新能源汽車(chē)電機(jī)轉(zhuǎn)軸條形槽的滲碳淬火畸變控制

歐陽(yáng)志芳， 陳俊健， 胡偉芳

(1. 廣州城市理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 廣東 廣州 510813；2. 廣州市專一金屬制品有限公司， 廣東 廣州 511400)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)3大核心系統(tǒng)之一，是車(chē)輛行駛的主要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特性決定了車(chē)輛的主要性能指標(biāo)，直接影響車(chē)輛動(dòng)力性。電機(jī)轉(zhuǎn)軸又是電機(jī)中的關(guān)鍵零部件，其材料和加工性能直接影響驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能，進(jìn)而決定了整車(chē)的主要性能[1]。新能源汽車(chē)電機(jī)轉(zhuǎn)軸在高速重載條件下工作，需要具備較高的抗扭強(qiáng)度和表面耐磨性，在制造過(guò)程中通常采用低碳合金鋼配合滲碳淬火工藝來(lái)獲得相應(yīng)的力學(xué)性能。然而，在對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行熱處理時(shí)，往往會(huì)由于其它方面的因素影響金屬材料熱處理的效率與整體質(zhì)量，進(jìn)而嚴(yán)重影響電機(jī)轉(zhuǎn)軸的整體性能[2]。電機(jī)轉(zhuǎn)軸在滲碳淬火后產(chǎn)生的畸變一般可通過(guò)校直和后續(xù)精加工解決，但條形槽經(jīng)過(guò)滲碳淬火后的硬度為60～62 HRC，高硬度導(dǎo)致通過(guò)機(jī)加工來(lái)消除畸變的加工效率低、刀具磨損嚴(yán)重，會(huì)增加產(chǎn)品的加工成本且不利于批量生產(chǎn)；圖紙技術(shù)要求條形槽硬度性能須與轉(zhuǎn)軸表面保持一致性，因此無(wú)論是通過(guò)機(jī)加工或是傳統(tǒng)的槽內(nèi)填塞物的方法來(lái)控制條形槽畸變量都不可行，既要保證條形槽硬度要求的同時(shí)，又要控制其畸變量，是電機(jī)轉(zhuǎn)軸批量生產(chǎn)的技術(shù)難點(diǎn)。

1 條形槽畸變情況分析

圖1 電機(jī)轉(zhuǎn)軸示意圖Fig.1 Schematic diagram of the motor shaft bar

采用UBE-FE-1000Ⅲ型密封箱式爐對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行熱處理，裝爐方式為電機(jī)轉(zhuǎn)軸的花鍵端朝上垂直懸空吊裝，具體熱處理工藝如圖2所示。經(jīng)該工藝熱處理后，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的表面硬度、心部硬度、表面殘留奧氏體及馬氏體等級(jí)、碳化物缺陷等級(jí)、有效滲碳層深度、晶粒度等級(jí)等指標(biāo)均合格。隨機(jī)取4根電機(jī)轉(zhuǎn)軸，采用3坐標(biāo)測(cè)量?jī)x分別在圖1中的A、B、C 3處檢測(cè)條形槽畸變情況，結(jié)果如表1所示，可見(jiàn)條形槽公差尺寸超差，畸變量為-2～68 μm，且條形槽呈下小上大的“喇叭口”型錐度畸變，錐度畸變量為22～39 μm，從畸變量和錐度畸變考慮合格率為0%，嚴(yán)重制約批量生產(chǎn)的開(kāi)展。經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析和論證，需要針對(duì)條形槽畸變情況進(jìn)行相應(yīng)的工藝改進(jìn)，主要從熱處理工藝和冷加工工藝兩個(gè)方面配合進(jìn)行改善。

圖2 電機(jī)轉(zhuǎn)軸熱處理工藝示意圖Fig.2 Schematic diagram of the heat treatment process for the motor shaft bar

表1 電機(jī)轉(zhuǎn)軸條形槽熱處理后的畸變量Table 1 Distortion of the motor shaft bar groove after heat treatment

2 畸變量控制方法及效果

2.1 滲碳淬火工藝

在原熱處理工藝的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的滲碳淬火工藝進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，如圖3所示。鋼從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)產(chǎn)生體積膨脹，其膨脹量依據(jù)碳含量的增加而增大[3]，適當(dāng)降低零件表面碳濃度可減少表面脹大現(xiàn)象，因此將強(qiáng)滲階段的碳勢(shì)由1.0% 下調(diào)為0.9%。適當(dāng)提高冷卻油溫可減緩熱應(yīng)力的產(chǎn)生，進(jìn)而減少零件畸變[4]，因此將淬火油溫度由40～60 ℃ 提高到70～80 ℃。另外，在冷卻初期零件沒(méi)入油后開(kāi)啟攪拌器高速攪拌有利于形成對(duì)流，均勻冷卻，使零件快速冷卻以避免過(guò)冷奧氏體高溫分解，試驗(yàn)所用淬火油的冷卻能力快，可達(dá)83.6 ℃/s，在高速攪拌2 min沖破蒸汽膜階段后關(guān)閉攪拌器并采用靜冷方式冷卻，零件表面快速下降至Ms點(diǎn)確保轉(zhuǎn)軸表面硬度均勻，并且適當(dāng)降低冷速以減少因電機(jī)轉(zhuǎn)軸心部和表面冷卻轉(zhuǎn)變的不同時(shí)性引起的組織應(yīng)力，從而減少零件畸變[5]。

