尹玉明

摘要：文章通過提高機(jī)油泵關(guān)鍵零件花鍵軸的壽命的方式來提高機(jī)油泵的使用壽命，研究花鍵軸的失效機(jī)理，采用有限元軟件分析不同淬火條件下花鍵淬火溫度場(chǎng)，結(jié)合淬火試驗(yàn)的結(jié)果快速確定其高頻感應(yīng)淬火工藝參數(shù)，并設(shè)計(jì)制造相應(yīng)的高頻感應(yīng)淬火裝置。

關(guān)鍵詞：機(jī)油泵;花鍵軸;有限元;高頻感應(yīng)淬火

0 ?引言

目前，裝備有6AT（6檔液力變速器）變速器的自動(dòng)擋汽車在實(shí)際道路行駛狀況下，其油泵有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)失效問題。分析原因發(fā)現(xiàn)機(jī)油泵中的關(guān)鍵零部件花鍵軸破壞常常是失效的重要原因，它的破壞會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)油泵的使用壽命[1]。

針對(duì)川力科技股份有限公司現(xiàn)有的6AT變速器配套機(jī)油泵上的花鍵軸在使用中出現(xiàn)鍵齒斷裂的問題，根據(jù)花鍵軸材料和淬火層厚度的工藝要求，采用高頻電磁感應(yīng)加熱和水淬工藝硬化鍵齒從而提高花鍵軸的疲勞壽命。根據(jù)工廠實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一套新的淬火水循環(huán)系統(tǒng)。另外采用有限元分析軟件，模擬不同淬火參數(shù)下花鍵軸的淬火過程，并分析不同工藝參數(shù)對(duì)花鍵軸淬火質(zhì)量的影響。

1 ?研究背景

近年來國(guó)內(nèi)大量生產(chǎn)車用自動(dòng)變速器，但是我國(guó)技術(shù)基礎(chǔ)研究不到位，核心零部件的制造依然是國(guó)內(nèi)企業(yè)的短板，大部分都需要依靠國(guó)外進(jìn)口。作為自動(dòng)變速器的核心功能部件，機(jī)油泵是關(guān)系到汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性等的關(guān)鍵部件之一。自動(dòng)變速器機(jī)油泵總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，涉及流場(chǎng)研究，與液力變矩器和自動(dòng)變速器之間匹配的研究、實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究等復(fù)雜問題，因此油泵總成與銷售一直被國(guó)外企業(yè)壟斷，制約著國(guó)內(nèi)自動(dòng)變速器技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程[2]。

機(jī)油泵需要與液力變矩器和自動(dòng)擋變速器相匹配，而世界上80%的市場(chǎng)份額基本上被三家主要自動(dòng)擋變速器供應(yīng)商牢牢占據(jù)，分別是德國(guó)的采埃孚（ZF）、日本的愛信（Aisin）和捷科特（Jatco），與其變速器配套的油泵的生產(chǎn)技術(shù)也主要由國(guó)外企業(yè)壟斷，且長(zhǎng)期處于領(lǐng)先地位，如日本的住友電氣株式會(huì)社于2011年將其開發(fā)的具有新型齒形轉(zhuǎn)子的高效率油泵用于混合動(dòng)力汽車的變速器上[3]。

由于我國(guó)自動(dòng)檔變速器行業(yè)的發(fā)展起步較晚，技術(shù)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，因此，國(guó)內(nèi)自動(dòng)檔的乘用車80%左右搭乘的是進(jìn)口自動(dòng)檔變速器4AT、5AT、6AT等[4]。隨著具有自主品牌車企投入大量資金對(duì)自動(dòng)檔變速器進(jìn)行研發(fā)，國(guó)內(nèi)開始對(duì)具有國(guó)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)檔變速器研發(fā)，如奇瑞的CVT無極變速器，比亞迪的DCT雙離合變速器，吉利的6AT變速器，東安三菱6AT變速器，山東盛瑞傳動(dòng)的8AT變速器等。雖然有部分品牌實(shí)現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)，但是在使用過程中出現(xiàn)的嚴(yán)重問題（如長(zhǎng)城汽車股份有限公司2015年通過CAE軟件研究的外嚙合齒輪油泵），因此還沒有得到廣泛的應(yīng)用。因此對(duì)變速器關(guān)鍵零部件的研究是國(guó)內(nèi)真正實(shí)現(xiàn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)檔變速器的重要環(huán)節(jié)。

