熱處理工藝對(duì)驅(qū)動(dòng)輪軸靜扭矩的影響研究

張曉偉,張沈潔

(1.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450007；2.第一拖拉機(jī)股份有限公司 工藝材料研究所，河南 洛陽(yáng) 471004)

熱處理工藝對(duì)驅(qū)動(dòng)輪軸靜扭矩的影響研究

張曉偉1,張沈潔2

(1.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450007；2.第一拖拉機(jī)股份有限公司 工藝材料研究所，河南 洛陽(yáng) 471004)

對(duì)S38MnSiV驅(qū)動(dòng)輪工藝軸的3種結(jié)構(gòu)形式(光軸工藝軸，帶齒條、鍵槽工藝軸，去齒條、鍵槽工藝軸)，在JB-50型靜扭試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行驅(qū)動(dòng)輪工藝軸靜扭試驗(yàn).試驗(yàn)得出：光軸工藝軸的扭矩水平最高，去齒條、鍵槽工藝軸的扭矩水平次之，帶齒條、鍵槽工藝軸的扭矩水平最低.對(duì)引起扭矩變化的熱處理工藝分析可知，零件存在淬火過(guò)渡區(qū)時(shí)扭矩水平急劇下降，且其扭矩水平低于未經(jīng)表面淬火的零件.表面淬火和回火能夠減緩尖角效應(yīng)，而噴丸處理降低了表面壓應(yīng)力，致使拋丸零件的扭矩水平低于低溫回火的零件.

驅(qū)動(dòng)輪工藝軸；靜扭矩；淬火過(guò)渡區(qū)；回火

驅(qū)動(dòng)輪軸是拖拉機(jī)的關(guān)鍵零部件，使用中要承受復(fù)雜的彎曲-扭轉(zhuǎn)載荷和較大的沖擊載荷，服役條件比較苛刻，是失效頻次較高和失效類(lèi)型較多的零部件[1].其不同部位經(jīng)常發(fā)生諸如脆斷或疲勞、扭轉(zhuǎn)或彎曲、正應(yīng)力或剪切應(yīng)力斷裂等失效形式.因此，驅(qū)動(dòng)輪軸本身必須具有較高的疲勞強(qiáng)力、較高的硬度和良好的耐磨性.

隨著拖拉機(jī)載重量的提高和實(shí)際工況的改變，驅(qū)動(dòng)輪軸的直徑和感應(yīng)淬火有效硬化層深度也逐步被加大[2-3].扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)雖不能顯示金屬的體積缺陷，但能夠反映表面硬化層的性能及表面缺陷，可用于研究各種表面強(qiáng)化工藝，檢查零件熱處理的表面質(zhì)量.在零件表面機(jī)加工質(zhì)量符合技術(shù)要求的情況下，表面硬化層深度對(duì)靜扭強(qiáng)力和扭轉(zhuǎn)疲勞壽命的影響較大.因此，本文擬通過(guò)靜扭試驗(yàn)為驅(qū)動(dòng)輪軸表面感應(yīng)淬火工藝設(shè)計(jì)及表面硬化層深度的合理確定提供依據(jù).

1 S38MnSiV工藝軸靜扭試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)用工藝軸設(shè)計(jì)原則

由于原驅(qū)動(dòng)輪軸扭矩的一端是靠花鍵傳遞，另一端是靠驅(qū)動(dòng)輪軸與相關(guān)件(軸瓦)之間的摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，與試驗(yàn)機(jī)夾具之間無(wú)法實(shí)施連接，進(jìn)行試驗(yàn)扭矩的傳遞，因此必須根據(jù)試驗(yàn)機(jī)夾具的結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)出可以和試驗(yàn)機(jī)之間進(jìn)行扭矩傳遞的試驗(yàn)工藝軸.

試驗(yàn)工藝軸的設(shè)計(jì)原則為：軸兩端都為花鍵結(jié)構(gòu)，且進(jìn)行加粗；花鍵底徑尺寸不小于齒條外圓尺寸；花鍵模數(shù)與原結(jié)構(gòu)花鍵模數(shù)相同，使試驗(yàn)工藝軸的薄弱部位與驅(qū)動(dòng)輪軸實(shí)際使用中斷裂部位相符，即薄弱部位為軸的齒條根部、凸緣處和鍵槽尾部.

1.2 試驗(yàn)材料與結(jié)構(gòu)

新設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)輪軸工藝試驗(yàn)用軸簡(jiǎn)稱(chēng)驅(qū)動(dòng)輪工藝軸.驅(qū)動(dòng)輪工藝軸所用材料為S38MnSiV非調(diào)質(zhì)鋼.

