實例:鐘形殼淬火感應(yīng)器及夾具的設(shè)計
為了增大汽車轉(zhuǎn)矩,均會使用到驅(qū)動橋總成,目前采用最多的是球籠式驅(qū)動橋總成。此種驅(qū)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(lián)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(yīng)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(qū)域內(nèi)有楞,應(yīng)該說在感應(yīng)淬火區(qū)域內(nèi)很忌諱有薄壁、臺階等結(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)生的過熱和淬火裂紋,我們從感應(yīng)器結(jié)構(gòu)及淬火工藝上進行了設(shè)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(jié)構(gòu),圖中A、B兩段所示區(qū)域要求進行感應(yīng)淬火,圖1中A段感應(yīng)淬火(軸類+臺階),且凸臺及端面的淬硬層要求連續(xù)。對于軸類零件來說,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)過感應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)
圖1中B段感應(yīng)淬火屬空心薄壁類零件,感應(yīng)淬火難點在于孔壁淬透或淬火層過深,否則會發(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)加熱淬火工藝等問題,進行科學(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(nèi)腔,550HV)硬化層深DS=1.5~2.6mm(前后各0~5mm過渡區(qū));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(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。
二、存在問題及注意事項
1)帶臺階的軸或軸頸,硬化區(qū)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(qū)距圓角處距離應(yīng)當(dāng)在0~5mm,以避免過渡區(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)致為了消除變形進行拉削修正時,時常發(fā)生拉因不動而損壞拉刀現(xiàn)象,對內(nèi)花鍵的冷卻是關(guān)鍵。3)鐘形殼在感應(yīng)淬火過程中旋轉(zhuǎn)定位加熱的起始設(shè)定,是進一步確保淬火質(zhì)量的控制、操作方法簡單可靠,易于實施、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(臺階處淬硬層連續(xù))及B段(薄壁內(nèi)腔)應(yīng)同時滿足淬火質(zhì)量要求,因此對其感應(yīng)器設(shè)計及淬火工藝調(diào)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(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,要將間隙放大;中間一段是由兩根立柱來加熱,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,此段可分成兩個區(qū)段,一段加熱圓角(所加導(dǎo)磁體的開口面向圓角),另一段的截面變成矩形(所加導(dǎo)磁體的開口面向底面),花鍵部分加熱感應(yīng)器實物如圖4所示,鐘形殼內(nèi)腔部分加熱感應(yīng)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(yīng)器實物
圖5 鐘形殼內(nèi)腔部分加熱感應(yīng)器實物
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床,如圖7所示。使用的工藝參數(shù)見表1。
表1 鐘形殼淬火用工藝參數(shù)
圖7 鐘形殼淬火用機床及電源
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 花鍵金相檢驗取樣
圖9 花鍵金相組織(4級馬氏體)
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)腔金相檢驗取樣
圖11 內(nèi)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(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,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)器存在的問題及防止措施。1)上端加了兩個導(dǎo)磁體,是為了增加淬層長度。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)噴水時間加長,是為了試件冷卻。15s時工件余溫太高,會產(chǎn)生低溫回火。(2)鐘形殼內(nèi)腔感應(yīng)器存在問題技術(shù)要求淬硬層深為1.5~2.6mm,實際測量為1.8~3.2mm。
五、結(jié)束語
首先,由于該零件上同時有端面及凸緣感應(yīng)淬火疑難結(jié)構(gòu)的存在,導(dǎo)致在實施局部感應(yīng)淬火時,易產(chǎn)生尖角效應(yīng),即在局部感應(yīng)淬火時,位于尖角處的電流密集,易產(chǎn)生過熱或過燒現(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(diào)整感應(yīng)器長度,即在感應(yīng)器上端長度增加4mm、下端感應(yīng)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(yīng)器的設(shè)計及導(dǎo)磁體的合理布局,并通過感應(yīng)器間隙大小及加熱冷卻時間等工藝參數(shù)的調(diào)整,避免了凸緣處的電流密集及過熱、過燒等現(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。通過調(diào)整零件移動速度,由S1200調(diào)至S1300,試驗后結(jié)果達到圖樣技術(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,對內(nèi)花鍵進行適宜的冷卻,保證在零件表面加熱時,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,達到了產(chǎn)品設(shè)計要求,提高了產(chǎn)品質(zhì)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(yīng)設(shè)備有限公司
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