藝試驗編程如下[5]：

程序號：00012（鐘形殼花鍵）

N0010 G00X-193.318

N0020 M00

N0030 M03

N0040 G04X4

N0050 M06 S1600

圖8 花鍵金相檢驗取樣

圖9 花鍵金相組織（4級馬氏體）

圖10 內(nèi)腔金相檢驗取樣

圖11 內(nèi)腔金相組織（4級馬氏體）

N0060 G04X7.7

N0070 M07

N0080 M18

N0090 G04X17

N0100 M19

N0110 M05

N0120 G28X0.

N0130 M30

程序號：00015（鐘形殼內(nèi)腔）

N0010 G00X-193.318

N0020 M00

N0030 M03

N0040 G04X4

N0050 M06 S1200

N0060 G04X4.5

N0070 M07

N0080 M18

N0090 G04X15

N0100 M19

N0110 M05

N0120 G28X0

N0130 M30

鐘形殼零件淬火后經(jīng)磁粉檢測，未發(fā)現(xiàn)缺陷磁痕顯示。

5 結(jié)果分析

（1）鐘形殼花鍵感應(yīng)器存在的問題及防止措施。

1）上端加了兩個導(dǎo)磁體，是為了增加淬層長度。

2）從27kHz降至6.27kHz，是為了增加淬火層深。

3）與感應(yīng)器距離增加1mm，是為了上端淬火層深加大、底部溫度下降。

4）噴水時間加長，是為了試件冷卻。15s時工件余溫太高，會產(chǎn)生低溫回火。

（2）鐘形殼內(nèi)腔感應(yīng)器存在問題 技術(shù)要求淬硬層深為1.5～2.6mm，實際測量為1.8～3.2mm。

6 結(jié)束語

（1）鐘形殼花鍵淬火 首先，由于該零件上同時有端面及凸緣感應(yīng)淬火疑難結(jié)構(gòu)的存在，導(dǎo)致在實施局部感應(yīng)淬火時，易產(chǎn)生尖角效應(yīng)，即在局部感應(yīng)淬火時，位于尖角處的電流密集，易產(chǎn)生過熱或過燒現(xiàn)象，甚至產(chǎn)生淬火裂紋，故感應(yīng)加熱工藝存在一定難度。其次，淬火長度不夠，不合格。上端要求1～5mm未淬到。下端要求10.5mm淬火長度，實際為7.8mm，需增加淬火長度。通過調(diào)整感應(yīng)器長度，即在感應(yīng)器上端長度增加4mm、下端感應(yīng)器長度增加3mm的情況下進(jìn)行試驗，最終使問題得以圓滿解決。最后，通過感應(yīng)器的設(shè)計及導(dǎo)磁體的合理布局[6]，并通過感應(yīng)器間隙大小及加熱冷卻時間等工藝參數(shù)的調(diào)整，避免了凸緣處的電流密集及過熱、過燒等現(xiàn)象，防止了淬火裂紋的產(chǎn)生，使得凸緣處感應(yīng)淬火的淬硬層深度得到有效控制，且淬硬層連續(xù)，分布均勻，繼而提升了淬火質(zhì)量。

（2）鐘形殼內(nèi)腔淬火 通過調(diào)整零件移動速度，由S1200調(diào)至S1300，試驗后結(jié)果達(dá)到圖樣技術(shù)要求。鐘形殼內(nèi)腔零件裝在心軸上后，心軸噴水孔要一直噴水，對內(nèi)花鍵進(jìn)行適宜的冷卻，保證在零件表面加熱時，內(nèi)花鍵基本不受熱。這種輔助冷卻方法，適用于薄壁零件的感應(yīng)淬火。

（3）工藝優(yōu)化 程序編制合理，配合優(yōu)化的工藝參數(shù)，滿足了鐘形殼花鍵及內(nèi)腔所需的淬火硬度、淬硬層深度以及淬火均勻性，且熱處理后變形小，達(dá)到了產(chǎn)品設(shè)計要求，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。