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內球籠鐘形殼熱處理變形控制方法

內球籠和外球籠統稱為球籠，被稱作“等速萬向節”，是轎車傳動系統中的重要部件，其作用是將發動機的動力從變速器傳遞到兩個前車輪，驅動轎車高速行駛。而鐘形殼是汽車用等速萬向節至關重要的零件之一，它主要由工作部分和聯結部分組成，工作部分由內球面及若干溝道組成，聯結部分由柄部的臺階面、外花鍵和外螺紋等組成。

在工作過程中，外花鍵柄部主要承受車輛啟動和制動時的扭矩及一定的彎曲載荷，有時還要承受車輛啟動和制動時因突然加速和減速所產生的沖擊載荷。故其外花鍵柄部受到的應力主要為彎曲加扭轉應力。內腔溝道表面則要承受傳動軸傳遞扭矩時沿周向產生的鋼球擠壓，以及車輛在轉向過程中鋼球沿溝道方向運動所產生的磨損。

由于鐘形殼工作承受極其復雜的交變載荷，為確保外花鍵齒面具有足夠的硬度，外花鍵柄部具有高的強度、良好的耐沖擊韌性和抗疲勞性能；內腔溝道表面具有高硬度、高耐磨性和高接觸疲勞極限。鐘形殼一般選用滲碳鋼，再經過表面滲碳后淬火、回火處理，達到所要求的硬度、強度和韌性等使用性能要求。

本文對20CrMnTi內球籠鐘形殼在熱處理滲碳淬火過程中變形控制辦法進行了研究。

1.技術條件

0458D型內球籠鐘形殼的加工工藝路線為：鍛造→正火→粗加工→熱處理（滲碳淬火+回火）→精加工→成品。

尺寸及技術要求如下：內徑￠53.04mm，壁厚8mm，有效硬化層0.8～1.2mm，芯部硬度35～48HRC，橢圓變形0.1mm以內。

檢測儀器：洛氏硬度計、顯微維氏硬度計、通止規和圓度儀。

2.內球籠鐘形殼變形控制方法

0458D型內球籠鐘形殼內腔溝道在滲碳淬火過程中易產生淬火變形，若變形較大，會影響后續的裝配和使用，所以應控制好內球籠鐘形殼的變形量。筆者分析機加工、工裝、熱處理工藝、淬火冷卻介質、攪拌方式等都是決定淬火變形的因素，本文著重研究了淬火冷卻介質、工藝及機加工對內球籠鐘形殼變形的影響。

（1）合理選擇油品

熱處理設備為多用爐，生產初期使用某快速油淬火，超過75%的工件因內腔道變形較大而影響產品質量，筆者通過改變滲碳時間、淬火溫度及保溫時間、碳勢及滲碳時間、油溫及攪拌頻率等來降低內腔變形量，結果都不理想，最佳情況是工件變形超標比例為55%，圖1為0458D型內球籠鐘形殼外觀圖，圖2為鐘形殼裝爐方式。

圖1  工件外形圖

 圖2 工件裝爐方式

采用快速油淬火，鐘形殼花鍵部位硬化層深1.0～1.1mm，芯部硬度40～45HRC，能獲得較深的淬硬層及較高的芯部硬度，但仍不能夠有效減小內腔變形，抽檢498只零件，55%的零件變形超標，且矯正非常困難，部分部位硬化層過深，達1.3mm以上，超出標準。表1為變形超標的0458D型鐘形殼熱處理后內圈尺寸，從表1中可以看出變形超標的鐘形殼熱處理后至少有一個方向的變形量超過偏差（偏差≤+0.10mm）范圍，內徑偏差超差最大達9s。

表  1 

注：標準53.04mm（偏差≤+0.10mm）。

筆者分析認為應該是選擇了不合適的淬火油，導致淬火后內應力較大，使得變形量較大。根據筆者相關技術經驗，認為淬火油需要具備以下基本性能：

①具有較好的破膜能力，以改善淬火冷卻的均勻性（即較高的特性溫度）。

②足夠的冷卻能力，以保證有效硬化層的要求。

③較低的低溫冷速，減小組織應力，利于控制變形。

④科學合理的冷卻分布，有效的控制淬火工件的應力分布。所以，決定使用等溫分級淬火油KR 498進行淬火。

按照ISO/DIS 9950標準規定的方法檢測了原快速淬火油和KR498的冷卻特性，原快速淬火油與KR498淬火油冷卻特性曲線如圖3所示，從圖3中可以看出科潤公司的等溫分級淬火油KR498特性溫度更高，蒸汽膜階段短，低溫冷速更慢，使得工件在淬火冷卻過程中破膜能力更強，低溫組織轉變應力更小，在保證淬透性的前提下，能夠有效地降低工件的變形量。

圖3 冷卻特性曲線

采用相同工藝，使用等溫分級淬火油KR498進行淬火，油溫120℃。對淬火后的工件進行檢測，抽檢450只零件，22%的零件變形超標，硬化層深及芯部硬度全部滿足要求。

（2）合理選擇工藝

圖4是原淬火工藝，換用KR498淬火后，鐘形殼的芯部硬度及硬化層深度均達到要求，但仍然有22%的工件變形量超出變形范圍。考慮到碳勢、滲碳時間、淬火溫度及保溫時間、淬火油溫、攪拌頻率等因素對變形的出現有重要影響，所以后期通過適當延長滲碳時間、提高淬火保溫區碳勢、提高淬火溫度及保溫時間、降低淬火油溫、提高攪拌頻率來降低鐘形殼內腔的變形量；最終發現采用圖5所示熱處理工藝時，抽檢530只零件，僅5%的零件變形超標，表2為變形超標的0458D型鐘形殼熱處理后內圈尺寸。

圖4 原熱處理工藝

圖5 改進后的工藝

表  2

注：標準53.04mm（偏差≤+0.10mm）。

（3）合理控制機加工量

換用KR498淬火后，通過調整碳勢、滲碳時間、淬火溫度及保溫時間、淬火油溫、攪拌頻率等來降低內腔變形量，鐘形殼的芯部硬度及硬化層深度均達到要求，但仍然有5%的工件變形量超出變形范圍，從表2中可以看出采用等溫分級淬火油KR498淬火時，變形超標的鐘形殼熱處理后均有一個方向的變形量超過偏差（偏差≤+0.10mm）范圍，偏差值超差在0.5～2.5s之間，筆者想到可通過調整機加工余量適當補償熱處理過程中產生的變形。

表3為隨機檢測的0458D型鐘形殼熱處理前內圈尺寸，筆者將鐘形殼內腔的機加工標準尺寸減小0.04mm，熱處理前鐘形殼內腔實際標準尺寸減小為53.12mm，通過此調整，僅有2%～3%的0458D型鐘形殼熱處理后變形超標。

表  3

注：標準53.16mm（偏差≤+0.06mm）。

3.結語

（1）內球籠鐘形殼在進行熱處理過程中，選擇特性溫度較高，低溫冷速較慢的淬火油，能夠在保證工件淬透性的前提下，有效地控制工件的變形量。

（2）在使用等溫分級淬火油KR498對20CrMnTi內球籠鐘形殼進行熱處理過程中，控制好淬火溫度、滲碳保溫時間、淬火油溫、攪拌頻率等因素有利于降低淬火變形。

（3）合理控制機加工量也有助于控制內球籠鐘形殼熱處理后的裝配精度。

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