为了增大汽车转矩，均会使用到驱动桥总成，目前采用最多的是球笼式驱动桥总成。此种驱动桥总成不论是圆弧球道还是直球道，都较好地解决了等速传动问题，并且传递工作角度大、效率高。但由于钟形壳大多采用花键联接，表面润滑效果差，影响了整体的扭矩性能，为此我们采用感应淬火工艺对其进行淬火以提高其硬度、耐磨性和使用寿命。本文所涉及的一种汽车钟形壳零件属空心轴类，壁厚为11.5mm，同时硬化区域内有楞，应该说在感应淬火区域内很忌讳有薄壁、台阶等结构存在，这些结构经常是淬火裂纹的根源。但由于零件的功能需要，这些结构又必须存在，导致其淬火工艺难度加大。为避免尖角效应产生的过热和淬火裂纹，我们从感应器结构及淬火工艺上进行了设计，并对其淬火工艺进行了研究。

 

图1为一种汽车钟形壳零件结构，图中A、B两段所示区域要求进行感应淬火，图1中A段感应淬火（轴类+台阶），且凸台及端面的淬硬层要求连续。对于轴类零件来说，一般要求硬化层较深。而渗碳等化学热处理常因硬化层太浅而较少采用，火焰表面淬火的质量又远不及表面感应淬火易于控制，故轴类零件很适宜采用感应表面硬化处理。轴类零件经过感应加热表面淬火后，不仅在表层上会获得高的硬度、强度和耐磨性，而且还具有一定的残余压应力，但心部则保持高的塑性和韧性。所有这些性能对轴类零件在疲劳和磨损以及冲击条件下工作来说，不仅是必要的，而且是十分有利的。

图1  汽车钟形壳零件结构

 

图1中B段感应淬火属空心薄壁类零件，感应淬火难点在于孔壁淬透或淬火层过深，否则会发生花键变形，为使感应加热表面淬火后的钟形壳零件能获得较高的疲劳性能，必须对硬化层深度、硬化层分布、合理确定硬度以及感应加热淬火工艺等问题，进行科学分析，才能取得预期的效果。

 

一、钟形壳零件技术要求

 

钟形壳材质为55钢，预先热处理为调质，硬度260～300HBW；A段硬化层深：花键层深从齿根处测量（512HV）DS＝4.2～6.8mm；台阶处（512HV）DS＝1.7～4.8mm；大轴颈处（512HV）DS＝0.9mm；B段（内腔，550HV）硬化层深DS＝1.5～2.6mm（前后各0～5mm过渡区）；硬化层深度：首检检测时淬硬层要达到中差，淬硬层形状达到图样要求。热处理硬度均为60～64HRC。

 

现行的加工艺流程如下：

毛坯锻造退火→钻中心孔→车外圆→车端面→车内腔面→滚压花键→滚压螺纹→车内腔面→倒角→铣滚道→铣倒角→铣倒角→攻螺纹→切卡圈槽→热处理→精加工→成品→检验。

 

二、存在问题及注意事项

 

1）带台阶的轴或轴颈，硬化区最好从台阶根部圆角处开始，以保证获得最好的疲劳寿命。如根部不需要淬硬，硬化区距圆角处距离应当在0～5mm，以避免过渡区的拉应力出现在应力集中部位。

 

2）为防止钟形壳内腔淬透或淬硬层不符合要求（太深或太浅）引起花键变形，导致为了消除变形进行拉削修正时，时常发生拉因不动而损坏拉刀现象，对内花键的冷却是关键。

 

3）钟形壳在感应淬火过程中旋转定位加热的起始设定，是进一步确保淬火质量的控制、操作方法简单可靠，易于实施、质量稳定，以及效率高的主要保证因素。

 

综上所述，图1中A段（台阶处淬硬层连续）及B段（薄壁内腔）应同时满足淬火质量要求，因此对其感应器设计及淬火工艺调整有很大的难度，故需进一步工艺试验研究。

 

三、工艺研究

 