圖3 改進(jìn)后的電機(jī)轉(zhuǎn)軸熱處理工藝示意圖Fig.3 Schematic diagram of the improved heat treatment process for the motor shaft bar

2.2 反畸變加工法

根據(jù)條形槽在熱處理前后的畸變檢測(cè)情況分析，條形槽槽頂處(A位置)呈脹大趨向，脹大量在+2～+28 μm，條形槽槽中處(B位置)呈脹大趨向，脹大量為0～4 μm，條形槽槽中處(C位置)呈縮小趨向，收縮量為-1～-2 μm。槽深上、中、下位置出現(xiàn)縮、脹情況不一，大致呈一個(gè)錐度為22～39 μm下小上大的“喇叭口”型。因此，可以通過(guò)反畸變法提前調(diào)整條形槽的加工方法預(yù)留畸變量，在熱處理前將條形槽預(yù)加工成錐度為20 μm下大上小的“倒喇叭口”型，淬火時(shí)零件表面在冷卻過(guò)程中急劇收縮，在拉應(yīng)力的作用下使得原本下大上小的“倒喇叭口”型的截面變?yōu)榫匦?，產(chǎn)生的畸變部分可以抵消預(yù)留量從而修正畸變。

2.3 改進(jìn)后效果

表2為采用反畸變加工和改進(jìn)的滲碳淬火工藝后生產(chǎn)的20CrMnTi鋼電機(jī)轉(zhuǎn)軸條形槽的畸變檢測(cè)結(jié)果，可見(jiàn)條形槽錐度控制在+1～+5 μm，畸變量控制在+20～+30 μm 范圍內(nèi)，條形槽的錐度、畸變量達(dá)到尺寸要求。

表2 改進(jìn)工藝下電機(jī)轉(zhuǎn)軸條形槽的畸變量(mm)Table 2 Distortion of the motor shaft bar groove after improved process (mm)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)工藝和反畸變法兩項(xiàng)改善措施的可靠性，連續(xù)進(jìn)行多爐次小批量試驗(yàn)，每爐隨機(jī)抽取4支電機(jī)轉(zhuǎn)軸，共抽取20支電機(jī)轉(zhuǎn)軸對(duì)條形槽進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果圖4所示?？梢?jiàn)，改進(jìn)措施可以將小批量量產(chǎn)時(shí)條形槽的錐度畸變控制在+1～+8 μm，畸變量控制在+15～+35 μm范圍內(nèi)。

圖4 改進(jìn)工藝小批量生產(chǎn)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)軸條形槽的畸變量Fig.4 Distortion of the motor shaft bar groove after small batch production with the improved process

圖5為改進(jìn)前后電機(jī)轉(zhuǎn)軸條形槽錐度、畸變量的對(duì)比。可見(jiàn)，改進(jìn)后條形槽的錐度和畸變量平均值分別減少了34 μm和40 μm，且小批量生產(chǎn)時(shí)畸變程度并未顯著增加，說(shuō)明改進(jìn)措施可靠，工藝性能穩(wěn)定，具備應(yīng)用于大規(guī)模量產(chǎn)的條件。

圖5 改進(jìn)前后電機(jī)轉(zhuǎn)軸條形槽的畸變量對(duì)比Fig.5 Comparison of the distortion of the motor shaft bar groove before and after improving the process

3 結(jié)論

1) 電機(jī)轉(zhuǎn)軸條形槽經(jīng)滲碳淬火后出現(xiàn)錐度畸變和畸變量不達(dá)標(biāo)的情況，條形槽呈下小上大的“喇叭口”型錐度畸變，錐度畸變量為+22～+39 μm，畸變量為-2～+68 μm。

2) 通過(guò)工藝改進(jìn)，將滲碳過(guò)程強(qiáng)滲階段的碳勢(shì)由1.0%降為0.9%，淬火油溫由40～60 ℃提高到70～80 ℃，冷卻方式由零件入油強(qiáng)烈攪拌改為攪拌2 min 停止攪拌并靜冷，結(jié)合20 μm錐度反畸變加工方法，成功將條形槽畸變控制在技術(shù)范圍內(nèi)，錐度畸變?yōu)?1～+5 μm，畸變量為+20～+30 μm，轉(zhuǎn)軸表面硬度均勻性與硬度梯度分布情況和原工藝相近，其他技術(shù)指標(biāo)均能達(dá)到圖紙要求，效果良好。

3) 采用改進(jìn)工藝進(jìn)行小批量生產(chǎn)時(shí)，條形槽錐度畸變量為+1～+8 μm，畸變量為+15～+35 μm，畸變程度并未顯著增加，說(shuō)明改進(jìn)措施可靠，工藝性能穩(wěn)定，具備應(yīng)用于大規(guī)模量產(chǎn)的條件。