推筒支撐座國產化加工技術的研究與應用

王立超

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京 100081）

0 引言

近年來，我國高速鐵路的迅猛發展，火車的運行速度從之前的每小時100多公里，提高到現在的近400 km/h[1]?；疖囘\行速度的大幅提高，相應地對軌道車輛及其零部件的性能要求越來越高。工作環境越來越惡劣和復雜，承受扭轉、彎曲等交變、沖擊載荷作用的零件越來越多，如制動系統中基礎制動單元的關鍵零部件推筒支撐座，其產品質量對整個制動過程有非常重要的影響，長期以來一直依賴進口[2-3]。為改善該零件的關鍵配合面、承載面、摩擦面的表面硬度和耐磨性，提高產品可靠性和疲勞壽命[4-5]，本文以該零件為試驗對象，開展了大量的工藝研究，取得了成熟的工藝，獲得了良好的產品質量，在國產化和批量生產過程中采用了感應加熱表面淬火的工藝，取得了很好的經濟效益。

1 感應加熱表面淬火原理

感應加熱表面淬火是利用電磁感應原理，使零件在交變磁場中切割磁力線，在表面產生感應電流，又根據交流電“集膚效應”，以渦流的形式將零件表面快速加熱、而后急冷的淬火方法。感應加熱表面淬火使用的電流頻率不同，可以分為超高頻（27 MHz）、高頻（200～250 kHz）、中頻（2.5～8.0 kHz）和工頻（50 Hz）。具體的淬火深度即渦流透熱深度可以根據式（1）來核算，以確定表面淬火的使用的電流頻率[6-7]。

式中：δ為金屬的透熱深度，m；f為加熱頻率，Hz；ρ為電導率，S/m；μ為金屬的導磁率，H/m。

感應加熱表面淬火具有加熱效率高、升溫速率快、成本相對低廉、控制簡便且精度高、自動化生產效率及安全性高等優點。

2 工藝過程分析

2.1 生產實例

本文將以高鐵制動系統中基礎制動單元的關鍵零部件推筒支撐座（如圖1）為例，來討論在高頻感應表面淬火的工藝過程，包括預留加工余量、感應加熱線圈設計、程序控制質量檢測等方面的工作。本工藝已經過實際生產的驗證，正在大批量生產。

制動系統零部件推筒與推筒支撐座配合（如圖1），推筒支撐座的承載面分別是U形槽內表面和兩個軸臂外表面，U形槽內表面與推筒配合，工作過程中，會承受交替接觸壓應力和滑動摩擦。兩個軸臂外表面分別與軸承配合，每個軸承承受的載荷約為15～20 kN。為了提高推筒支撐座的承載能力和壽命，需要對推筒支撐座的承載面進行表面淬火，淬火區域如圖2所示。技術要求為：U形槽和軸臂淬火深度均為1～2 mm，U形槽槽寬最終尺寸要求達到27～27.084 mm，軸臂外圓直徑最終尺寸為φ25.58～φ25.593 mm。

圖2 推筒支撐座表面淬火區域

2.2 技術難點分析

本零件表面淬火的技術難點在于：1）表面淬火區域的準確控制。推筒支撐座的兩軸的外表面淬火區域與推筒支撐座的垂直面距離很近。在感應線圈設計時，必須考慮此情況，精確控制感應線圈的尺寸，以及機床進給距離，來控制好與推筒支撐座垂直面的距離，以免誤將不需要加熱的垂直面也進行了加熱。2）表面淬火深度的控制。主要是控制感應電流和感應時間，以達到技術要求。3）表面淬火區域均勻性和連續性的控制。對要淬火區域進行均勻、連續加熱，以確保均勻的淬火深度。本文經過對感應線圈精確設計和感應電流的精確控制，在實踐中反復實驗，解決了上述難題，確保了產品質量的穩定性，同時也提高了批量生產的效率。

2.3 加工余量預留

作為零件加工工藝流程中的一個工序，由于表面淬火工藝過程中工件表面發生劇烈的馬氏體相變過程，淬火區域變形量較大。所以淬火后的工件表面質量不高。當對表面淬火區域相關尺寸精度要求較高時，表面淬火產生的變形可能導致該處尺寸精度無法滿足要求。在這種情況下，有必要進行后續的精加工以滿足尺寸要求。因此，必須在表面淬火前預留一定的加工余量。加工余量的選擇，應根據零件的結構特點、尺寸精度要求和后續工藝要求等因素來確定。