2 ?工藝分析

電磁感應(yīng)加熱主要包括三個(gè)部分：感應(yīng)線圈，交流電源和被加熱的工件，其原理就是感應(yīng)線圈和交流電源相連，感應(yīng)線圈通電后，通過交變電流產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，此交變磁場(chǎng)在工件中產(chǎn)生與感應(yīng)線圈中電流相反的渦流，這個(gè)渦流會(huì)在工件中產(chǎn)生焦耳熱，以達(dá)到加熱工件的目的。

在交變磁場(chǎng)的作用下，由于集膚效應(yīng)，金屬工件內(nèi)部電流分布不均，主要集中在工件表層，內(nèi)部電流較小，從而電磁感應(yīng)加熱溫度會(huì)從外向內(nèi)遞減，水冷淬火后會(huì)產(chǎn)生由表及里的硬化層。適當(dāng)?shù)谋砻嬗不瘜雍穸仍黾恿斯ぜ芰r(shí)表面的滑移阻力，而又不會(huì)在表面產(chǎn)生過高的應(yīng)力集中，從而推遲了疲勞裂紋的萌生而提高疲勞壽命。但過厚的表面硬化層，使工件受力時(shí)在表面產(chǎn)生過高的應(yīng)力集中，這會(huì)降低工件的疲勞壽命。因此為了提高最終零件的壽命，電磁感應(yīng)熱處理的工件硬化層分布以及相應(yīng)各層的硬度分布需要適當(dāng)。

花鍵軸在實(shí)際使用中，壽命極限出現(xiàn)的缺陷主要表現(xiàn)為花鍵軸的鍵齒部位出現(xiàn)裂紋。在考慮花鍵硬度層厚度工藝要求以及工廠生產(chǎn)設(shè)備后，花鍵軸的材料采用45號(hào)鋼，選用高頻電磁感應(yīng)加熱后進(jìn)行水冷作為花鍵軸熱處理的工藝。

花鍵軸在經(jīng)過加工后，零件先整體調(diào)質(zhì)，然后再進(jìn)行感應(yīng)加熱。圖1為臥式高頻感應(yīng)加熱淬火裝置，工件經(jīng)過此裝置加熱淬火后，部分花鍵軸的鍵齒部位會(huì)出現(xiàn)開裂。

零件經(jīng)過電磁感應(yīng)加熱淬火后，其頂端剖面如圖2所示，圖3為花鍵軸頂端剖面金相組織。由于花鍵軸零件整體硬度的工藝需要，在電磁感應(yīng)加熱前已經(jīng)經(jīng)過調(diào)制工藝處理，其硬化層分布比較難分辨，同時(shí)對(duì)金相的分析也有影響。因此為了分析準(zhǔn)確性，改善電磁感應(yīng)加熱參數(shù)，提高零件壽命，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)。

3 ?實(shí)驗(yàn)研究

由于工廠生產(chǎn)條件的限制，電磁感應(yīng)熱處理工藝可以調(diào)整的參數(shù)主要是加熱時(shí)間，即通過控制夾具臺(tái)進(jìn)給速度來控制加熱時(shí)間。為了便于分析計(jì)算，不加工原花鍵軸零件鍵齒部分，采用實(shí)心圓柱45號(hào)鋼制試件進(jìn)行電磁感應(yīng)加熱淬火實(shí)驗(yàn)，試件如圖4（a）所示，對(duì)試件頭部加熱，整個(gè)加熱淬火時(shí)間分別為4s（試件I），7s（試件II），10s（試件III）。試件在經(jīng)過電磁感應(yīng)加熱實(shí)驗(yàn)后，如圖4（b）所示。

通過對(duì)試件頂端進(jìn)行剖切，測(cè)量各加工時(shí)間內(nèi)試件的加工硬化層厚度分布以及相應(yīng)的硬度分布，其結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)工藝設(shè)計(jì)要求，試件II滿足工件熱處理硬化層厚度和硬度分布要求。另外加熱淬火7s的試件，其組織金相分布如圖6所示，其硬化層分布比較明顯（圖6（a）所示）。由于內(nèi)層金相由于加熱溫度較低，沒有發(fā)生組織變化，即鐵素體為主伴有珠光體，所以硬度最低（如圖6（c）所示），而最外層金相加熱到合適的溫度，其加熱淬火后的組織為馬氏體組織（如圖6（b）所示），中間的過渡層金相組織為馬氏體組織和鐵素體混合組織。

