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內(nèi)球籠鐘形殼熱處理變形控制方法

內(nèi)球籠和外球籠統(tǒng)稱為球籠，被稱作“等速萬向節(jié)”，是轎車傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要部件，其作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力從變速器傳遞到兩個(gè)前車輪，驅(qū)動(dòng)轎車高速行駛。而鐘形殼是汽車用等速萬向節(jié)至關(guān)重要的零件之一，它主要由工作部分和聯(lián)結(jié)部分組成，工作部分由內(nèi)球面及若干溝道組成，聯(lián)結(jié)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(dòng)和制動(dòng)時(shí)的扭矩及一定的彎曲載荷，有時(shí)還要承受車輛啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)因突然加速和減速所產(chǎn)生的沖擊載荷。故其外花鍵柄部受到的應(yīng)力主要為彎曲加扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。內(nèi)腔溝道表面則要承受傳動(dòng)軸傳遞扭矩時(shí)沿周向產(chǎn)生的鋼球擠壓，以及車輛在轉(zhuǎn)向過程中鋼球沿溝道方向運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的磨損。

由于鐘形殼工作承受極其復(fù)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(qiáng)度、良好的耐沖擊韌性和抗疲勞性能；內(nèi)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(jīng)過表面滲碳后淬火、回火處理，達(dá)到所要求的硬度、強(qiáng)度和韌性等使用性能要求。

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

1.技術(shù)條件

0458D型內(nèi)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(shù)要求如下：內(nèi)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(nèi)。

檢測儀器：洛氏硬度計(jì)、顯微維氏硬度計(jì)、通止規(guī)和圓度儀。

2.內(nèi)球籠鐘形殼變形控制方法

0458D型內(nèi)球籠鐘形殼內(nèi)腔溝道在滲碳淬火過程中易產(chǎn)生淬火變形，若變形較大，會影響后續(xù)的裝配和使用，所以應(yīng)控制好內(nèi)球籠鐘形殼的變形量。筆者分析機(jī)加工、工裝、熱處理工藝、淬火冷卻介質(zhì)、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(zhì)、工藝及機(jī)加工對內(nèi)球籠鐘形殼變形的影響。

（1）合理選擇油品

熱處理設(shè)備為多用爐，生產(chǎn)初期使用某快速油淬火，超過75%的工件因內(nèi)腔道變形較大而影響產(chǎn)品質(zhì)量，筆者通過改變滲碳時(shí)間、淬火溫度及保溫時(shí)間、碳勢及滲碳時(shí)間、油溫及攪拌頻率等來降低內(nèi)腔變形量，結(jié)果都不理想，最佳情況是工件變形超標(biāo)比例為55%，圖1為0458D型內(nèi)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(nèi)腔變形，抽檢498只零件，55%的零件變形超標(biāo)，且矯正非常困難，部分部位硬化層過深，達(dá)1.3mm以上，超出標(biāo)準(zhǔn)。表1為變形超標(biāo)的0458D型鐘形殼熱處理后內(nèi)圈尺寸，從表1中可以看出變形超標(biāo)的鐘形殼熱處理后至少有一個(gè)方向的變形量超過偏差（偏差≤+0.10mm）范圍，內(nèi)徑偏差超差最大達(dá)9s。

表  1 

注：標(biāo)準(zhǔn)53.04mm（偏差≤+0.10mm）。

筆者分析認(rèn)為應(yīng)該是選擇了不合適的淬火油，導(dǎo)致淬火后內(nèi)應(yīng)力較大，使得變形量較大。根據(jù)筆者相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)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(yīng)力，利于控制變形。

④科學(xué)合理的冷卻分布，有效的控制淬火工件的應(yīng)力分布。所以，決定使用等溫分級淬火油KR 498進(jìn)行淬火。

按照ISO/DIS 9950標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(qiáng)，低溫組織轉(zhuǎn)變應(yīng)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(jìn)行淬火，油溫120℃。對淬火后的工件進(jìn)行檢測，抽檢450只零件，22%的零件變形超標(biāo)，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(dá)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(shí)間、淬火溫度及保溫時(shí)間、淬火油溫、攪拌頻率等因素對變形的出現(xiàn)有重要影響，所以后期通過適當(dāng)延長滲碳時(shí)間、提高淬火保溫區(qū)碳勢、提高淬火溫度及保溫時(shí)間、降低淬火油溫、提高攪拌頻率來降低鐘形殼內(nèi)腔的變形量；最終發(fā)現(xiàn)采用圖5所示熱處理工藝時(shí)，抽檢530只零件，僅5%的零件變形超標(biāo)，表2為變形超標(biāo)的0458D型鐘形殼熱處理后內(nèi)圈尺寸。

圖4 原熱處理工藝

圖5 改進(jìn)后的工藝

表  2

注：標(biāo)準(zhǔn)53.04mm（偏差≤+0.10mm）。

（3）合理控制機(jī)加工量

換用KR498淬火后，通過調(diào)整碳勢、滲碳時(shí)間、淬火溫度及保溫時(shí)間、淬火油溫、攪拌頻率等來降低內(nèi)腔變形量，鐘形殼的芯部硬度及硬化層深度均達(dá)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(shí)，變形超標(biāo)的鐘形殼熱處理后均有一個(gè)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(diào)整機(jī)加工余量適當(dāng)補(bǔ)償熱處理過程中產(chǎn)生的變形。

表3為隨機(jī)檢測的0458D型鐘形殼熱處理前內(nèi)圈尺寸，筆者將鐘形殼內(nèi)腔的機(jī)加工標(biāo)準(zhǔn)尺寸減小0.04mm，熱處理前鐘形殼內(nèi)腔實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)尺寸減小為53.12mm，通過此調(diào)整，僅有2%～3%的0458D型鐘形殼熱處理后變形超標(biāo)。

表  3

注：標(biāo)準(zhǔn)53.16mm（偏差≤+0.06mm）。

3.結(jié)語

（1）內(nèi)球籠鐘形殼在進(jìn)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(nèi)球籠鐘形殼進(jìn)行熱處理過程中，控制好淬火溫度、滲碳保溫時(shí)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(jī)加工量也有助于控制內(nèi)球籠鐘形殼熱處理后的裝配精度。

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