晏美華，高秀琴，鐘流發(fā)

(1.贛州泰達(dá)汽車(chē)零部件有限公司，江西 贛州 341000； 2.江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

0 引 言

汽車(chē)法蘭，又稱(chēng)凸緣或突緣是汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中重要零件，變速器輸出法蘭與汽車(chē)的傳動(dòng)軸相連接，然后傳動(dòng)軸把動(dòng)力傳遞給后橋的主減速器，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)運(yùn)動(dòng)[1]。法蘭在工作時(shí)，凸緣段需要與油封配合，要求有較高的表面粗糙度及耐磨性，因此凸緣外圓需進(jìn)行局部感應(yīng)淬火。感應(yīng)淬火是利用電磁感應(yīng)原理，通有一定頻率電流的感應(yīng)器在工件內(nèi)部產(chǎn)生渦流而實(shí)現(xiàn)工件加熱，使工件在很短時(shí)間內(nèi)，局部溫度達(dá)到材料相變溫度進(jìn)行淬火，從而提高工件的表面層硬度[2]，可獲得高疲勞強(qiáng)度高耐磨性能，感應(yīng)淬火具有高效率、節(jié)能環(huán)保、容易機(jī)械化等優(yōu)點(diǎn)[3]。感應(yīng)淬火淬硬層深度受設(shè)備頻率、加熱時(shí)間、感應(yīng)器與零件之間間隙等影響。頻率越高、淬硬層越淺，而頻率一定時(shí)，加熱時(shí)間越長(zhǎng)，淬硬層深越深，隨著淬硬層深加深，內(nèi)孔變形將增大[4]。張紅英等對(duì)45 鋼圓柱試樣與感應(yīng)圈之間的間隙尺寸對(duì)試樣淬硬層深度的影響進(jìn)行了研究[5]。某型號(hào)汽車(chē)變速器輸出法蘭，在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，由于受具體感應(yīng)加熱設(shè)備40 kHz頻率限制，法蘭在感應(yīng)淬火后存在淬硬層深度偏深達(dá)2.50 mm以上，過(guò)大的淬硬層深度加大了內(nèi)孔變形，直接影響后一道內(nèi)花鍵拉削工序的內(nèi)花鍵表面質(zhì)量及拉刀的使用壽命。通過(guò)試驗(yàn)，在現(xiàn)有設(shè)備、參數(shù)不變的條件下，通過(guò)減小感應(yīng)加熱器與法蘭的間隙，達(dá)到降低淬硬層濃度，最終實(shí)現(xiàn)減小內(nèi)孔變形，降低生產(chǎn)成本的目標(biāo)，為同類(lèi)產(chǎn)品感應(yīng)器設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究對(duì)象及理論計(jì)算

1.1 研究對(duì)象

如圖1所示的法蘭，材料為S45C鋼，毛坯整體調(diào)質(zhì)處理后φ42.15 mm外圓需感應(yīng)淬火。為了減小內(nèi)孔熱變形的影響，在現(xiàn)有工藝過(guò)程中，一般先預(yù)留一定的加工余量，法蘭感應(yīng)淬火后增加一道內(nèi)孔精車(chē)工序。

圖1 試驗(yàn)對(duì)象

1.2 感應(yīng)淬火相關(guān)理論

對(duì)于實(shí)心圓柱形鋼制零件而言，電流透入深度Δ一般用式(1) 進(jìn)行計(jì)算[6]:

(1)

式中:ρ為S45C鋼的電阻率，20 ℃時(shí)ρ≈10-5Ω·cm，800 ℃時(shí)ρ≈10-4Ω·cm；μ為鋼的磁導(dǎo)率，在20 ℃時(shí)μ≈100，在800 ℃時(shí)，μ≈1；f為加熱設(shè)備電流頻率，Hz。

對(duì)于材料為45的法蘭而言，表面層達(dá)到800 ℃時(shí)ρ和μ已是定值，可將式(1)整理，得到電流透入深度的簡(jiǎn)化的Δ800計(jì)算公式：

(2)

將文中感應(yīng)淬火加熱頻率f=40 kHz代入式(2)得法蘭盤(pán)表面層深度Δ800=2.50 mm。

2 試驗(yàn)裝置及方法

2.1 試驗(yàn)裝置

感應(yīng)加熱裝置如圖2所示。

圖2 感應(yīng)淬火試驗(yàn)裝置

圖2(a)為，GY-1050型號(hào)感應(yīng)加熱淬火機(jī)，設(shè)備功率75 kW，頻率40 kHz，圖2(b)為感應(yīng)加熱器局部圖規(guī)格圖，由圖可見(jiàn)，感應(yīng)器內(nèi)徑48 mm、高度25 mm，材料為紫銅。