1、感应器及夹具设计

钟形壳花键部分加热感应器结构如图2所示，钟形壳内腔部分加热感应器结构如图3所示。

图2  钟形壳花键部分加热感应器结构

图3  钟形壳内腔部分加热感应器结构

以钟形壳花键部分有效圈为例加以说明，其有效圈分三段：上段加热工件圆柱体上端一段，此段包角应＜150°，当采用180°时，要将间隙放大；中间一段是由两根立柱来加热，此立柱上应加装导磁体；下段加热轴的圆角部分，此段也要加导磁体。当与圆角相连的法兰面也要加热时，此段可分成两个区段，一段加热圆角（所加导磁体的开口面向圆角），另一段的截面变成矩形（所加导磁体的开口面向底面），花键部分加热感应器实物如图4所示，钟形壳内腔部分加热感应器实物如图5所示，钟形壳淬火用夹具如图6所示。

图4  钟形壳花键部分加热感应器实物

图5  钟形壳内腔部分加热感应器实物

图6  淬火用夹具

 

2、热处理工艺研究

根据图样要求，钟形壳淬火后的硬化层深为0.9～6.8mm，故选用的是中频淬火机床，如图7所示。使用的工艺参数见表1。

 

表1  钟形壳淬火用工艺参数

图7  钟形壳淬火用机床及电源

钟形壳花键部分加热感应器与处理面间隙：距上端面为2mm；淬火后硬度为53～58HRC，金相取样如图8所示，金相组织如图9所示。

图8  花键金相检验取样

图9  花键金相组织（4级马氏体）

钟形壳内腔部分加热感应器与处理面间隙：距上端面为4mm；淬火后硬度为54～58HRC，金相取样如图10所示，金相组织如图11所示。

图10  内腔金相检验取样

图11  内腔金相组织（4级马氏体）

 

淬火工艺试验编程如下：

 

程序号：00012（钟形壳花键）

 

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

 

程序号：00015（钟形壳内腔）

 

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

 

钟形壳零件淬火后经磁粉检测，未发现缺陷磁痕显示。

 

四、结果分析

 

（1）钟形壳花键感应器存在的问题及防止措施。

1）上端加了两个导磁体，是为了增加淬层长度。

2）从27kHz降至6.27kHz，是为了增加淬火层深。

3）与感应器距离增加1mm，是为了上端淬火层深加大、底部温度下降。

4）喷水时间加长，是为了试件冷却。15s时工件余温太高，会产生低温回火。

（2）钟形壳内腔感应器存在问题

技术要求淬硬层深为1.5～2.6mm，实际测量为1.8～3.2mm。

 

五、结束语

 

（1）钟形壳花键淬火

首先，由于该零件上同时有端面及凸缘感应淬火疑难结构的存在，导致在实施局部感应淬火时，易产生尖角效应，即在局部感应淬火时，位于尖角处的电流密集，易产生过热或过烧现象，甚至产生淬火裂纹，故感应加热工艺存在一定难度。其次，淬火长度不够，不合格。上端要求1～5mm未淬到。下端要求10.5mm淬火长度，实际为7.8mm，需增加淬火长度。通过调整感应器长度，即在感应器上端长度增加4mm、下端感应器长度增加3mm的情况下进行试验，最终使问题得以圆满解决。最后，通过感应器的设计及导磁体的合理布局，并通过感应器间隙大小及加热冷却时间等工艺参数的调整，避免了凸缘处的电流密集及过热、过烧等现象，防止了淬火裂纹的产生，使得凸缘处感应淬火的淬硬层深度得到有效控制，且淬硬层连续，分布均匀，继而提升了淬火质量。

 

（2）钟形壳内腔淬火

通过调整零件移动速度，由S1200调至S1300，试验后结果达到图样技术要求。钟形壳内腔零件装在心轴上后，心轴喷水孔要一直喷水，对内花键进行适宜的冷却，保证在零件表面加热时，内花键基本不受热。这种辅助冷却方法，适用于薄壁零件的感应淬火。

 

（3）工艺优化

程序编制合理，配合优化的工艺参数，满足了钟形壳花键及内腔所需的淬火硬度、淬硬层深度以及淬火均匀性，且热处理后变形小，达到了产品设计要求，提高了产品质量。