張高峰,唐誼平,宣國軍,黃德杰,李 凱,高 柯

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,浙江 杭州 310014;2.浙江萬向精工有限公司,浙江 杭州 311215;3.江西特種電機(jī)股份有限公司,江西 宜春 336000)

0 引 言

作為汽車底盤的重要部件,輪轂軸承單元起著承載和傳動的重要作用[1]。

軸承外圈零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜。通過對溝道區(qū)域進(jìn)行感應(yīng)淬回火處理,可以使其表層達(dá)到較高的硬度,以滿足軸承的實(shí)際使用需要。有研究人員發(fā)現(xiàn),軸承溝道淬硬層的形狀、深度及硬度等特性對于輪轂軸承總成抗沖擊性能具有顯著的影響[2]。因此,輪轂軸承溝道感應(yīng)淬火工藝技術(shù)尤為重要。

張根元等人[3]采用有限元分析方法,對S45C材料軸在不同感應(yīng)淬火工藝條件下的組織與硬度分布進(jìn)行了分析,并且進(jìn)行了實(shí)際測試,結(jié)果發(fā)現(xiàn),實(shí)測結(jié)果與有限元分析結(jié)果接近。許佩宜等人[4]研究了感應(yīng)淬火工藝參數(shù)對輪轂軸承法蘭內(nèi)圈淬硬層和組織的影響,并且得到了感應(yīng)淬火的最佳工藝參數(shù)。羅利強(qiáng)[5]研究了軸承外圈整體淬火溫度場變化情況,并且對淬火后殘余應(yīng)力分布進(jìn)行了分析。王榮等人[6]對曲軸在感應(yīng)淬火后淬硬層深度與表面殘余應(yīng)力進(jìn)行了仿真,并且對其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn),兩者的結(jié)果基本一致。臧樂航等人[7]研究了感應(yīng)加熱溫升速度與感應(yīng)器形狀、感應(yīng)頻率和電流密度的關(guān)聯(lián)性。謝建斌等人[8]基于應(yīng)用數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換方法,研究了45鋼在連續(xù)冷卻時(shí),各相變組織的體積百分?jǐn)?shù)。MUHLBAUER A等人[9]基于邊界元法,研究了三維模型的感應(yīng)加熱仿真分析。TODAKA T等人[10]研究了通過優(yōu)化感應(yīng)線圈的形狀,使工件在感應(yīng)加熱中受熱均勻的方法。LUCIA O等人[11]研究了電磁感應(yīng)加熱技術(shù)未來的發(fā)展和應(yīng)用,結(jié)果表明,其加熱快/安全/清潔等特點(diǎn)使其在機(jī)械領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

有很多學(xué)者對感應(yīng)淬火工藝進(jìn)行了大量的理論與實(shí)踐研究,但對于輪轂軸承單元溝道感應(yīng)淬火工藝的研究,以及溝道淬硬層對抗沖擊性能影響的相關(guān)試驗(yàn)研究則很少。

目前,外圈內(nèi)外側(cè)雙溝道的表層淬硬層沿溝曲率隨形分布,深度較淺,且雙溝道淬硬層區(qū)域相互獨(dú)立,因此,外圈的抗沖擊性能較差。

筆者從工藝實(shí)驗(yàn)與臺架試驗(yàn)角度,通過有限元仿真分析[12]與工藝實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,優(yōu)化外圈感應(yīng)淬火工藝,優(yōu)化溝道淬硬層形狀與深度,并通過路肩沖擊試驗(yàn)對輪轂軸承單元抗沖擊性能提升效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工藝條件分析與工藝方案設(shè)計(jì)

外圈零件與感應(yīng)器及配合示意圖如圖1所示。

其中,外圈零件內(nèi)徑與感應(yīng)線圈配合示意圖如圖1(c)所示。

圖1 外圈零件與感應(yīng)器及配合示意圖

通過調(diào)整感應(yīng)器矩形線圈結(jié)構(gòu)尺寸,筆者將感應(yīng)線圈的寬度W由6 mm加寬至8 mm,以增加感應(yīng)線圈的有效感應(yīng)寬度,從而加寬溝道淬硬層軸向?qū)挾取?/p>