本文推筒支撐座的尺寸要求為：軸臂外圓直徑最終尺寸為φ25.58～φ25.593 mm，即φ25.6g6 mm，屬于IT6級公差，公差等級相對較高。表面淬火層深度（約1 mm）與該公差0.013 mm相比較大。為了保證后續精加工能夠達到尺寸公差和幾何公差（兩軸臂之間的同軸度）要求，軸臂必須留足余量。經試驗驗證，完全淬透區大約占淬火深度層40%～60%左右，因而應留0.1～0.2 mm以上的加工余量。軸臂表面淬火后需在有心磨床上磨削，而且表面淬火后工件表層硬度增大，切削相對困難，余量不應過大，一般應在0.5～0.6 mm以下。綜合考慮推筒支撐座兩側軸臂的功能、結構特點、尺寸精度等因素，表面淬火加工余量可以控制為0.2～0.5 mm。在實際工藝實施時，本文留取0.3 mm的加工余量，以便于后續精加工的進行。

U形槽槽寬最終尺寸要求達到27～27.084 mm，即27H10，屬于IT10級公差，公差等級較低。此處對工件加熱面積小，工件變形較小，在最終尺寸公差等級較低的情況下，可以適當調整加工余量。為便于后續的槽類精加工，此處預留0.02～0.10 mm加工余量即可。在實際工藝實施時，留取0.02 mm的加工余量。

2.4 感應線圈設計

感應線圈是表面感應加熱的關鍵器件，直接影響加熱效果，包括溫度變化速率、加熱區域甚至溫度場分布狀態等。在設計感應線圈時，首先確定線圈結構。在本文中，使用螺旋管線及變形線圈，這種線圈常見于中頻到高頻感應加熱；計算確定線圈匝數和線圈電氣參數，如振蕩電路電容、整體負載等，可以使用計算程序或模擬程序確定；最后確定線圈的具體形狀和相關尺寸[8-9]。

感應加熱線圈的設計取決于表面淬火工藝，尤其是加熱溫度、溫度分布、升溫降溫速率等。為保證耦合效果，線圈的形狀應滿足加工的需要，必要時要與被加熱區域的形狀在某種程度上相類似。本文研究的零件的感應加熱區域從幾何特征上分別屬于圓柱外表面（推筒支撐座兩側軸臂）和內表面（推筒支撐座U形槽）。因此，線圈的纏繞形狀應分別符合相應尺寸（即外軸臂圓柱面φ25.6、φ27和槽內圓柱面φ27），本文使用環形螺旋管線及U形變形線圈?？梢允褂糜嬎愠绦蚧蚰M程序確定線圈匝數和線圈電氣參數，振蕩電路電容、整體負載等；最后通過試工藝驗法確認感應加熱的實際效果，并以此為根據對線圈進行改進，才能得到符合熱處理要求的線圈。本文所用的感應加熱線圈就是基于以上內容設計得到。本文所用表面淬火軸臂感應線圈淬火工裝如圖3（a）所示。

圖3 實驗裝置

2.5 淬火機床的選擇及數控程序設計

1）機床選擇。在制動系統關鍵零部件大規模批量生產中，生產效率和質量控制是關鍵問題之一。為提高生產效率，并確保產品質量的穩定性，正確實施工件的熱處理工藝，推薦使用支持CNC數控程序編程的機床實現工件的表面淬火。數控機床能夠保證熱處理參數的穩定，不會因為人員更換等其他原因，而出現產品質量問題。根據推筒支撐座的尺寸及淬火技術要求，本文采用上海恒精HKVP-50T型立式數控高頻淬火機床（如圖3（b））進行表面淬火，淬火頻率為250 kHz。該機床采用工件移動方式對零件進行淬火，適用于小型軸類、盤類零件的連續移動淬火、整體加熱淬火。機床分為單軸、雙軸、單工位、雙工位等多種結構形式，支持西門子數控系統控制，并通過PLC與中高頻電源聯機，實現零件淬火過程自動化，具有通用性強、編程直觀、程序便于維護等優點。

2）機床數控程序設計。推筒支撐座表面淬火機床CNC程序基本流程如下：開始→工件旋轉→感應線圈加熱→工件移動→噴淋淬火→停機取件。推筒支撐座表面淬火工藝CNC代碼主要由程序流程控制語句、基本表面淬火工藝代碼組成（如表1）。實施表面淬火最關鍵的指令是旋轉指令（包括旋轉速率、旋轉方向、旋轉開始和停止的時刻）、加熱指令（包括加熱電參數、升溫降溫速率、加熱開始和停止的時刻）和噴液指令（表面淬火液噴射速率、噴射流量、噴射開始和停止的時刻等）。在程序的編制中，既可以使用離線模擬，也可使用示教方式進行“空走”，觀察程序運行過程中有無錯誤和工件、機床的運動干涉情況。經確認程序無誤后，才能開始工件的表面淬火工藝試制。

