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        新能源汽車電機(jī)轉(zhuǎn)軸條形槽的滲碳淬火畸變控制

        2022-07-26 08:41:38歐陽志芳陳俊健胡偉芳
        金屬熱處理 2022年7期
        關(guān)鍵詞:滲碳錐度條形

        歐陽志芳, 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3大核心系統(tǒng)之一,是車輛行駛的主要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),其特性決定了車輛的主要性能指標(biāo),直接影響車輛動(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)而決定了整車的主要性能[1]。新能源汽車電機(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,在制造過程中通常采用低碳合金鋼配合滲碳淬火工藝來獲得相應(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校直和后續(xù)精加工解決,但條形槽經(jīng)過滲碳淬火后的硬度為60~62 HRC,高硬度導(dǎo)致通過機(jī)加工來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,因此無論是通過機(jī)加工或是傳統(tǒng)的槽內(nèi)填塞物的方法來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)測量儀分別在圖1中的A、B、C 3處檢測條形槽畸變情況,結(jié)果如表1所示,可見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)的開展。經(jīng)過認(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,在冷卻初期零件沒入油后開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結(jié)果,可見條形槽錐度控制在+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,結(jié)果圖4所示??梢?,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??梢姡倪M(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) 通過工藝改進(jìn),將滲碳過程強(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。

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