在線圈調(diào)整時(shí),增加感應(yīng)線圈寬度W,且減小軸向間距Y,會使線圈與溝道擋邊的最小距離變小。因鄰近效應(yīng)與尖角效應(yīng)[13]影響,會導(dǎo)致溫度在擋邊尖角處聚集。溫度過高會導(dǎo)致該位置組織粗大和熱應(yīng)力集中的問題,甚至產(chǎn)生淬火裂紋[14]。

因此,在中頻感應(yīng)加熱中應(yīng)保證線圈與擋邊最小距離≥2 mm[15]。所以,合理調(diào)整線圈間距L(即軸向間距Y)以及淬火工藝參數(shù),如電源電壓與加熱時(shí)間,就成了該工藝方法的關(guān)鍵。

針對感應(yīng)器結(jié)構(gòu)尺寸與工藝參數(shù)對感應(yīng)加熱的影響,筆者設(shè)計(jì)了以下工藝方案。

感應(yīng)熱處理工藝方案設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 感應(yīng)熱處理工藝方案設(shè)計(jì)表

表1中,感應(yīng)線圈與外圈內(nèi)徑的間隙X保持為1 mm,以減少漏磁;電源頻率f保持為12 000 Hz,以達(dá)到合適的透入深度。

筆者對不同的工藝方案采用有限元分析法進(jìn)行仿真分析,并將分析結(jié)果,如淬硬層深度和形狀,與工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析,以得到合適的感應(yīng)熱處理工藝方案。

2 材料特性與有限元分析模型

2.1 SAE1055材料物理性能

此處的輪轂軸承單元外圈零件采用SAE1055碳素結(jié)構(gòu)鋼材料。

材料主要化學(xué)成分如表2所示。

表2 SAE1055材料主要化學(xué)成分表(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

筆者基于JMatPro材料組織性能模擬軟件,計(jì)算得到該材料相關(guān)的電磁熱物理參數(shù),如熱導(dǎo)率、比熱容、電阻率、相對磁導(dǎo)率等。

材料電磁熱物理參數(shù)如圖2所示。

圖2 SAE1055材料電磁熱物理參數(shù)

2.2 有限元仿真分析模型建立

考慮到實(shí)際外圈零件帶凸緣結(jié)構(gòu),因此在凸緣處的材料厚度較厚,可能對感應(yīng)熱處理的透入深度有影響。

筆者對同一外圈的凸緣處與非凸緣處進(jìn)行對比分析,以判斷該零件不同位置的淬硬層深度是否均勻,從而建立合適的仿真分析模型。

筆者經(jīng)過對外圈零件兩凸緣中間位置(材料薄)和凸緣位置(材料厚)進(jìn)行軸向剖切分析溝道淬硬層深度后,發(fā)現(xiàn)外圈溝道各處的淬硬層深度接近,從而認(rèn)為該零件的周向感應(yīng)加熱均勻性較好,凸緣結(jié)構(gòu)對感應(yīng)加熱深度影響不大。

外圈滾道淬硬層均勻性檢測結(jié)果如圖3所示。

圖3 外圈滾道淬硬層均勻性檢測圖

由此可見,在有限元仿真模型中采用中心軸對稱的二維簡化模型是合理的。

輪轂軸承單元外圈零件有限元分析模型如圖4所示。

圖4 輪轂軸承單元外圈有限元仿真模型

2.3 有限元網(wǎng)格劃分與邊界條件

在感應(yīng)熱處理過程中,外圈滾道與內(nèi)徑表層在感應(yīng)加熱與淬火時(shí),對溫度分析的精確度要求較高,因此,在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),對滾道與內(nèi)徑表層網(wǎng)格要求更精細(xì),而外表面網(wǎng)格在保證輪廓形狀的基礎(chǔ)上可劃分較粗,以減少網(wǎng)格數(shù)量,提高計(jì)算結(jié)果的精確度和效率。

考慮到在加熱時(shí)，空氣與工件表面存在輻射換熱和對流換熱邊界條件,筆者取輻射換熱系數(shù)為0.5 W/(m2·K4),對流換熱系數(shù)20 W/(m2·K)。筆者取環(huán)境溫度和外圈初始溫度為20 ℃。