2.2 試驗(yàn)方法

加熱安裝如圖3所示。具體工藝：加熱2.5 s、水冷10 s，淬火介質(zhì)為水，水的溫度15～30 ℃。水的壓力0.2～0.3 MPa，工件的旋轉(zhuǎn)速度90 r/min。淬火后在200 ℃爐內(nèi)回火，保溫150 min。

圖3 法蘭感應(yīng)加熱安裝1.感應(yīng)加熱器 2.法蘭

2.3 感應(yīng)淬火正常工藝試驗(yàn)

首先，對(duì)感應(yīng)加熱器與法蘭正常設(shè)計(jì)間隙為3.00 mm時(shí)進(jìn)行試驗(yàn),并記為1#試樣，得到結(jié)果如下。

(1) 金相組織檢驗(yàn) 在金相顯微鏡下金相檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。法蘭經(jīng)表面感應(yīng)淬火后，表面得到隱針淬火馬氏體+少量殘余奧氏體，而心部保留了原來(lái)的調(diào)質(zhì)后回火索氏體組織。

圖4 間隙4.0 mm法蘭感應(yīng)淬火表面金相組織

(2) 硬度 采用HRA-150洛氏硬度計(jì)及HB-3000布氏硬度計(jì)對(duì)法蘭φ42外圓表面、心部位置進(jìn)行硬度檢測(cè)，結(jié)果如表1所列。

表1 法蘭感應(yīng)淬火檢測(cè)數(shù)據(jù)表

(3) 淬硬層深度 使用HXD-1000TM型顯微維氏硬度計(jì)，對(duì)法蘭外圓感應(yīng)淬火后從表面至心部，每間隔0.20 mm檢測(cè)硬度，可得調(diào)質(zhì)與等溫正火兩種狀態(tài)硬度梯度分布曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 法蘭感應(yīng)淬火硬度梯度

由圖5可知硬度值隨著距表面的距離增加而降低。在1.50 mm以?xún)?nèi)，硬度下降較緩慢，小于20 HV，隨著距離進(jìn)一步加大，硬度以較快的速度下降，直至心部為原有的基體硬度。根據(jù)硬度法測(cè)量淬硬層深度規(guī)定可知，淬硬層深度是指硬度測(cè)至450 HV處，如圖中點(diǎn)a所示，其值為2.52 mm。

(4) 內(nèi)孔變形量測(cè)量 為定量對(duì)比感應(yīng)熱處理對(duì)內(nèi)孔變形的影響，采用18～35 mm量程的內(nèi)徑千分表對(duì)法蘭內(nèi)孔感應(yīng)淬火前、后尺寸進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表2所列。

表2 法蘭感應(yīng)淬火內(nèi)孔變形檢測(cè)數(shù)據(jù)表 /mm

2.4 感應(yīng)淬火淬硬層深度優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

針對(duì)現(xiàn)有感應(yīng)淬火條件下，淬硬層偏深、內(nèi)孔變形大的問(wèn)題，在不增加設(shè)備投入的情況下，通過(guò)調(diào)整感應(yīng)加熱器與法蘭的間隙，以驗(yàn)證對(duì)法蘭淬硬層深度、內(nèi)孔變形的影響。

(1) 試驗(yàn)方法

將法蘭外圓車(chē)削至以下尺寸：φ41.50 mm記為2#試樣、φ41.00 mm記為3#試樣、φ40.50 mm記為4#試樣、φ40.00 mm并記為5#試樣。按與上節(jié)相同的感應(yīng)加熱參數(shù)，對(duì)感應(yīng)淬火后的2#～5#法蘭的最大內(nèi)孔變形量及硬度梯度進(jìn)行檢測(cè)。

(2) 試驗(yàn)結(jié)果

① 感應(yīng)淬火前后內(nèi)孔尺寸及最大變形 為檢測(cè)內(nèi)孔變形，將法蘭感應(yīng)淬火前后內(nèi)孔尺寸進(jìn)行對(duì)比，并計(jì)算出內(nèi)孔最大變形量如表3所列。由表3可知，試樣2#～5#感應(yīng)淬火后法蘭內(nèi)孔均產(chǎn)生不同程度的變形，且隨著感應(yīng)器與法蘭間隙增加的增大，內(nèi)孔最大變形量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)間隙由3.25 mm增大到3.75 mm時(shí)，變形量由0.036 mm明顯降至0.025 mm,間隙進(jìn)一步增加至4.00 mm時(shí)，變形量降至0.018 mm。