S38MnSiV驅(qū)動(dòng)輪工藝軸包括3種結(jié)構(gòu)形式：光軸工藝軸(圖1)，帶齒條、鍵槽工藝軸，去齒條、鍵槽工藝軸.后兩種被統(tǒng)稱(chēng)為鍵槽工藝軸(圖2).

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

在國(guó)家拖拉機(jī)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心強(qiáng)力試驗(yàn)室進(jìn)行驅(qū)動(dòng)輪工藝軸靜扭試驗(yàn).驅(qū)動(dòng)輪工藝軸靜扭試驗(yàn)是在JB-50型靜扭試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的(圖3).該試驗(yàn)機(jī)能實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、扭轉(zhuǎn)曲線(xiàn)的自動(dòng)繪制以及數(shù)據(jù)顯示和報(bào)告打印等功能.試驗(yàn)機(jī)機(jī)械部

圖2 鍵槽工藝軸

分由主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(扭矩輸出)、裝夾機(jī)構(gòu)、角度及扭矩測(cè)量系統(tǒng)組成.進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，將驅(qū)動(dòng)輪工藝軸一端安裝在試驗(yàn)機(jī)的扭矩輸出端，另一端安裝在試驗(yàn)機(jī)平臺(tái)支撐尾座上，使試驗(yàn)軸的軸線(xiàn)與試驗(yàn)機(jī)軸線(xiàn)同軸.試驗(yàn)時(shí)按一定的方向緩慢連續(xù)施加扭矩，用檢測(cè)裝置自動(dòng)記錄扭矩及相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角，并繪制扭矩-扭轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)，直至軸發(fā)生破壞.

圖3 驅(qū)動(dòng)輪工藝軸靜扭試驗(yàn)

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析

2.1 光軸工藝軸

光軸工藝軸(無(wú)鍵槽、臺(tái)階、齒條工藝軸)共6組15件.光軸工藝軸靜扭試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

圓柱形試樣在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，整個(gè)試樣長(zhǎng)度方向的塑性變形始終是均勻的，沒(méi)有頸縮現(xiàn)象.其截面及平行長(zhǎng)度基本上保持了原尺寸.與試樣軸線(xiàn)成45°的兩個(gè)斜面上承受最大正應(yīng)力，與試樣軸線(xiàn)平行和垂直的平面上承受最大切應(yīng)力.扭轉(zhuǎn)時(shí)試樣中的正應(yīng)力與切應(yīng)力在數(shù)值上大體相等，二者的比值接近于1.

正火態(tài)未感應(yīng)淬火的光軸工藝軸及存在感應(yīng)淬火過(guò)渡區(qū)的光軸工藝軸斷裂位置均在未感應(yīng)淬火無(wú)淬硬層處.其斷裂面與試件軸線(xiàn)垂直，斷口平整，有回旋狀塑性變形痕跡，是由切應(yīng)力造成的切斷.表面感應(yīng)淬火通淬的光軸工藝軸，斷口起始于表面感應(yīng)淬火層.其斷裂面與試件軸線(xiàn)約成45°螺旋狀，是在正應(yīng)力作用下產(chǎn)生的正斷，為扭轉(zhuǎn)正應(yīng)力的脆性斷裂，表現(xiàn)出對(duì)較深的有效硬化層深和高的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力相關(guān)性，是一種硬化層內(nèi)高聚集的彈性變形能量釋放結(jié)果.

對(duì)光軸工藝軸不同感應(yīng)淬火區(qū)靜扭試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：光軸工藝軸表面感應(yīng)淬火通淬后扭矩水平最高；正火態(tài)未感應(yīng)淬火的次之.表面感應(yīng)淬火是將鋼的表層加熱至臨界溫度以上，然后快速冷卻，得到硬的馬氏體表層.該硬層的體積較基體大，在零件表層形成殘余壓應(yīng)力，而殘余壓應(yīng)力的存在可抵消零件表面實(shí)際承受的一部分拉應(yīng)力即殘余壓應(yīng)力，能夠提高材料的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)力，因此零件抗扭水平提高.

2.2 帶齒條、鍵槽工藝軸

帶齒條、鍵槽工藝軸(共6組17件)的靜扭試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示.

表1 光軸工藝軸靜扭試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 帶齒條、鍵槽工藝軸靜扭試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)帶齒條、鍵槽工藝軸靜扭試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：由于缺口效應(yīng)(零件表面的溝槽、棱角、截面的急劇變化處產(chǎn)生應(yīng)力集中，使強(qiáng)力下降，即缺口效應(yīng))[4-5]，帶齒條、鍵槽工藝軸的齒條尾部、鍵槽底部的尖角是軸桿最薄弱的部位，成為扭轉(zhuǎn)斷裂的裂紋源.