2.4 感應(yīng)淬火組織轉(zhuǎn)變與淬火深度判定

外圈材料原始組織為均勻分布的珠光體+鐵素體組織,滾道表層組織經(jīng)過感應(yīng)加熱轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體組織。

在淬火液對外圈表面充分冷卻的條件下,溫度在AC3臨界溫度以上的區(qū)域,淬火后為100%馬氏體M組織,為完全淬硬層;加熱溫度在AC1溫度以下區(qū)域,淬火后不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變;在AC3到AC1溫度之間區(qū)域,淬火后為馬氏體M+珠光體P+鐵素體F組織區(qū)域,取AC3和AC1中間溫度T處為產(chǎn)生50%馬氏體M組織的位置,判斷為有效淬硬層深度[16]。

筆者基于JMatPro材料模擬軟件分析可得,AC3、AC1溫度點(diǎn)分別為776.9 ℃、735.2 ℃。

考慮感應(yīng)加熱的特殊性,感應(yīng)加熱速率較快,會造成臨界溫度AC3、AC1略變高30 ℃～50 ℃,因此,筆者取有效淬硬層深度的加熱溫度T為790 ℃。

3 數(shù)值分析與工藝驗(yàn)證結(jié)果

3.1 數(shù)值分析結(jié)果

根據(jù)工藝設(shè)計(jì)方案與有限元分析方法,針對輪轂軸承外圈模型進(jìn)行感應(yīng)加熱過程仿真分析,筆者對外圈零件感應(yīng)加熱溫度場進(jìn)行模擬,并基于感應(yīng)淬火組織轉(zhuǎn)變與淬硬層深度判定原則,對外圈內(nèi)外側(cè)滾道淬硬層深度與形狀進(jìn)行了對比分析。

各方案感應(yīng)加熱溫度場對比結(jié)果如圖5所示。

圖5 各方案感應(yīng)加熱溫度場對比圖

有限元仿真分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 感應(yīng)淬火有限元仿真分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

結(jié)合圖5和表3有限元分析結(jié)果可得:

(1)單調(diào)整軸向間距Y,會造成滾道溝底處深度太淺,而不符合淬硬層深度設(shè)計(jì)要求。如方案1與方案2對比可見,方案2的外圈溝底深度不大于2 mm,深度不達(dá)標(biāo);

(2)在增加線圈寬度后,通過調(diào)整軸向間距Y,可有效調(diào)整溝道淬硬層形狀,使內(nèi)外側(cè)雙溝道達(dá)到連貫狀態(tài),如方案3和方案4對比結(jié)果;

(3)外圈溝道擋邊處因鄰近效應(yīng)與尖角效應(yīng)對熱量的集聚效果,因此,擋邊處溫度最高。若外圈溝道擋邊處與感應(yīng)線圈間距太近,會造成擋邊尖角附近溫度過高,從而使淬火馬氏體組織粗大。

3.2 工藝實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

基于改進(jìn)結(jié)構(gòu)尺寸后的感應(yīng)器與感應(yīng)加熱工藝參數(shù),如感應(yīng)電壓、加熱時(shí)間、冷卻時(shí)間等,筆者對外圈零件進(jìn)行了工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;之后,對試驗(yàn)件開展金相分析,包括外圈淬硬層形狀、深度、金相組織、表面硬度等。

淬火后外圈零件淬硬層與金相組織如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后外圈溝道組織圖

改進(jìn)前后外圈溝道金相分析結(jié)果如表4所示。

表4 改進(jìn)前后外圈溝道金相分析結(jié)果表

分析圖6與表4可得:

(1)感應(yīng)器改進(jìn)與工藝參數(shù)調(diào)整后,外圈零件溝道接觸角位置淬硬層深度顯著增加,雙溝道淬硬層形狀調(diào)整為連貫狀;

(2)工藝優(yōu)化后,外圈內(nèi)側(cè)溝道接觸角處淬硬層深度增加0.3 mm,外圈外側(cè)溝道接觸角處淬硬層深度增加0.5 mm,內(nèi)外側(cè)溝道溝底淬硬層深度無明顯變化;溝道表面硬度無顯著變化;擋邊處馬氏體組織略有長大,但仍符合3-7級使用要求;