表3 法蘭感應(yīng)淬火內(nèi)孔變形檢測(cè)數(shù)據(jù)表 /mm

② 金相組織 對(duì)試樣2#～5#金相檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。由圖6(a)～(d)可見(jiàn)，表面得到隱針淬火馬氏體+少量殘余奧氏體。

圖6 法蘭感應(yīng)淬火表面金相組織

③ 硬度梯度及淬硬層深度 圖7為2#～5#法蘭感應(yīng)淬火后沿縱向的截面圖。

圖7 感應(yīng)淬火后縱向截面圖

對(duì)以上試樣檢測(cè)硬度梯度，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，4件試樣在距離表面0.80 mm內(nèi)硬度下降較慢，小于10 HV，每件試樣的硬度均隨著距外圓表面距離的增加，而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)距表面距離相同時(shí)，點(diǎn)b為2#試樣淬硬層深度，其值Ds=2.50 mm；3#試樣如點(diǎn)c所示Ds=2.35 mm；4#試樣如點(diǎn)d所示Ds=2.24 mm，5#樣如圖點(diǎn)e所示Ds=1.82 mm?？梢?jiàn)隨著間隙的加大，淬硬層深度將減小。

圖8 法蘭感應(yīng)淬火硬度梯度

根據(jù)以上感應(yīng)器與法蘭表面的間隙實(shí)驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)整理得到間隙與法蘭表面硬度、淬硬層深度、內(nèi)孔最大變形量的關(guān)系如表3所列。

表4 法蘭感應(yīng)淬火檢測(cè)數(shù)據(jù)表

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

將1#～5#法蘭的試驗(yàn)結(jié)果整理，可得不同間隙下的5件試樣表面硬度、淬硬層深度、內(nèi)孔變形量結(jié)果如下。

(1) 表面硬度變化情況如圖9所示。由圖可知間隙尺寸對(duì)表面硬度影響較小，5件試樣表面硬度最大偏差為1HRC，原因在于法蘭經(jīng)表面感應(yīng)淬火后，在一定的淬硬層深度范圍內(nèi)，得到高硬度的馬氏體組織。

圖9 1#～5#試樣表面硬度

(2) 淬硬層深度及內(nèi)孔變形量如圖10所示。由圖可見(jiàn)，淬硬層深度及內(nèi)孔最大變形隨著間隙的增大而下降。當(dāng)間隙由3.00 mm增加3.25 mm時(shí)，淬硬層深度以及內(nèi)孔變形變化不明顯。當(dāng)間隙由3.75 mm增至4.00 mm時(shí)，淬硬層深度由2.24 mm快速下降至1.82 mm，當(dāng)間隙由3.50 mm增至3.75 mm時(shí)，內(nèi)孔變形有個(gè)快速下降的過(guò)程，即0.034 mm降至0.025 mm，當(dāng)間隙進(jìn)一步由3.75 mm增至4.00 mm時(shí)，內(nèi)孔變形降至0.018 mm，此時(shí)已滿(mǎn)足工藝<0.020 mm的要求。由于隨著間隙的增加，淬硬層深度減小，降低了外圓表面淬火對(duì)內(nèi)孔的熱影響，從而降低了內(nèi)孔變形。

圖10 1#～5#試樣淬硬層深度及內(nèi)孔變形量

(3) 根據(jù)試驗(yàn)所得的結(jié)果，通過(guò)Matlab編程對(duì)1#～5#法蘭的淬硬層深度及內(nèi)孔變形量進(jìn)行3次多項(xiàng)式擬合，設(shè)間隙為t，淬硬層深度Ds，變形量為Df，得擬合公式：

Ds=-0.9600t3+9.2114t2-29.6600t+34.5246

(3)

Df=0.0160t3-0.1897t2+0.7170t-0.8388

(4)

由式(3)、式(4)得到擬合曲線(xiàn)如圖11所示。由圖可見(jiàn)，擬合結(jié)果相對(duì)較好。

圖11 法蘭感應(yīng)淬火擬合曲線(xiàn)

4 結(jié) 論

(1) 通過(guò)增加感應(yīng)加熱器與法蘭之間的間隙，降低了淬硬層深度，最終減小了內(nèi)孔變形，使變形量符合<0.020 mm的技術(shù)要求多項(xiàng)式擬合及預(yù)測(cè)。

(2) 通過(guò)Matlab編程對(duì)淬硬層深度及內(nèi)孔變形進(jìn)行3次多項(xiàng)式擬合，得到擬合曲線(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)淬硬層深度及內(nèi)孔變形的預(yù)測(cè)，為類(lèi)似產(chǎn)品的感應(yīng)器設(shè)計(jì)提供參考。