三球銷式等速萬向節(jié)三柱槽殼的感應(yīng)淬火工藝

宋德仁

(沈陽市化工學(xué)校 ，沈陽 110122)

三柱槽殼是汽車用三球銷式等速萬向節(jié)的重要零件之一，其主要由工作部分和連接部分組成，工作部分由內(nèi)圓柱面及若干溝道組成，連接部分由柄部的臺(tái)階面、外花鍵和外螺紋等組成。由于三柱槽殼工作時(shí)承受極其復(fù)雜的交變載荷，為確保其具有良好的韌性、足夠可靠性和使用壽命，必須采用特殊的熱處理工藝。

1 三柱槽殼的使用性能要求

1.1 工作條件

三柱槽殼將發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩由差速器傳遞到傳動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)輪，工作時(shí)，帶外花鍵的柄部主要承受扭轉(zhuǎn)載荷，同時(shí)承受一定彎曲載荷，在車輛啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)還要承受一定的沖擊載荷，因此，柄部受到的應(yīng)力主要為彎曲加扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。三柱槽殼的內(nèi)腔溝道表面承受沿周向產(chǎn)生的球環(huán)擠壓，以及車輛在不平路面行駛時(shí)車輪上下運(yùn)動(dòng)引起傳動(dòng)軸總成軸向伸縮而使三球銷總成沿三柱槽殼溝道縱向運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的摩擦。

1.2 性能要求

(1)外花鍵齒面應(yīng)具有高的硬度、耐磨性，花鍵柄部應(yīng)具有高的強(qiáng)度、良好的耐沖擊韌性和抗疲勞性能；

(2)內(nèi)腔溝道表面應(yīng)具有高的硬度、耐磨性和高的接觸疲勞極限。

1.3 主要失效模式

(1)外花鍵齒面壓陷、磨損以及花鍵柄部的斷裂；

(2)內(nèi)腔溝道表面壓陷、磨損和接觸疲勞引起的點(diǎn)蝕破壞。

2 材料和熱處理技術(shù)要求

2.1 材料

為了滿足零件的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐沖擊韌性和抗疲勞性能等要求，三柱槽殼的材料可選用20Cr，20CrMnTi等滲碳鋼，亦可以選用55#，40Cr等中碳鋼。這些材料從性能上均可滿足產(chǎn)品的使用要求，考慮到經(jīng)濟(jì)性，一般選用55#鋼，其化學(xué)成分見表1。

表1 55#鋼化學(xué)成分 w,%

2.2 熱處理技術(shù)要求

55#鋼平均含碳量為0.55%，變形抗力較大，冷擠壓成形性較差，故三柱槽殼的內(nèi)腔一般采用溫鍛成形+冷鍛精整工藝，為了使材料具有良好的冷鍛精整成形性能，需進(jìn)行軟化處理，可采取球化退火工藝。最終熱處理工藝為感應(yīng)淬火、回火。

三柱槽殼的加工工藝為：溫鍛→球化退火→磷化、皂化→冷鍛精整→機(jī)加工→中頻感應(yīng)淬火→回火→精加工→成品。熱處理技術(shù)要求見表2，感應(yīng)加熱淬硬區(qū)域分布如圖1所示。

表2 三柱槽殼的熱處理技術(shù)要求

圖1 三柱槽殼淬硬區(qū)域分布

3 感應(yīng)淬火工藝

3.1 感應(yīng)淬、回火工藝技術(shù)要求

對(duì)圖1所示區(qū)域進(jìn)行感應(yīng)淬、回火處理，使其達(dá)到表2的技術(shù)要求，從而獲得一定深度的硬化層和較高的表面硬度，以滿足使用要求。

3.2 感應(yīng)加熱電源

感應(yīng)加熱電源的額定功率，一般花鍵柄部為160～200 kW，殼體內(nèi)腔為200～250 kW，電流頻率范圍可選擇3～30 kHz，一般采用8～10 kHz。電流頻率、零件直徑與合理的淬硬層深度的關(guān)系見表3。

表3 電流頻率、零件直徑與合理的淬硬層深度的關(guān)系

3.3 淬火機(jī)床

淬火工藝可采用通用、專用淬火機(jī)床或生產(chǎn)線，淬火機(jī)床的結(jié)構(gòu)和精度應(yīng)滿足工藝要求。機(jī)床應(yīng)配備相應(yīng)的參數(shù)儀表，如移動(dòng)速度、轉(zhuǎn)速、溫度、淬火液流量、壓力、時(shí)間、能量監(jiān)控等。工藝過程采用可編程的數(shù)控系統(tǒng)，可按編制的程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)淬火過程。

3.4 感應(yīng)器結(jié)構(gòu)

3.4.1 花鍵柄部加熱感應(yīng)線圈的結(jié)構(gòu)

花鍵柄部感應(yīng)加熱線圈如圖2所示。感應(yīng)器與工件間的間隙一般為2～5 mm。感應(yīng)線圈的結(jié)構(gòu)組件1和2為矩形銅管，主要用來加熱花鍵柄部。為強(qiáng)化加熱效果，銅管上需安裝導(dǎo)磁體。此結(jié)構(gòu)的感應(yīng)線圈使階梯差別較大的工件各部分得到均勻的加熱。

圖2 花鍵柄部的感應(yīng)線圈(斜視圖)