(3)由試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析誤差對比結(jié)果可得,溝道接觸角與溝底位置淬硬層深度誤差在10%以內(nèi),這表明有限元分析結(jié)果與實(shí)際工藝驗(yàn)證結(jié)果較吻合,也證明了有限元分析結(jié)果的合理性與可行性。

4 工藝優(yōu)化效果試驗(yàn)與評價(jià)

筆者針對改進(jìn)前后輪轂軸承單元開展路肩沖擊試驗(yàn),以驗(yàn)證溝道淬硬層改善前后對抗沖擊能力的提升效果。

試驗(yàn)樣品選取同批次內(nèi)圈、法蘭零件按照同樣的游隙要求進(jìn)行裝配,保證試驗(yàn)影響因素的均一性。

筆者根據(jù)萬向集團(tuán)企業(yè)試驗(yàn)規(guī)范開展路肩沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)條件為加載半徑300 mm,加載彎矩分別為2.55 kNm(M1)、3.40 kNm(M2)、5.10 kNm(M4)。

試驗(yàn)后,筆者對改進(jìn)前狀態(tài)(方案1)和改進(jìn)后狀態(tài)(方案4)的輪轂軸承進(jìn)行拆解并開展溝道接觸角位置表面檢查與壓痕深度測量。

沖擊試驗(yàn)后溝道接觸角位置壓痕分析結(jié)果如表5所示。

表5 沖擊試驗(yàn)后溝道接觸角位置壓痕分析結(jié)果表

改進(jìn)前后外圈溝道壓痕深度與彎矩關(guān)系趨勢,如圖7所示。

圖7 改進(jìn)前后外圈溝道壓痕深度與彎矩關(guān)系曲線

分析表5與圖7結(jié)果可得:

(1)隨著彎矩水平的增加,外圈內(nèi)外側(cè)溝道接觸角位置壓痕深度隨之增加;同時(shí),改進(jìn)后外圈零件溝道接觸角位置壓痕深度較原始狀態(tài)更小,表明外圈溝道的抗沖擊載荷能力有了顯著的提升;

(2)根據(jù)壓痕深度降比計(jì)算方法可得,在不同彎矩水平下,外圈內(nèi)側(cè)溝道壓痕深度降比最大為60.6%(M1彎矩水平),平均降比為43.0%;外圈外側(cè)溝道壓痕深度降比最大為32.0%(M4彎矩水平),平均降比為21.8%。

該結(jié)果表明,外圈內(nèi)側(cè)溝道抗壓痕能力平均提升43.0%,外圈外側(cè)溝道平均提升21.8%。

5 結(jié)束語

筆者采用有限元分析與工藝實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究了感應(yīng)器結(jié)構(gòu)尺寸與電源設(shè)備參數(shù)對感應(yīng)淬火的影響,通過調(diào)整感應(yīng)器尺寸與電源參數(shù),優(yōu)化了外圈溝道淬硬層深度與形狀,進(jìn)一步通過路肩沖擊試驗(yàn),驗(yàn)證了輪轂軸承單元外圈抗沖擊性能提升效果。

研究結(jié)論如下:

(1)通過調(diào)整感應(yīng)線圈寬度與間距可以有效調(diào)整外圈溝道淬硬層形狀,通過調(diào)整電源電壓與加熱時(shí)間可以有效提高淬硬層深度;

(2)工藝優(yōu)化后,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,外圈內(nèi)側(cè)溝道接觸角淬硬層深度增加0.3 mm,外側(cè)接觸角深度增加0.5 mm,內(nèi)外側(cè)溝道淬硬層形狀連貫,表層組織符合要求;感應(yīng)淬火工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果誤差在10%以內(nèi);

(3)輪轂軸承單元外圈零件內(nèi)側(cè)溝道抗沖擊性能提升43.0%,外側(cè)溝道提升21.8%,抗沖擊性能提升明顯。

在后續(xù)的研究工作中,筆者將就輪轂軸承單元中其他零件的感應(yīng)淬火技術(shù)進(jìn)行研究。