霍金元， 陳國軍， 鄭德信

(萬向錢潮股份有限公司， 浙江 杭州 311200)

三柱槽殼是等速驅(qū)動軸總成的關(guān)鍵部件，分為內(nèi)花鍵和外花鍵兩類。三柱槽殼內(nèi)花鍵部位須具有良好的耐磨性能和抗疲勞性能，一般選用20CrMnTi、20Cr等低碳合金鋼進(jìn)行滲碳淬火或者Cf53、55鋼等中碳碳素結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行感應(yīng)淬火[1]。三柱槽殼內(nèi)花鍵感應(yīng)淬火的難點(diǎn)在于定位方式的選擇、內(nèi)外噴淋設(shè)計和感應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計。關(guān)于內(nèi)花鍵或小內(nèi)孔感應(yīng)淬火工藝有諸多報道[2-6]，但側(cè)重于感應(yīng)器設(shè)計，沒有結(jié)合定位方式、噴淋設(shè)計進(jìn)行系統(tǒng)闡述，且以滿足熱處理要求為目標(biāo)，未系統(tǒng)研究感應(yīng)器結(jié)構(gòu)帶來的節(jié)能效果。本文采用內(nèi)孔和端面定位，在外噴保護(hù)條件下，利用鑲裝硅鋼片的U形感應(yīng)器對三柱槽殼內(nèi)花鍵進(jìn)行感應(yīng)淬火，開發(fā)了一種節(jié)能感應(yīng)淬火工藝，提出了一種三柱槽殼內(nèi)花鍵感應(yīng)淬火的節(jié)能途徑。

1 技術(shù)要求及試驗方法

1.1 技術(shù)要求

三柱槽殼內(nèi)花鍵部位材料為中碳碳素結(jié)構(gòu)鋼，內(nèi)花鍵感應(yīng)淬火后表面硬度要求為60～64 HRC，有效硬化層深度為1.0～2.3 mm(從花鍵齒底開始測量)，淬火區(qū)域如圖1所示。

圖1 三柱槽殼內(nèi)花鍵感應(yīng)淬火技術(shù)要求Fig.1 Induction hardening requirements of the internal spline in tulip

1.2 試驗方法

采用頻率段8～20 kHz，最大輸出功率為300 kW的全自動淬火機(jī)床對內(nèi)花鍵進(jìn)行感應(yīng)淬火，如圖2所示。定位面為工件φ54 mm內(nèi)孔和端面，如圖2(a)所示。定位工裝如圖2(b)所示，其外圓與工件內(nèi)孔單邊間隙為0.10～0.28 mm，高度H=53 mm，占工件φ54 mm內(nèi)孔深度的72.6%。定位工裝高度H過小，工件易因電磁力[7]吸引而傾斜打火。加熱部分外表面采用噴淋保護(hù)，外表面保護(hù)噴淋圈如圖2(c)所示，其內(nèi)徑φ120 mm，外徑φ158 mm，高度40 mm，孔徑φ2 mm，孔距7 mm。感應(yīng)器設(shè)計了A型和B型兩種，如圖2(d, e)所示，其有效加熱部分為U形結(jié)構(gòu)矩形紫銅管，并鑲裝Π形硅鋼片，兩種感應(yīng)器的區(qū)別如表1所示。加熱過程中感應(yīng)器不動，工件以設(shè)定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。加熱結(jié)束后，感應(yīng)器停留在加熱位置不動，外表面保護(hù)噴淋保持開啟，位于感應(yīng)器有效加熱圈上方的淬火液噴射孔開始往內(nèi)花鍵孔內(nèi)噴射淬火液，淬火液采用聚合物水溶液。

表1 A型感應(yīng)器與B型感應(yīng)器的設(shè)計參數(shù)差異

圖2 感應(yīng)淬火系統(tǒng)示意圖(a)感應(yīng)淬火裝置；(b)定位工裝；(c)噴淋圈；(d)A型感應(yīng)器；(e)B型感應(yīng)器Fig.2 Schematic diagrams of the induction hardening system(a) induction hardening equipment； (b) positioning tooling； (c) spraying ring； (d) A type inductor； (e) B type inductor

在此設(shè)備條件下，用A型和B型感應(yīng)器分別對三柱槽殼內(nèi)花鍵進(jìn)行淬火，淬火工藝參數(shù)如表2所示。

表2 感應(yīng)淬火工藝參數(shù)

試驗過程穩(wěn)定，未出現(xiàn)因電磁力吸引工件導(dǎo)致的打火現(xiàn)象。

2 試驗結(jié)果

分別采用A型和B型感應(yīng)器及其對應(yīng)的工藝參數(shù)對花鍵部位進(jìn)行感應(yīng)淬火，淬火區(qū)域的表面形貌和顯微組織如圖3所示。經(jīng)測量，采用A型感應(yīng)器淬火時，花鍵部位有效硬化層深度為1.6 mm，表面硬度63.2 HRC，顯微組織根據(jù)JB/T 9204—2008《鋼件感應(yīng)淬火金相檢驗》評為馬氏體5級。采用B型感應(yīng)器淬火時，花鍵部位有效硬化層深度為1.9 mm，表面硬度63.5 HRC，顯微組織根據(jù)JB/T 9204—2008標(biāo)準(zhǔn)評為馬氏體4級。從試驗結(jié)果可以看出，在本文工藝條件下，兩種感應(yīng)器均能滿足感應(yīng)淬火要求。

圖3 三柱槽殼體內(nèi)花鍵感應(yīng)淬火區(qū)域的表面形貌(a, c)和顯微組織(b, d) (a,b)A型感應(yīng)器； (c,d)B型感應(yīng)器Fig.3 Surface morphologies(a, c) and microstructure(b, d) of the induction hardened region of the internal spline in tulip(a,b) A type inductor； (c,d) B type inductor

