等速驅動軸三柱槽殼內花鍵的感應淬火工藝

霍金元， 陳國軍， 鄭德信

(萬向錢潮股份有限公司， 浙江 杭州 311200)

三柱槽殼是等速驅動軸總成的關鍵部件，分為內花鍵和外花鍵兩類。三柱槽殼內花鍵部位須具有良好的耐磨性能和抗疲勞性能，一般選用20CrMnTi、20Cr等低碳合金鋼進行滲碳淬火或者Cf53、55鋼等中碳碳素結構鋼進行感應淬火[1]。三柱槽殼內花鍵感應淬火的難點在于定位方式的選擇、內外噴淋設計和感應器結構設計。關于內花鍵或小內孔感應淬火工藝有諸多報道[2-6]，但側重于感應器設計，沒有結合定位方式、噴淋設計進行系統闡述，且以滿足熱處理要求為目標，未系統研究感應器結構帶來的節能效果。本文采用內孔和端面定位，在外噴保護條件下，利用鑲裝硅鋼片的U形感應器對三柱槽殼內花鍵進行感應淬火，開發了一種節能感應淬火工藝，提出了一種三柱槽殼內花鍵感應淬火的節能途徑。

1 技術要求及試驗方法

1.1 技術要求

三柱槽殼內花鍵部位材料為中碳碳素結構鋼，內花鍵感應淬火后表面硬度要求為60～64 HRC，有效硬化層深度為1.0～2.3 mm(從花鍵齒底開始測量)，淬火區域如圖1所示。

圖1 三柱槽殼內花鍵感應淬火技術要求Fig.1 Induction hardening requirements of the internal spline in tulip

1.2 試驗方法

采用頻率段8～20 kHz，最大輸出功率為300 kW的全自動淬火機床對內花鍵進行感應淬火，如圖2所示。定位面為工件φ54 mm內孔和端面，如圖2(a)所示。定位工裝如圖2(b)所示，其外圓與工件內孔單邊間隙為0.10～0.28 mm，高度H=53 mm，占工件φ54 mm內孔深度的72.6%。定位工裝高度H過小，工件易因電磁力[7]吸引而傾斜打火。加熱部分外表面采用噴淋保護，外表面保護噴淋圈如圖2(c)所示，其內徑φ120 mm，外徑φ158 mm，高度40 mm，孔徑φ2 mm，孔距7 mm。感應器設計了A型和B型兩種，如圖2(d, e)所示，其有效加熱部分為U形結構矩形紫銅管，并鑲裝Π形硅鋼片，兩種感應器的區別如表1所示。加熱過程中感應器不動，工件以設定轉速旋轉。加熱結束后，感應器停留在加熱位置不動，外表面保護噴淋保持開啟，位于感應器有效加熱圈上方的淬火液噴射孔開始往內花鍵孔內噴射淬火液，淬火液采用聚合物水溶液。

表1 A型感應器與B型感應器的設計參數差異

圖2 感應淬火系統示意圖(a)感應淬火裝置；(b)定位工裝；(c)噴淋圈；(d)A型感應器；(e)B型感應器Fig.2 Schematic diagrams of the induction hardening system(a) induction hardening equipment； (b) positioning tooling； (c) spraying ring； (d) A type inductor； (e) B type inductor

在此設備條件下，用A型和B型感應器分別對三柱槽殼內花鍵進行淬火，淬火工藝參數如表2所示。

表2 感應淬火工藝參數

試驗過程穩定，未出現因電磁力吸引工件導致的打火現象。

2 試驗結果

分別采用A型和B型感應器及其對應的工藝參數對花鍵部位進行感應淬火，淬火區域的表面形貌和顯微組織如圖3所示。經測量，采用A型感應器淬火時，花鍵部位有效硬化層深度為1.6 mm，表面硬度63.2 HRC，顯微組織根據JB/T 9204—2008《鋼件感應淬火金相檢驗》評為馬氏體5級。采用B型感應器淬火時，花鍵部位有效硬化層深度為1.9 mm，表面硬度63.5 HRC，顯微組織根據JB/T 9204—2008標準評為馬氏體4級。從試驗結果可以看出，在本文工藝條件下，兩種感應器均能滿足感應淬火要求。

圖3 三柱槽殼體內花鍵感應淬火區域的表面形貌(a, c)和顯微組織(b, d) (a,b)A型感應器； (c,d)B型感應器Fig.3 Surface morphologies(a, c) and microstructure(b, d) of the induction hardened region of the internal spline in tulip(a,b) A type inductor； (c,d) B type inductor