表面感應(yīng)淬火和拋丸強(qiáng)化均在零件表層形成殘余壓應(yīng)力.拋丸強(qiáng)化使材料表面產(chǎn)生的強(qiáng)化層深度有限，約為0.2～0.5 mm，在強(qiáng)化層內(nèi)形成殘余壓應(yīng)力，強(qiáng)化層-未強(qiáng)化層之間為過(guò)渡拉應(yīng)力區(qū)，而表面感應(yīng)淬火產(chǎn)生的硬化層深度遠(yuǎn)大于拋丸強(qiáng)化，表面感應(yīng)淬火硬化層內(nèi)的殘余壓應(yīng)力因與拋丸強(qiáng)化層過(guò)渡區(qū)的拉應(yīng)力抵消而降低，即拋丸強(qiáng)化反而使表面感應(yīng)淬火硬化層殘余壓應(yīng)力有所降低.因此，帶齒條、鍵槽工藝軸表面通淬+拋丸處理后的扭矩水平比表面感應(yīng)淬火通淬后的扭矩水平有所降低.

表面感應(yīng)淬火可降低缺口敏感度，提高抗扭強(qiáng)力，而且?guī)X條、鍵槽工藝軸表面感應(yīng)淬火的過(guò)渡區(qū)相對(duì)于淬硬層而言，同樣是薄弱部位，成為扭轉(zhuǎn)斷裂的裂紋源.因此，帶齒條、鍵槽工藝軸在鍵槽底部、齒條尾部存在表面感應(yīng)淬火過(guò)渡區(qū)的扭矩水平均低于表面感應(yīng)淬火通淬后的扭矩水平，在相同斷裂部位與正火態(tài)未感應(yīng)淬火的扭矩水平相接近.通過(guò)表面感應(yīng)局部淬火來(lái)提高零件扭矩水平的作法不可取，設(shè)計(jì)零件表面感應(yīng)淬火工藝時(shí)應(yīng)盡量避免過(guò)渡區(qū).

2.3 去齒條、鍵槽工藝軸

去齒條、鍵槽工藝軸(共7組17件)的靜扭試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 去齒條、鍵槽工藝軸靜扭試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)去齒條、鍵槽工藝軸靜扭試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：去齒條、鍵槽工藝軸表面感應(yīng)淬火通淬后硬化層深符合方案要求的，其扭矩水平最高，且在低溫回火磨削后其扭矩水平有所降低；表面通淬+拋丸處理后，其扭矩水平降低；表面感應(yīng)淬火通淬后硬化層淺而不符合方案要求的工藝軸扭矩水平較低；正火態(tài)未感應(yīng)淬火的扭矩水平最低.

由于缺口效應(yīng)，去齒條、鍵槽工藝軸的鍵槽底部尖角以及試件回火磨削終端臺(tái)階處是軸桿最薄弱的部位，成為扭轉(zhuǎn)斷裂的裂紋源.在去齒條、鍵槽工藝軸表面感應(yīng)淬火通淬后且硬化層符合方案要求的前提下，試件回火磨削后的扭矩水平降低且斷裂位置均位于回火磨削終端臺(tái)階處，說(shuō)明回火磨削終端臺(tái)階處應(yīng)力集中程度大于鍵槽底部尖角處應(yīng)力集中程度.

表面感應(yīng)淬火硬化層深度對(duì)靜扭強(qiáng)力的影響規(guī)律為：隨著硬化層深度的增加，殘余壓應(yīng)力相應(yīng)增大，極限扭轉(zhuǎn)強(qiáng)力上升，承擔(dān)扭矩的能力大幅度提高；表面感應(yīng)淬火形成的殘余壓應(yīng)力可降低缺口敏感度，降低應(yīng)力集中程度.拋丸強(qiáng)化在零件表層形成的殘余壓應(yīng)力，也能起到降低表面缺口效應(yīng)的作用[6-7].

去齒條、鍵槽工藝軸表面通淬+拋丸處理后扭矩水平比表面感應(yīng)淬火通淬后扭矩水平有所降低的原因在于：表面感應(yīng)淬火和拋丸強(qiáng)化均在零件表層形成殘余壓應(yīng)力；拋丸強(qiáng)化使材料表面產(chǎn)生的強(qiáng)化層深度有限，約為0.2～0.5 mm，在強(qiáng)化層內(nèi)形成殘余壓應(yīng)力，強(qiáng)化層-未強(qiáng)化層之間為過(guò)渡拉應(yīng)力區(qū)，而表面感應(yīng)淬火產(chǎn)生的硬化層深度遠(yuǎn)大于拋丸強(qiáng)化，表面感應(yīng)淬火硬化層內(nèi)殘余壓應(yīng)力因與拋丸強(qiáng)化層過(guò)渡區(qū)拉應(yīng)力抵消而降低，即拋丸強(qiáng)化反而使表面感應(yīng)淬火硬化層殘余壓應(yīng)力有所降低.