綜上所述，推筒支撐座兩側軸臂外表面和U形槽內表面的工藝路線：預留加工余量→高頻淬火（工件裝夾、淬火）→回火（3 h以內）→探傷→精加工到尺寸。

2.6 感應加熱表面淬火質量檢查

1）無損檢測。工件裂紋是表面淬火工藝常見的缺陷之一，裂紋產生的主要原因是由于表面淬火過程中零件升溫速度快、冷卻速度快，零件內部發生劇烈相變，從而產生很強的內部應力，裂紋的產生原因相對復雜，不僅與表面淬火工藝相關，還與基體狀態、上游工序相關[10]。當基體材質成分雜質元素含量相對較高（這種情況在料頭料尾中較為常見），基體組織晶粒粗大、枝晶偏析嚴重時，表面淬火裂紋出現概率相對較大。上游加工工藝不良時，如機加工刀具狀態不良導致表面細微裂紋或粗糙度較差，都會形成表面淬火的裂紋源。在表面淬火工藝中，由于表面加熱升溫、降溫速度較快，馬氏體轉變的相變應力較大，當溫度變化、淬火介質等選擇不良時，也會造成表面淬火裂紋。因此，表面淬火裂紋的產生原因相對復雜，必須綜合考慮可能會出現淬火裂紋。裂紋主要出現在表面處理與非表面處理的過渡區域。作為基礎制動單元的關鍵零件，為保證其關鍵功能的可靠性，推筒支撐座表面淬火后應進行裂紋檢測，避免開裂風險，以確保產品質量。常用的數控CNC機床數控程序如表1所示。

生產中經常用的工件表面裂紋無損檢測方法有磁粉探傷、滲透探傷、超聲波探傷、射線檢測等。綜合考慮到推筒支撐座零件的大規模批量生產的效率、經濟效益，以及方法的適應性，本文經過試驗對比，在批量生產工件百檢和抽檢時用熒光探傷，在零件試制、表面淬火工藝改進時用超聲探傷，更加符合實際生產需要。

2）淬火后的組織觀察。對推筒支撐座成品零件的兩側軸臂沿軸線切開后的縱截面磨平、拋光，再用3%硝酸酒精溶液腐蝕，觀察表面淬火區域的宏觀組織，如圖4所示。

圖4 淬火區域

推筒支撐座兩側軸臂表面淬火顯微組織（中央局部）如圖5（a）所示，推筒支撐座U形槽內表面淬火顯微組織（邊緣局部）如圖5（b）所示。從圖中可明顯地看出，表層淬火馬氏體組織比基體組織晶粒細化。

圖5 淬火區域微觀

3）表面硬度及硬化層深度測量。本文使用洛氏硬度（硬度標尺HRC）測量淬火區域的硬度，測量結果范圍為52～54 HRC。硬化層是指從表面全部馬氏體（100%） 到半馬氏體（50%）的這一段距離。測量的淬火深度范圍為1.05～1.75 mm。

推筒支撐座的表面淬火工藝確定后，對于批量生產而言，其工藝質量的穩定性對于工件的總體質量至關重要。圖6統計了4個月內5個生產批次推筒支撐座表面淬火區域硬化層深度和表面硬度。從圖6中可見，批量生產的推筒支撐座的表面淬火區域硬化層深度分布也呈現出一定的均勻性和穩定性，而且淬火區表面硬度也均在50～55 HRC之間，體現出本文所述的表面淬火工藝的批量生產穩定性和可靠性，對于機械加工中的其它關鍵零部件的表面淬火也有借鑒價值和推廣意義。

圖6 4個月內5個生產批次推筒支撐座表面淬火區域硬化層深度和表面硬度關系圖

3 結論

1）工件表面淬火預留加工量的選擇，應根據零件的結構特點、尺寸和精度要求，以及整個工藝路線的后續工藝要求等因素確定。

2）表面淬火工藝感應加熱線圈設計應根據工件要求表面淬火區域的幾何形狀特點，分別按照選擇線圈結構、計算確定線圈匝數和線圈電氣參數，最終確定線圈的具體形狀和相關尺寸，保證線圈與表面淬火區域的熱耦合性；感應器的形狀、與工件表面的間隔距離是影響淬火硬化層的分布和深度的關鍵因素，應予以高度重視。感應器與零件之間的間隙應盡量?。还ぜ难b夾夾緊力沒有必要太大，只要保證工件表面與電極接觸良好即可。

3）為保證批量生產效率和質量控制，應使用數控淬火機床對表面淬火工藝實施自動化控制。控制程序最好為CNC兼容代碼，以便保證通用性。

4）表面淬火工藝在批量生產時，尤其在工藝試制時，關鍵零部件的淬火區域應進行表面無損探傷。在發現表面缺陷時，應先從材質入手，再調整表面淬火工藝參數（如淬火液選擇、加熱時間等）。

5）為提高電極的使用壽命，電極要用具有高溫強度的銅鉻合金制造。淬火時電極要用淬火介質冷卻，否則會降低電極壽命。