張亮飛

洛陽升華感應(yīng)加熱股份有限公司 河南洛陽 471000

1 序言

主動(dòng)圓柱齒輪軸是車橋上的一個(gè)重要零件，作為動(dòng)力輸入軸（主動(dòng)圓柱齒輪），其作用是傳遞轉(zhuǎn)矩，因此表面要有足夠的強(qiáng)度，并且心部要具備良好的韌性。

在工作過程中，圓柱齒輪軸需要傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)、承受彎曲疲勞和傳遞轉(zhuǎn)矩，且轉(zhuǎn)矩大，服役條件十分惡劣。因此，該零件結(jié)構(gòu)和使用方式就決定了其應(yīng)具有高的抗彎曲、轉(zhuǎn)矩和疲勞的強(qiáng)度，以及足夠的韌性、塑性和高耐磨性等特點(diǎn)。

在近年的生產(chǎn)過程中，隨著感應(yīng)加熱技術(shù)的不斷發(fā)展，很多廠家已經(jīng)對主動(dòng)圓柱齒輪軸的工藝進(jìn)行了不斷優(yōu)化與創(chuàng)新，大大提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)節(jié)拍。

2 技術(shù)要求

此次試驗(yàn)用主動(dòng)圓柱齒輪軸結(jié)構(gòu)如圖1所示。工件的材料為42CrMoH鋼，淬硬層的要求為：桿部有效硬化層深度DS（450HV5）＝9.0～11.0mm?；ㄦI小徑有效硬化層深度DS（450HV5）＝5.5～8.5mm。R圓角有效硬化層深度DS（450HV5）≥3.0mm。表面硬度56～62HRC。

圖1 主動(dòng)圓柱齒輪軸結(jié)構(gòu)

零件的制造路線為：鍛造→正火→粗車→調(diào)質(zhì)→精車→中頻感應(yīng)淬火→磨外圓。雖然42CrMoH鋼的淬透性較好，但同時(shí)也增大了感應(yīng)淬火的開裂傾向。

3 整體淬火感應(yīng)器的特點(diǎn)和優(yōu)勢

1）開始試驗(yàn)此產(chǎn)品時(shí)，采用的是圓環(huán)感應(yīng)器進(jìn)行加熱，此加熱形式效率很低，且感應(yīng)線圈的使用壽命較短，工藝較復(fù)雜，且圓角處淬硬層深不太理想，淬硬層深偏下限。尖角處組織粗大，在φ70mm與φ56mm過渡處極易出現(xiàn)裂紋，且裂紋呈環(huán)狀，造成工件不合格，工藝穩(wěn)定性極差[1]。

2）對圓環(huán)感應(yīng)器出現(xiàn)的問題，我們進(jìn)行了感應(yīng)器的優(yōu)化，把感應(yīng)器制成仿形感應(yīng)器，采用半幅式整體加熱（兩端部需要兩個(gè)感應(yīng)器分別進(jìn)行加熱），試驗(yàn)結(jié)果得到比較明顯改善，半幅式整體加熱感應(yīng)器，提高了生產(chǎn)效率，并且感應(yīng)器的使用壽命得到了大幅提高。仿形感應(yīng)器的優(yōu)勢：①仿形感應(yīng)器可以按照工件的結(jié)構(gòu)形式和淬硬層區(qū)域仿制而成，具有整體同步加熱及同步噴液淬火的特點(diǎn)，還有就是感應(yīng)器和工件的間隙可以保持基本一致。②可以在工件不易加熱區(qū)域增加導(dǎo)磁體，使不易加熱區(qū)域的電流比較集中，有效地提高了趨膚效應(yīng)和熱傳導(dǎo)效應(yīng)，同時(shí)提高了R角和臺階處的溫度，從而實(shí)現(xiàn)不同部位同步加熱淬火的目的，避免了掃描式感應(yīng)器加熱淬火的缺陷。但是，在淬火時(shí)工件不宜冷卻太久，否則易出現(xiàn)裂紋，若完全冷卻工件，則極易出現(xiàn)裂紋；若不完全冷卻，則工件具有一定的熱量，工人需要兩次裝夾，降低了效率，并且因?yàn)楣ぜ哂幸欢ǖ臒崃?，在掉頭時(shí)容易掉落工件，會(huì)產(chǎn)生工件磕碰或危及人身安全的風(fēng)險(xiǎn)。

