實(shí)例：鐘形殼淬火感應(yīng)器及夾具的設(shè)計(jì)
為了增大汽車轉(zhuǎn)矩，均會(huì)使用到驅(qū)動(dòng)橋總成，目前采用最多的是球籠式驅(qū)動(dòng)橋總成。此種驅(qū)動(dòng)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(dòng)問(wèn)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(rùn)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(duì)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(shí)硬化區(qū)域內(nèi)有楞，應(yīng)該說(shuō)在感應(yīng)淬火區(qū)域內(nèi)很忌諱有薄壁、臺(tái)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。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(guò)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(jì)，并對(duì)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(tái)階），且凸臺(tái)及端面的淬硬層要求連續(xù)。對(duì)于軸類零件來(lái)說(shuō)，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(guò)感應(yīng)加熱表面淬火后，不僅在表層上會(huì)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(duì)軸類零件在疲勞和磨損以及沖擊條件下工作來(lái)說(shuō)，不僅是必要的，而且是十分有利的。
圖1 汽車鐘形殼零件結(jié)構(gòu)
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(diǎn)在于孔壁淬透或淬火層過(guò)深，否則會(huì)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(duì)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(wèn)題，進(jìn)行科學(xué)分析，才能取得預(yù)期的效果。
一、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(cè)量（512HV）DS＝4.2～6.8mm；臺(tái)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(guò)渡區(qū)）；硬化層深度：首檢檢測(cè)時(shí)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。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(yàn)。
二、存在問(wèn)題及注意事項(xiàng)
1）帶臺(tái)階的軸或軸頸，硬化區(qū)最好從臺(tái)階根部圓角處開(kāi)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(guò)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(shí)，時(shí)常發(fā)生拉因不動(dòng)而損壞拉刀現(xiàn)象，對(duì)內(nèi)花鍵的冷卻是關(guān)鍵。3）鐘形殼在感應(yīng)淬火過(guò)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(jiǎn)單可靠，易于實(shí)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(tái)階處淬硬層連續(xù)）及B段（薄壁內(nèi)腔）應(yīng)同時(shí)滿足淬火質(zhì)量要求，因此對(duì)其感應(yīng)器設(shè)計(jì)及淬火工藝調(diào)整有很大的難度，故需進(jìn)一步工藝試驗(yàn)研究。
三、工藝研究
1、感應(yīng)器及夾具設(shè)計(jì)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。
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)
以鐘形殼花鍵部分有效圈為例加以說(shuō)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(shí)，要將間隙放大；中間一段是由兩根立柱來(lái)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(shí)，此段可分成兩個(gè)區(qū)段，一段加熱圓角（所加導(dǎo)磁體的開(kāi)口面向圓角），另一段的截面變成矩形（所加導(dǎo)磁體的開(kāi)口面向底面），花鍵部分加熱感應(yīng)器實(shí)物如圖4所示，鐘形殼內(nèi)腔部分加熱感應(yīng)器實(shí)物如圖5所示，鐘形殼淬火用夾具如圖6所示。
圖4 鐘形殼花鍵部分加熱感應(yīng)器實(shí)物
圖5 鐘形殼內(nèi)腔部分加熱感應(yīng)器實(shí)物
圖6 淬火用夾具
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(jiàn)表1。
表1 鐘形殼淬火用工藝參數(shù)
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。
圖8 花鍵金相檢驗(yàn)取樣
圖9 花鍵金相組織（4級(jí)馬氏體）
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。
圖10 內(nèi)腔金相檢驗(yàn)取樣
圖11 內(nèi)腔金相組織（4級(jí)馬氏體）
淬火工藝試驗(yàn)編程如下：
程序號(hào)：00012（鐘形殼花鍵）
N0010 G00X-193.318
N0020 M00
N0030 M03
N0040 G04X4
N0050 M06 S1600
N0060 G04X7.7
N0070 M07
N0080 M18
N0090 G04X17
N0100 M19
N0110 M05
N0120 G28X0.
N0130 M30
程序號(hào)：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(cè)，未發(fā)現(xiàn)缺陷磁痕顯示。
四、結(jié)果分析
（1）鐘形殼花鍵感應(yīng)器存在的問(wèn)題及防止措施。1）上端加了兩個(gè)導(dǎo)磁體，是為了增加淬層長(zhǎng)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(shí)間加長(zhǎng)，是為了試件冷卻。15s時(shí)工件余溫太高，會(huì)產(chǎn)生低溫回火。（2）鐘形殼內(nèi)腔感應(yīng)器存在問(wèn)題技術(shù)要求淬硬層深為1.5～2.6mm，實(shí)際測(cè)量為1.8～3.2mm。
五、結(jié)束語(yǔ)
首先，由于該零件上同時(shí)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(shí)施局部感應(yīng)淬火時(shí)，易產(chǎn)生尖角效應(yīng)，即在局部感應(yīng)淬火時(shí)，位于尖角處的電流密集，易產(chǎn)生過(guò)熱或過(guò)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(zhǎng)度不夠，不合格。上端要求1～5mm未淬到。下端要求10.5mm淬火長(zhǎng)度，實(shí)際為7.8mm，需增加淬火長(zhǎng)度。通過(guò)調(diào)整感應(yīng)器長(zhǎng)度，即在感應(yīng)器上端長(zhǎng)度增加4mm、下端感應(yīng)器長(zhǎng)度增加3mm的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，最終使問(wèn)題得以圓滿解決。最后，通過(guò)感應(yīng)器的設(shè)計(jì)及導(dǎo)磁體的合理布局，并通過(guò)感應(yīng)器間隙大小及加熱冷卻時(shí)間等工藝參數(shù)的調(diào)整，避免了凸緣處的電流密集及過(guò)熱、過(guò)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。通過(guò)調(diào)整零件移動(dòng)速度，由S1200調(diào)至S1300，試驗(yàn)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(duì)內(nèi)花鍵進(jìn)行適宜的冷卻，保證在零件表面加熱時(shí)，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。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(jì)要求，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)：略。
作者：范潔，夏元偉，梁智杰，宋京霏，梁朋濤，趙海洋
單位：洛陽(yáng)法拉地感應(yīng)設(shè)備有限公司
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