實例：鐘形殼淬火感應器及夾具的設計
為了增大汽車轉矩，均會使用到驅動橋總成，目前采用最多的是球籠式驅動橋總成。此種驅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，為此我們采用感應淬火工藝對其進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，同時硬化區域內有楞，應該說在感應淬火區域內很忌諱有薄壁、臺階等結構存在，這些結構經常是淬火裂紋的根源。但由于零件的功能需要，這些結構又必須存在，導致其淬火工藝難度加大。為避免尖角效應產生的過熱和淬火裂紋，我們從感應器結構及淬火工藝上進行了設計，并對其淬火工藝進行了研究。
圖1為一種汽車鐘形殼零件結構，圖中A、B兩段所示區域要求進行感應淬火，圖1中A段感應淬火（軸類+臺階），且凸臺及端面的淬硬層要求連續。對于軸類零件來說，一般要求硬化層較深。而滲碳等化學熱處理常因硬化層太淺而較少采用，火焰表面淬火的質量又遠不及表面感應淬火易于控制，故軸類零件很適宜采用感應表面硬化處理。軸類零件經過感應加熱表面淬火后，不僅在表層上會獲得高的硬度、強度和耐磨性，而且還具有一定的殘余壓應力，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 汽車鐘形殼零件結構
圖1中B段感應淬火屬空心薄壁類零件，感應淬火難點在于孔壁淬透或淬火層過深，否則會發生花鍵變形，為使感應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加熱淬火工藝等問題，進行科學分析，才能取得預期的效果。
一、鐘形殼零件技術要求
鐘形殼材質為55鋼，預先熱處理為調質，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（內腔，550HV）硬化層深DS＝1.5～2.6mm（前后各0～5mm過渡區）；硬化層深度：首檢檢測時淬硬層要達到中差，淬硬層形狀達到圖樣要求。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→車內腔面→滾壓花鍵→滾壓螺紋→車內腔面→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。
二、存在問題及注意事項
1）帶臺階的軸或軸頸，硬化區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，硬化區距圓角處距離應當在0～5mm，以避免過渡區的拉應力出現在應力集中部位。2）為防止鐘形殼內腔淬透或淬硬層不符合要求（太深或太淺）引起花鍵變形，導致為了消除變形進行拉削修正時，時常發生拉因不動而損壞拉刀現象，對內花鍵的冷卻是關鍵。3）鐘形殼在感應淬火過程中旋轉定位加熱的起始設定，是進一步確保淬火質量的控制、操作方法簡單可靠，易于實施、質量穩定，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）及B段（薄壁內腔）應同時滿足淬火質量要求，因此對其感應器設計及淬火工藝調整有很大的難度，故需進一步工藝試驗研究。
三、工藝研究
鐘形殼花鍵部分加熱感應器結構如圖2所示，鐘形殼內腔部分加熱感應器結構如圖3所示。
圖2 鐘形殼花鍵部分加熱感應器結構
圖3 鐘形殼內腔部分加熱感應器結構
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＜150°，當采用180°時，要將間隙放大；中間一段是由兩根立柱來加熱，此立柱上應加裝導磁體；下段加熱軸的圓角部分，此段也要加導磁體。當與圓角相連的法蘭面也要加熱時，此段可分成兩個區段，一段加熱圓角（所加導磁體的開口面向圓角），另一段的截面變成矩形（所加導磁體的開口面向底面），花鍵部分加熱感應器實物如圖4所示，鐘形殼內腔部分加熱感應器實物如圖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器實物
圖5 鐘形殼內腔部分加熱感應器實物
圖6 淬火用夾具
根據圖樣要求，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床，如圖7所示。使用的工藝參數見表1。
表1 鐘形殼淬火用工藝參數
圖7 鐘形殼淬火用機床及電源
鐘形殼花鍵部分加熱感應器與處理面間隙：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 花鍵金相檢驗取樣
圖9 花鍵金相組織（4級馬氏體）
鐘形殼內腔部分加熱感應器與處理面間隙：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 內腔金相檢驗取樣
圖11 內腔金相組織（4級馬氏體）
淬火工藝試驗編程如下：
程序號：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：00015（鐘形殼內腔）
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
四、結果分析
2）從27kHz降至6.27kHz，是為了增加淬火層深。3）與感應器距離增加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，會產生低溫回火。技術要求淬硬層深為1.5～2.6mm，實際測量為1.8～3.2mm。
五、結束語
首先，由于該零件上同時有端面及凸緣感應淬火疑難結構的存在，導致在實施局部感應淬火時，易產生尖角效應，即在局部感應淬火時，位于尖角處的電流密集，易產生過熱或過燒現象，甚至產生淬火裂紋，故感應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。通過調整感應器長度，即在感應器上端長度增加4mm、下端感應器長度增加3mm的情況下進行試驗，最終使問題得以圓滿解決。最后，通過感應器的設計及導磁體的合理布局，并通過感應器間隙大小及加熱冷卻時間等工藝參數的調整，避免了凸緣處的電流密集及過熱、過燒等現象，防止了淬火裂紋的產生，使得凸緣處感應淬火的淬硬層深度得到有效控制，且淬硬層連續，分布均勻，繼而提升了淬火質量。通過調整零件移動速度，由S1200調至S1300，試驗后結果達到圖樣技術要求。鐘形殼內腔零件裝在心軸上后，心軸噴水孔要一直噴水，對內花鍵進行適宜的冷卻，保證在零件表面加熱時，內花鍵基本不受熱。這種輔助冷卻方法，適用于薄壁零件的感應淬火。程序編制合理，配合優化的工藝參數，滿足了鐘形殼花鍵及內腔所需的淬火硬度、淬硬層深度以及淬火均勻性，且熱處理后變形小，達到了產品設計要求，提高了產品質量。
參考文獻：略。
作者：范潔，夏元偉，梁智杰，宋京霏，梁朋濤，趙海洋
單位：洛陽法拉地感應設備有限公司
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