3 分析與討論

3.1 感應器結構對淬火參數的影響

由表2可以看出，兩種感應器結構的淬火參數差異主要體現在加熱時間和加熱功率方面，在冷卻時間、淬火液濃度及溫度、淬火液流量、頻率方面差異不大。根據試驗結果，采用B型感應器淬火比采用A型感應器淬火得到的有效硬化層深度深0.3 mm，而所需的加熱時間短、功率小，其主要原因為：

1) B型感應器與內花鍵表面的間隙小。根據鄰近效應可知：間隙越小，相同條件下硬化層深度越深；間隙越大，相同條件下硬化層深度越淺[8]。

2) B型感應器有效加熱部分兩側銅管均鑲硅鋼片。U形感應器左右兩側銅管電流大小相等，方向相反。在不鑲裝導磁體的情況下，由于表面效應和鄰近效應，電流分布在銅管內側，遠離工件，如圖4(a) 所示，工件上的感應渦流強度低，加熱效率低[8]。鑲裝Π形硅鋼片后，由于硅鋼片的槽口效應，電流在銅管的外側分布[8]，離工件近，如圖4(b)所示，工件上的感應渦流強度高，加熱效率高。

圖4 電流在感應器銅管上的分布示意圖(a)不鑲裝硅鋼片；(b)鑲裝硅鋼片Fig.4 Schematic diagrams of the current distribution on copper tube of the inductor(a) without silicon steel sheet; (b) with silicon steel sheet

3) B型感應器有效加熱部分銅管截面尺寸為10 mm(L)×6 mm(W)×1.5 mm，A型感應器有效加熱部分銅管截面尺寸為8 mm(L)×8 mm(W)×1.5 mm，如圖2(d, e)所示。在滿足淬火要求的情況下，感應器尺寸的W越小，效率越高[7]，L越大，內花鍵表面與銅管鄰近面積越大，如圖5 所示，鄰近效應得到增強，感應器效率越高[9]。

圖5 感應器銅管與零件內孔表面間隙示意圖Fig.5 Schematic diagram of the gap between the copper tube of inductor and the inner hole surface of part

4) B型感應器導電管部分長62 mm，較A型感應器短24 mm。感應器上的功率沿導體長度分配，導電部分長度越短，有效加熱部分分配的功率越多[10]。

3.2 感應器結構對節能增產的影響

對比淬火參數及結果可以看出，與A型感應器相比較，B型感應器淬火不僅有效硬化層深度深，而且預熱功率系數低11.1%，加熱功率系數低16.5%，總加熱時間降低36.7%，節拍減短2.9 s。根據表2分別計算A型感應器和B型感應器的單件淬火能耗：

WA=(4.9/3600)×90%P+(3.0/3600)×97%P

=2.033×10-3P

(1)

WB=(2.0/3600)×80%P+(3.0/3600)×81%P

=1.119×10-3P

(2)

式中：P為設備全輸出功率，單位kW；WA和WB分別為A型感應器和B型感應器的單件淬火能耗，單位kW·h。可見，B型感應器單件能耗降幅達45.0%。從以上數據可以看出，對于三柱槽殼內花鍵感應淬火，合理的感應器設計能起到顯著的節能降耗、提高生產效率的效果。

4 結論

1) 利用所設計的定位工裝、噴淋圈、感應器A和B，在設定的淬火參數條件下對三柱槽殼內花鍵進行感應淬火，所得淬火表面硬度和淬硬層深度均可以滿足技術要求。

2) 采用B型感應器比A型感應器的預熱功率系數低11.1%，加熱功率系數低16.5%，總加熱時間低36.7%，單件能耗低45.0%，節拍縮短2.9 s，起到了顯著的節能和提高生產效率的效果。

3) B型感應器的有效加熱部分銅管尺寸為10 mm(L)×6 mm(W)×1.5 mm，其與內孔間隙為1.7 mm，導電部分長度為62 mm。定位工裝外圓與工件內孔單邊間隙設計為0.10～0.28 mm為宜，工裝高度H在不超過φ54內孔深度的前提下應盡量大，以防止因電磁力吸引工件引起打火現象。

4) 合理的感應器設計是三柱槽殼內花鍵感應淬火節能降本、提高生產效率的有效途徑。設計感應器的結構時，U型銅管兩側均鑲硅鋼片為宜，且在滿足淬火要求的情況下，有效加熱部分銅管尺寸L盡量大、W盡量小，導電部分長度盡量短。