感應(yīng)線圈圓弧3a(見圖2)的剖面如圖3所示，該段線圈圓弧的內(nèi)周正對(duì)工件的R處，線圈圓弧的長(zhǎng)度為整個(gè)圓弧的1/3，主要用來加熱R角和小端面。感應(yīng)線圈圓弧3b的剖面如圖4所示，該線圈圓弧內(nèi)周正對(duì)工件臺(tái)階外側(cè)壁，圓弧的長(zhǎng)度為整個(gè)圓弧的1/6，主要用來加熱工件臺(tái)階的外側(cè)壁。

圖3 線圈X-X剖面圖

圖4 線圈Y-Y剖面圖

3.4.2 內(nèi)腔溝道加熱感應(yīng)線圈的結(jié)構(gòu)

三柱槽殼內(nèi)腔溝道的感應(yīng)淬火方法主要為移動(dòng)加熱淬火法和同時(shí)加熱淬火法。

移動(dòng)加熱淬火工藝的感應(yīng)線圈結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5a為加熱線圈的立體圖，在與三柱槽殼壁厚最大的部位相對(duì)應(yīng)的導(dǎo)體上設(shè)置與殼體軸線平行的3(4)對(duì)互相平行的直立導(dǎo)體，每對(duì)導(dǎo)體都臨近配置，內(nèi)部通方向相反的電流。圖5b為淬火時(shí)加熱線圈和冷卻水管的剖面圖，圖中第1冷卻水管安裝在導(dǎo)磁體下方，中空的冷卻水管設(shè)有放射狀的冷卻噴孔，可以向溝道表面噴射淬火液。中心配有輔助噴射水管，用于在加熱末段將淬火液噴向封閉端，將最后加熱的部位淬火冷卻。圖5c為B-B剖面圖，從圖中可以看出淬火時(shí)線圈與工件內(nèi)腔的相對(duì)位置。同時(shí)第2冷卻水管配置在工件最薄壁的外側(cè)，淬火時(shí)起冷卻最薄外壁的作用。

圖5 移動(dòng)加熱淬火工藝原理圖

移動(dòng)加熱淬火法工藝過程為：工件相對(duì)感應(yīng)器向下移動(dòng)到淬火開始端停留，線圈通電加熱，同時(shí)第2冷卻管開始向外壁噴冷卻水，接著第1冷卻管向溝道表面噴射淬火液，開始淬火，工件移動(dòng)進(jìn)行連續(xù)加熱和淬火冷卻，工件移動(dòng)到淬火末端時(shí)停止移動(dòng)，加熱停止，位于中心的輔助噴水向封閉端面噴射淬火液，完成末端加熱區(qū)淬火，然后工件返回。

同時(shí)加熱淬火法的感應(yīng)器由與三柱槽殼軸線平行的3對(duì)直立長(zhǎng)導(dǎo)體構(gòu)成，如圖6a所示，每對(duì)長(zhǎng)導(dǎo)體的外側(cè)與溝道表面相對(duì)應(yīng)，位置關(guān)系如圖6b所示。每對(duì)長(zhǎng)導(dǎo)體的內(nèi)側(cè)都需要安裝導(dǎo)磁體。感應(yīng)器內(nèi)側(cè)需要配置淬火液噴射裝置，工件外側(cè)需要配備冷卻外壁的冷卻噴水裝置。

圖6 同時(shí)加熱淬火工藝原理圖

同時(shí)加熱淬火法工藝過程為：加熱線圈進(jìn)入工件，到達(dá)設(shè)定好的淬火位置后，線圈通電同時(shí)加熱三對(duì)內(nèi)溝道，同時(shí)外壁冷卻噴水裝置開始噴射冷卻水，內(nèi)側(cè)淬火液噴射裝置噴射淬火液，三對(duì)內(nèi)溝道同時(shí)淬火，淬火結(jié)束后線圈返回。

三柱槽殼的這2種淬火工藝中，移動(dòng)加熱淬火工藝的感應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但生產(chǎn)效率低，適用于單件小批量加工；同時(shí)加熱淬火工藝的感應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但生產(chǎn)效率高，適用于大批量加工。

3.5 工藝參數(shù)

三柱槽殼采用55#鋼，中頻感應(yīng)淬火加熱溫度一般為860～890 ℃(可通過觀察工件加熱的顏色判斷或使用紅外線測(cè)溫儀測(cè)量)，回火溫度一般為(180±10)℃，可以采用爐內(nèi)加熱回火或感應(yīng)加熱回火的方式。由于三柱槽殼內(nèi)腔結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，淬火時(shí)加熱時(shí)間長(zhǎng)，容易產(chǎn)生變形和開裂，因此，殼體內(nèi)腔的感應(yīng)加熱通常采用大功率、短時(shí)間加熱法(同時(shí)加熱淬火法)。某三柱槽殼花鍵柄部和內(nèi)腔溝道中頻感應(yīng)加熱淬火工藝參數(shù)見表4。

表4 某三柱槽殼的中頻感應(yīng)淬火工藝參數(shù)

4 質(zhì)量檢驗(yàn)

三柱槽殼感應(yīng)熱處理的質(zhì)量檢驗(yàn)要求見表5。

表5 感應(yīng)熱處理的質(zhì)量檢驗(yàn)項(xiàng)目和質(zhì)量要求

5 結(jié)束語

球銷式等速萬向節(jié)三柱槽殼的感應(yīng)淬火工藝經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明，淬火質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高，所加工產(chǎn)品使用性能良好。