3 分析與討論

3.1 感應(yīng)器結(jié)構(gòu)對淬火參數(shù)的影響

由表2可以看出，兩種感應(yīng)器結(jié)構(gòu)的淬火參數(shù)差異主要體現(xiàn)在加熱時間和加熱功率方面，在冷卻時間、淬火液濃度及溫度、淬火液流量、頻率方面差異不大。根據(jù)試驗結(jié)果，采用B型感應(yīng)器淬火比采用A型感應(yīng)器淬火得到的有效硬化層深度深0.3 mm，而所需的加熱時間短、功率小，其主要原因為：

1) B型感應(yīng)器與內(nèi)花鍵表面的間隙小。根據(jù)鄰近效應(yīng)可知：間隙越小，相同條件下硬化層深度越深；間隙越大，相同條件下硬化層深度越淺[8]。

2) B型感應(yīng)器有效加熱部分兩側(cè)銅管均鑲硅鋼片。U形感應(yīng)器左右兩側(cè)銅管電流大小相等，方向相反。在不鑲裝導(dǎo)磁體的情況下，由于表面效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，電流分布在銅管內(nèi)側(cè)，遠(yuǎn)離工件，如圖4(a) 所示，工件上的感應(yīng)渦流強(qiáng)度低，加熱效率低[8]。鑲裝Π形硅鋼片后，由于硅鋼片的槽口效應(yīng)，電流在銅管的外側(cè)分布[8]，離工件近，如圖4(b)所示，工件上的感應(yīng)渦流強(qiáng)度高，加熱效率高。

圖4 電流在感應(yīng)器銅管上的分布示意圖(a)不鑲裝硅鋼片；(b)鑲裝硅鋼片F(xiàn)ig.4 Schematic diagrams of the current distribution on copper tube of the inductor(a) without silicon steel sheet; (b) with silicon steel sheet

3) B型感應(yīng)器有效加熱部分銅管截面尺寸為10 mm(L)×6 mm(W)×1.5 mm，A型感應(yīng)器有效加熱部分銅管截面尺寸為8 mm(L)×8 mm(W)×1.5 mm，如圖2(d, e)所示。在滿足淬火要求的情況下，感應(yīng)器尺寸的W越小，效率越高[7]，L越大，內(nèi)花鍵表面與銅管鄰近面積越大，如圖5 所示，鄰近效應(yīng)得到增強(qiáng)，感應(yīng)器效率越高[9]。

圖5 感應(yīng)器銅管與零件內(nèi)孔表面間隙示意圖Fig.5 Schematic diagram of the gap between the copper tube of inductor and the inner hole surface of part

4) B型感應(yīng)器導(dǎo)電管部分長62 mm，較A型感應(yīng)器短24 mm。感應(yīng)器上的功率沿導(dǎo)體長度分配，導(dǎo)電部分長度越短，有效加熱部分分配的功率越多[10]。

3.2 感應(yīng)器結(jié)構(gòu)對節(jié)能增產(chǎn)的影響

對比淬火參數(shù)及結(jié)果可以看出，與A型感應(yīng)器相比較，B型感應(yīng)器淬火不僅有效硬化層深度深，而且預(yù)熱功率系數(shù)低11.1%，加熱功率系數(shù)低16.5%，總加熱時間降低36.7%，節(jié)拍減短2.9 s。根據(jù)表2分別計算A型感應(yīng)器和B型感應(yīng)器的單件淬火能耗：

WA=(4.9/3600)×90%P+(3.0/3600)×97%P

=2.033×10-3P

(1)

WB=(2.0/3600)×80%P+(3.0/3600)×81%P

=1.119×10-3P

(2)

式中：P為設(shè)備全輸出功率，單位kW；WA和WB分別為A型感應(yīng)器和B型感應(yīng)器的單件淬火能耗，單位kW·h?？梢姡珺型感應(yīng)器單件能耗降幅達(dá)45.0%。從以上數(shù)據(jù)可以看出，對于三柱槽殼內(nèi)花鍵感應(yīng)淬火，合理的感應(yīng)器設(shè)計能起到顯著的節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率的效果。

4 結(jié)論

1) 利用所設(shè)計的定位工裝、噴淋圈、感應(yīng)器A和B，在設(shè)定的淬火參數(shù)條件下對三柱槽殼內(nèi)花鍵進(jìn)行感應(yīng)淬火，所得淬火表面硬度和淬硬層深度均可以滿足技術(shù)要求。

2) 采用B型感應(yīng)器比A型感應(yīng)器的預(yù)熱功率系數(shù)低11.1%，加熱功率系數(shù)低16.5%，總加熱時間低36.7%，單件能耗低45.0%，節(jié)拍縮短2.9 s，起到了顯著的節(jié)能和提高生產(chǎn)效率的效果。

3) B型感應(yīng)器的有效加熱部分銅管尺寸為10 mm(L)×6 mm(W)×1.5 mm，其與內(nèi)孔間隙為1.7 mm，導(dǎo)電部分長度為62 mm。定位工裝外圓與工件內(nèi)孔單邊間隙設(shè)計為0.10～0.28 mm為宜，工裝高度H在不超過φ54內(nèi)孔深度的前提下應(yīng)盡量大，以防止因電磁力吸引工件引起打火現(xiàn)象。

4) 合理的感應(yīng)器設(shè)計是三柱槽殼內(nèi)花鍵感應(yīng)淬火節(jié)能降本、提高生產(chǎn)效率的有效途徑。設(shè)計感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)時，U型銅管兩側(cè)均鑲硅鋼片為宜，且在滿足淬火要求的情況下，有效加熱部分銅管尺寸L盡量大、W盡量小，導(dǎo)電部分長度盡量短。