另外在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)淬火后的圓柱實(shí)驗(yàn)試件，其硬化層分布不均勻，出現(xiàn)偏心現(xiàn)象。后經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)由于采用臥式感應(yīng)加熱，工件旋轉(zhuǎn)進(jìn)給經(jīng)過感應(yīng)線圈（如圖7所示），感應(yīng)線圈中底部幾個(gè)噴水口由于重力作用，其水壓比其他方位的噴水口噴出水壓小，造成硬化層分布不均的缺陷。

為了改善淬火后工件硬化層分布不均的缺陷，提出如圖8所示的淬火冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，通過系統(tǒng)中的流量計(jì)監(jiān)控各個(gè)噴水管的水流情況，壓力閥和壓力表控制水壓，選用新的感應(yīng)線圈（如圖9所示），可以有效避免噴水不均勻以及水壓壓力過小的缺陷。另外自來水的溫度對(duì)冷卻速度有影響，從而對(duì)淬火裂紋的情況有明顯影響，感應(yīng)淬火時(shí)采用自來水為淬火介質(zhì)，提高水溫能夠減少或消除淬火裂紋[5]，因此在水循環(huán)系統(tǒng)中通過對(duì)水箱加裝加熱棒，從而提高淬火時(shí)自來水溫度。

另外，零件在感應(yīng)加熱后進(jìn)行冷卻淬火，選用合適的淬火介質(zhì)可以保證淬火質(zhì)量，減少花鍵軸的鍵齒部位產(chǎn)生裂紋缺陷的機(jī)率。通過試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)采用濃度為1%的有機(jī)淬火液較采用自來水作為冷卻液可以有效解決淬火裂紋問題。

4 ?有限元模擬研究

本文采用Abaqus通用軟件模擬電磁感應(yīng)加熱過程，分析電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)相互作用。工件采用圓柱體，為了減少計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，采用1/8模型建模。模型包括三部分：工件、感應(yīng)線圈以及二者之間的空氣。

采用150kHz頻率的交變電流，模擬計(jì)算結(jié)果如圖10所示，由于電磁感應(yīng)加熱的集膚效應(yīng)，磁通密度分布和感應(yīng)電流密度集中在表層，同時(shí)還集中在離感應(yīng)線圈較近處，相應(yīng)的焦耳熱分布如圖11所示。

通過模擬計(jì)算熱交換，得到工件感應(yīng)加熱后溫度隨時(shí)間分布，如圖12所示。工件外部開始加熱時(shí)溫度上升很快，隨后當(dāng)達(dá)到一個(gè)峰值，之后又會(huì)略微降低，最后溫度會(huì)小幅上升并逐漸平穩(wěn)，而工件內(nèi)部溫度則基本保持不變。

另外，相同電流密度的情況下，如果設(shè)定的感應(yīng)頻率越高，工件表面的溫度上升就越快，而由于集膚效應(yīng)的影響，工件內(nèi)部感應(yīng)熱量相對(duì)來說就小很多，并且工件內(nèi)部的溫度波動(dòng)較小。如果加熱頻率較低，則工件外表面和內(nèi)部的加熱溫差不會(huì)特別大，加熱的均勻效果較好。

5 ?結(jié)論

本文針對(duì)工廠現(xiàn)有花鍵軸的鍵齒失效破壞問題，采用實(shí)驗(yàn)和有限元分析的方法，提出了以下幾點(diǎn)工藝優(yōu)化措施：

①為了保證淬火硬化層厚度和硬度，對(duì)花鍵軸采用連續(xù)感應(yīng)加熱，加熱淬火總時(shí)間以7s最合適;

②為了改善淬火硬化層分布均勻性，設(shè)計(jì)一套新的淬火水冷循環(huán)系統(tǒng)。加裝壓力閥、壓力表和流量計(jì)監(jiān)控水流，改善水箱加熱方式，采用新的感應(yīng)線圈，顯著減少甚至消除淬火裂紋。另外采用1%濃度的有機(jī)淬火液替換自來水也可有效消除淬火裂紋;

③通過有限元軟件模擬電磁感應(yīng)加熱過程得出，在相同電流密度的情況下，頻率越高，工件表面的溫度上升就越快。根據(jù)模擬結(jié)果設(shè)置最佳感應(yīng)加熱頻率為150kHz。

參考文獻(xiàn)：

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