主動弧齒錐齒輪外螺紋感應退火過程改善

楊鍇，鄧航

東風汽車零部件（集團）有限公司刃量具分公司 湖北十堰 442002

1 序言

感應熱處理以其加熱速度快、效率高、節(jié)能和便于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，在汽車、工程機械等行業(yè)得到了越來越廣泛的應用[1]。感應退火即是目前比較常見的一種工藝過程分支，本文涉及到的是主動弧齒錐齒輪產(chǎn)品外螺紋退火過程。

該主動弧齒錐齒輪和突緣叉零件裝配在一起，突緣叉接收到分動箱傳遞的動力并且通過花鍵聯(lián)結(jié)方式將動力再次傳遞給與之相配合的主動弧齒錐齒輪，主動弧齒錐齒輪需要承受2000N·m轉(zhuǎn)矩。

2 產(chǎn)品原技術要求及原工藝過程

主動弧齒錐齒輪原材料是執(zhí)行G B/T 5216—2014《保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼》規(guī)定的20CrMoH鋼，要求進行滲碳淬火處理，齒部節(jié)圓處成品有效硬化層深度要求達到1.0～1.4mm（550HV），表面硬度達到58～63HRC，心部硬度達到30～40HRC（按照檢測部位位于齒根圓和齒中心軸線的交點處評價），外螺紋硬度不得超過45HRC。另外，最終進行強力噴丸處理，執(zhí)行JB/T 10174—2000《鋼鐵零件強化噴丸的質(zhì)量檢驗方法》，表面覆蓋率不得低于200%，噴丸強度評價為A型阿爾明試片弧高值不得低于0.44mm，而且成品的齒根處殘余壓應力指標不得低于896.5MPa。

該產(chǎn)品在分供方新品試制期間，熱處理之前對于外螺紋部位實施防滲處理，起到降低外螺紋硬度的作用。在進行路試時未達到規(guī)定行駛路程的前提下于外螺紋和外花鍵聯(lián)接過渡的R角區(qū)域處出現(xiàn)了異常斷裂。經(jīng)過失效件解剖分析，發(fā)現(xiàn)外螺紋局部位置硬度超過了48HRC。由于防滲環(huán)節(jié)牽扯到了防滲涂料的使用正確與否，以及人、機、料、法、環(huán)中人的因素較多，同時考慮到外螺紋和外花鍵聯(lián)接過渡的R角處是應力容易出現(xiàn)集中的區(qū)域，所以經(jīng)過技術溝通并獲得產(chǎn)品客戶的評審批準后，對于外螺紋的降硬度工藝過程進行了變更優(yōu)化，從外螺紋防滲后熱處理優(yōu)化為不防滲直接熱處理，然后對外螺紋處實施感應退火處理。

3 產(chǎn)品感應退火過程及出現(xiàn)的問題

分供方擁有的感應熱處理設備為：WZP60型全固態(tài)感應加熱設備，輸入電壓為（380±38）V，振蕩頻率為10～30kHz，水壓為0.15～0.3MPa，水溫為10～45℃。其感應作業(yè)過程中的試機調(diào)試狀態(tài)如圖1所示，感應圈如圖2所示。

圖1 外螺紋進入感應圈調(diào)試狀態(tài)

圖2 感應圈

在感應退火試制初期出現(xiàn)過兩方面的質(zhì)量問題：一是人工送入需要感應退火的外螺紋區(qū)域進入感應圈加熱退火，造成退火后硬度指標穩(wěn)定性差；二是感應加熱參數(shù)未控制好，導致部分工件在感應退火后，不僅硬度沒有得到有效降低，反而出現(xiàn)了硬度上升。為此，本廠和分供方一起進行了作業(yè)過程改善。

4 產(chǎn)品感應退火過程優(yōu)化措施

一是在簡易感應定位工裝里增加了一個限位工裝，即采用焊接限位螺栓來確保實現(xiàn)外螺紋伸入位置的有效定位，如圖3所示。將主動弧齒錐齒輪放入工裝內(nèi)，其背部端面和工裝的限位螺栓貼緊，主動弧齒錐齒輪的中心和感應器的中心必須對齊，主動弧齒錐齒輪的螺紋端部放入到感應圈里面的位置（見圖4），并且螺紋端部和感應線圈平齊。外花鍵齒部位需要伸入感應線圈內(nèi)約8mm的位置。

