实例：钟形壳淬火感应器及夹具的设计
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。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
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
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
四、结果分析
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。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
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。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。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。
参考文献：略。
作者：范洁，夏元伟，梁智杰，宋京霏，梁朋涛，赵海洋
单位：洛阳法拉地感应设备有限公司
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