由于拋丸強(qiáng)化使表面感應(yīng)淬火硬化層殘余壓應(yīng)力的降低大于低溫回火減少的殘余壓應(yīng)力，因此去齒條、鍵槽工藝軸表面通淬+拋丸處理后的扭矩水平低于表面感應(yīng)淬火通淬低溫回火后的扭矩水平.

3 靜扭試驗(yàn)結(jié)論

驅(qū)動(dòng)輪工藝軸不同結(jié)構(gòu)相同處理狀態(tài)下靜扭試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：光軸工藝軸的扭矩水平最高，去齒條、鍵槽工藝軸的扭矩水平次之，帶齒條、鍵槽工藝軸的扭矩水平最低.從試驗(yàn)結(jié)果可得出如下結(jié)論：①表面淬火零件的過(guò)渡區(qū)相對(duì)于淬硬層而言是個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，是扭曲斷裂的裂紋源.零件存在的淬火過(guò)渡區(qū)扭矩水平急劇下降，其扭矩水平低于未經(jīng)表面淬火的零件，零件設(shè)計(jì)者和工藝人員在設(shè)計(jì)零件表面淬火要求時(shí)，應(yīng)盡量避免過(guò)渡區(qū).②含有鍵槽、齒條的零件存在尖角敏感度，是裂紋的起源.其表面通淬后表層形成了壓應(yīng)力，降低了尖角敏感度，減緩了尖角效應(yīng).同時(shí)，零件回火后，降低了尖角敏感度，減緩了尖角效應(yīng).因此，存在尖角的零件必須回火，技術(shù)要求允許時(shí)應(yīng)提高回火溫度.③表面淬火后，拋丸處理降低了表面壓應(yīng)力；拋丸減少的壓應(yīng)力大于低溫回火減少的壓應(yīng)力，致使拋丸零件的扭矩水平低于低溫回火的零件.

[1] 李瑞卿，張沈潔，孔春華，等.不同結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輪軸零件的感應(yīng)淬火工藝研究[J].金屬加工(熱加工)，2015(S2)：126-129.

[2] 馬 戈，毛長(zhǎng)恩，孔春華,等.感應(yīng)熱處理工藝對(duì)拖拉機(jī)軸類(lèi)零件扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的影響[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)，2014(1)：70-73.

[3] 薛 青，劉文曾，孔春華，等.一種低速大扭矩驅(qū)動(dòng)輪軸的感應(yīng)熱處理工藝研究[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)，2015(2)：58-61,64.

[4] 霍發(fā)燕，曾小勤，劉秀艷.熱處理工藝對(duì)GEVO凸輪組織和性能的影響[J].熱處理，2015，30(4)：26-30.

[5] 陳建四，林恬盛，黃步玉.中頻感應(yīng)加熱淬火在驅(qū)動(dòng)輪生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].工業(yè)加熱，2001(2)：49-50.

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[7] 張沈潔，李瑞卿，孔春華，等.42CrMo鋼驅(qū)動(dòng)輪軸的感應(yīng)熱處理[J].金屬熱處理，2016,41(1)：43-47.

Influence of Heat Treatment Process on Static Torque of Drive Axle

ZHANG Xiao-wei1,ZHANG Shen-jie2

(1.SIPPR Engineering Group Co.,Ltd,Zhengzhou 45007, China;2.Technology and Material Research Institute First Tractor Co.,Ltd,Luoyang 471004,China)

Through three types of S38MnSiV Technology: optical axis shaft driving wheel shaft with keyway process rack, shaft and rack, process to process of the driving wheel shaft keyway, static torsion test process of shaft in JB-50 type static torsion testing machine is carried out. According to the test data, the torque level of the axis of the optical axis is the highest, the torque of the rack and keyway process shaft is the second, and the torque of the process shaft with rack and keyway is lowest. The heat treatment process causing torque is analyzed. The quenching zone exists in parts, the torque level drops rapidly, and the torque level is lower than that without surface quenching. Surface hardening and tempering can mitigate sharp corner effect. Shot peening reduces the surface compressive stress which results in lower torque levels of shot peening parts than low temperature tempered parts.

technological axis of driving wheel; static torque; quenching transition zone; tempering

2017-04-20

張曉偉(1984-)，男，河南洛陽(yáng)人，碩士，工程師，研究方向?yàn)椴牧霞庸すに嚨脑O(shè)計(jì).

1006-3269(2017)02-0054-05

TG162

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2017.02.012