圖3 增加限位螺栓定位

圖4 外螺紋伸入定位

二是優(yōu)化調(diào)整了工藝參數(shù)，保證工作電壓為380V，工作電流為12～30A，總加熱時間固化控制在11s，加熱頻率確定為29kHz。首先用試驗料頭進行加熱試驗檢查驗證過程參數(shù)和硬度測試（見圖5），然后再次采用正式工件啟動踏板開關起動加熱，需要人工手動緩慢旋轉(zhuǎn)主動弧齒錐齒輪以便保障加熱的均勻一致性。加熱完畢以后，取出主動弧齒錐齒輪進行空冷，待完全冷卻到室溫后，在主動弧齒錐齒輪的螺紋端部對準軸的中心部位進行線切割，切割的長度及厚度分別為55mm、15mm，如圖6所示。切割好的樣塊實物如圖7所示。將線切割好的樣塊送交金相檢查室，準備進行硬度檢測。

圖5 試驗料頭調(diào)試

圖6 切割尺寸圖樣

圖7 樣塊實物

之后采用P-2T型金相式樣拋光機進行拋光、清洗，將樣塊烘干吹風干燥后平放在顯微硬度計的檢驗平臺上，調(diào)整位置及焦距后實施檢測。要求對樣塊分別在螺紋5mm、15mm、25mm處且距離螺紋牙牙根0.1mm處各取3點進行硬度檢測，在R角處取一點即距離端部0.1mm處進行硬度檢測，在外花鍵5mm、15mm處且距離外花鍵齒根0.1mm處各取3點進行硬度檢測，如圖8、圖9所示。

圖8 檢測部位圖樣

圖9 檢測位置及點數(shù)示意

每個班次首件檢驗之后，過程中再增加抽檢一件并記錄硬度數(shù)值，結(jié)果見表1、表2。

表1 首件檢驗指標匯總

表2 中間過程增加抽檢一件檢驗指標匯總

5 產(chǎn)品感應退火技術指標確認及固化

根據(jù)以上優(yōu)化結(jié)果，經(jīng)過與客戶作技術溝通并獲得批準后，調(diào)整主動弧齒錐齒輪硬度技術要求為：外螺紋處的硬度為28～42HRC，外花鍵距離端面5～15mm處為評價區(qū)域，其硬度為42～56HRC，而15～25mm為過渡區(qū)域只作參考，如圖10所示。

圖10 外螺紋和外花鍵過渡區(qū)域技術指標示意

此道感應退火工序結(jié)束之后，再對M22×1.5-6g處全長29m m的外螺紋進行檢驗，并作理牙處理。將板牙套入主動弧齒錐齒輪的螺紋并注意與錐齒輪軸線的垂直度，均勻地旋轉(zhuǎn)板牙，在理牙結(jié)束后，再使用螺紋環(huán)規(guī)檢測螺紋，確保合格件轉(zhuǎn)序。

以上措施得到固化后，關于外螺紋和外花鍵聯(lián)接過渡的R角處出現(xiàn)異常斷裂的情況再未發(fā)生，路試試驗通過，目前已經(jīng)實現(xiàn)了批量量產(chǎn)。

6 結(jié)束語

對于類似件的感應退火熱處理，我公司對于分供方也作了如下建議。

1）此道工序必須固定操作人員，以保證產(chǎn)品質(zhì)量的合格穩(wěn)定性。

2）需要注意的是，當外界環(huán)境溫度＜10℃時，需要將紅熱態(tài)的主動弧齒錐齒輪放入石棉保溫箱里實施緩慢冷卻，防止由于冷卻速度太快導致裂紋產(chǎn)生。

3）需要考慮感應設備的升級換代。目前，感應設備生產(chǎn)效率高，已經(jīng)可實現(xiàn)加熱溫度的預防控制、報警、高低溫產(chǎn)品自動分離等功能。對電源的運行狀態(tài)及參數(shù)實時監(jiān)控（如淬火能量、電壓、電流、功率、頻率、時間及溫度等），可真正實現(xiàn)實時在線監(jiān)控[2]?？扛鼉?yōu)化的設備來保證大批量產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定。

以上建議目前已經(jīng)被采納并固化在了分供方的作業(yè)文件中，實施后，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，未再出現(xiàn)批量質(zhì)量問題。