3）針對半幅式感應(yīng)器出現(xiàn)的效率問題、需要感應(yīng)器的數(shù)量成本問題，以及工件裝夾次數(shù)的繁瑣性問題，我們進(jìn)一步對感應(yīng)器進(jìn)行了優(yōu)化，使感應(yīng)器真正意義上實(shí)現(xiàn)了整體加熱的條件，真正實(shí)現(xiàn)了對工件進(jìn)行一次裝夾、一次淬火完成，實(shí)現(xiàn)了一根軸兩端不同部位同步加熱淬火的目的。同時(shí)，彌補(bǔ)了半幅式感應(yīng)器加熱造成的缺陷以及半幅式感應(yīng)器加熱出現(xiàn)的效率、裝夾繁瑣問題，并且整體淬火感應(yīng)器還集合了半幅式整體淬火感應(yīng)器的所有優(yōu)點(diǎn)與優(yōu)勢，大大提高了生產(chǎn)效率，解決了反復(fù)裝夾的繁瑣以及重復(fù)裝夾工件造成的工件磕碰傷和危及人身安全的問題，也大幅減少了工人的勞動(dòng)量。

4 淬火工藝及措施

4.1 感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)

感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)

4.2 淬火工藝

（1）應(yīng)用設(shè)備 使用洛陽升華感應(yīng)加熱股份有限公司的感應(yīng)雙工位數(shù)控淬火機(jī)床（見圖3）+ DSP智能化感應(yīng)加熱電源（見圖4）。電源的主要參數(shù)：額定功率250kW，頻率2～6kHz。

圖3 雙工位數(shù)控淬火機(jī)床

圖4 DSP智能化感應(yīng)加熱電源

（2）工藝參數(shù) 調(diào)試的實(shí)際功率190kW，直流電壓484V，直流電流393A，工作頻率3.7kHz；淬火冷卻介質(zhì)為水溶性淬火液，按8%配比。加熱時(shí)間為45s；噴液冷卻時(shí)間為30s。

（3）表面硬度 58～60HRC。

（4）無損檢測 經(jīng)著色檢測發(fā)現(xiàn)裂紋，如圖5所示。

圖5 著色檢測裂紋

4.3 影響零件開裂的因素和控制措施

（1）開裂因素分析 該零件的材料為42CrMoH鋼，要求表面硬度為56～62HRC，開始試驗(yàn)可能存在以下問題：①使用低濃度水溶性淬火介質(zhì)。②冷卻時(shí)，對工件進(jìn)行完全冷透。③水溶性淬火冷卻介質(zhì)溫度偏低。④冷卻速度過快。由圖5可以看出，裂紋為圓周方向，出現(xiàn)在過渡花鍵處，開裂原因主要是零件的尖角效應(yīng)和淬火組織應(yīng)力及熱應(yīng)力的綜合體現(xiàn)[2]。

（2）防止裂紋的控制措施 ①把水溶性淬火介質(zhì)的濃度增加。②合理控制淬火液的溫度。③控制冷卻時(shí)間。④降低冷卻速度。

4.4 工藝優(yōu)化

1）水溶性淬火介質(zhì)的濃度調(diào)整到12%～15%。

2）噴水時(shí)間進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

3）噴水壓力進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

其余參數(shù)不變，進(jìn)行加熱，經(jīng)著色檢測無裂紋，表面硬度及各處硬化層均符合圖樣要求。切樣照片如圖6所示。

圖6 切樣

5 結(jié)束語

采用整體仿形淬火感應(yīng)器，不但能夠避免硬化層不均勻現(xiàn)象，而且對R角、臺階部位的淬硬層要求也很容易滿足，可以實(shí)現(xiàn)同步加熱。整體加熱感應(yīng)器還具有以下優(yōu)勢。

1）實(shí)現(xiàn)對工件進(jìn)行一次裝夾完成整體淬火，減少了掉頭二次裝夾，提高了生產(chǎn)效率。

2）感應(yīng)器和工件的間隙比較一致，避免了掃描感應(yīng)器出現(xiàn)的質(zhì)量不穩(wěn)定的情況。

3）感應(yīng)器和冷卻噴水相對固定，不易損壞，且噴水盒不會(huì)隨著產(chǎn)品型號的更換而更換。

4）通過合理控制水溶性淬火介質(zhì)的濃度和冷卻時(shí)間及冷卻液的溫度，避免零件淬火開裂的危險(xiǎn)。