宋德仁

（沈陽市化工學(xué)校，沈陽 110122）

1 引言

鐘形殼是汽車用等速萬向節(jié)至關(guān)重要的零件之一，它主要由工作部分和聯(lián)結(jié)部分組成，工作部分由內(nèi)球面及若干溝道組成，聯(lián)結(jié)部分由柄部的臺(tái)階面、外花鍵和外螺紋等組成。由于鐘形殼工作承受極其復(fù)雜的交變載荷，為確保其具有足夠可靠性、使用壽命和良好的韌性，必須采用特殊的熱處理工藝。

2 鐘形殼的使用性能要求

（1）工作條件。汽車用等速萬向節(jié)的鐘形殼在工作過程中，外花鍵柄部主要承受車輛啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)的扭矩及一定的彎曲載荷，有時(shí)還要承受車輛啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)因突然加速和減速所產(chǎn)生的沖擊載荷。故其外花鍵柄部受到的應(yīng)力主要為彎曲加扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。內(nèi)腔溝道表面則要承受傳動(dòng)軸傳遞扭矩時(shí)沿周向產(chǎn)生的鋼球擠壓，以及車輛在轉(zhuǎn)向過程中鋼球沿溝道方向運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的磨損。

（2）主要失效模式：①外花鍵齒面的壓陷、磨損以及柄部的斷裂。②內(nèi)腔溝道表面的壓陷、磨損和接觸疲勞引起的點(diǎn)蝕破壞。

（3）性能要求：①外花鍵齒面要具有足夠的硬度，外花鍵柄部要具有高的強(qiáng)度、良好的耐沖擊韌性和抗疲勞性能。②內(nèi)腔溝道表面要具有高硬度、高耐磨性和高接觸疲勞極限。

3 材料和熱處理技術(shù)要求

為了使零件表面獲得高的硬度、耐磨性和良好的耐疲勞性能，而心部又能保持一定的塑韌性，同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)性，鐘形殼一般選用中碳鋼。常用的材料牌號為55鋼，其化學(xué)成分見表1。

表1 55鋼材料的化學(xué)成分 /%

55鋼先經(jīng)過正火處理，整體獲得一定的強(qiáng)度和塑性后，再經(jīng)過表面感應(yīng)加熱淬火，使表面獲得高的硬度、耐磨性和耐疲勞性，從而獲得良好的綜合力學(xué)性能，滿足使用要求。

鐘形殼的預(yù)先熱處理為正火，最終熱處理為感應(yīng)淬火、回火。其具體熱處理技術(shù)要求見表2。鐘形殼的感應(yīng)加熱淬硬區(qū)分布見圖1。

表2 鐘形殼的熱處理技術(shù)要求

圖1 鐘形殼淬硬區(qū)的分布

4 鐘形殼的感應(yīng)熱處理工藝

4.1 工藝路線

下料→鍛造→正火→機(jī)械加工→中頻感應(yīng)淬火→回火→機(jī)械加工（精加工）→成品。

4.2 正火工藝

鐘形殼鍛造后需經(jīng)正火處理，以獲得均勻的組織及合適的硬度，既便于機(jī)械加工又為后續(xù)的感應(yīng)淬火做好組織準(zhǔn)備。鐘形殼的正火工藝見表3。

表3 鐘形殼的正火工藝

4.3 感應(yīng)淬火、回火工藝

鐘形殼的花鍵柄部及內(nèi)腔表面需經(jīng)感應(yīng)淬火、回火處理，以獲得一定深度的硬化層及較高的表面硬度，以滿足使用性能要求。通常采用同時(shí)加熱并淬火的方法。

（1）感應(yīng)加熱電源。感應(yīng)加熱電源的額定功率，一般花鍵柄部：160～200kW，內(nèi)腔：200～320kW，電流頻率范圍可選擇3～30kHz，通常使用的電流頻率為8～10kHz。電流頻率、零件直徑與合理的淬硬層深度的關(guān)系見表4。

表4 電流頻率、零件直徑與合理的淬硬層深度的關(guān)系

（2）淬火機(jī)床。淬火工藝可采用通用、專用淬火機(jī)床或生產(chǎn)線。淬火機(jī)床的結(jié)構(gòu)和精度應(yīng)滿足工藝要求。機(jī)床應(yīng)配備相應(yīng)的參數(shù)儀表，如移動(dòng)速度、轉(zhuǎn)速、溫度、淬火液流量、壓力、時(shí)間、能量監(jiān)控等。工藝過程采用可編程的數(shù)控系統(tǒng)，可按編制的程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)淬火過程。

（3）感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)。

（a）花鍵柄部加熱的感應(yīng)線圈結(jié)構(gòu)?；ㄦI柄部感應(yīng)加熱線圈的斜視如圖2所示，花鍵柄部淬硬區(qū)的分布如圖3所示。感應(yīng)器與工件間的間隙一般為2～5mm。該感應(yīng)圈由矩形橫截面的銅管1和2以及圓弧部分3a、3b、3c等組成。為強(qiáng)化某些部位的加熱效果，可根據(jù)需要在這些部位安裝導(dǎo)磁體。導(dǎo)體1和2段主要用來加熱花鍵柄部。

圖2 花鍵柄部的感應(yīng)線圈斜視圖

圖3 花鍵柄部的淬硬區(qū)分布

感應(yīng)線圈圓弧3a的剖面如圖4所示，該段線圈圓弧的內(nèi)周正對工件的R部，線圈圓弧的長度方向約為沿順時(shí)針120°。感應(yīng)線圈圓弧3b的剖面如圖5所示，該線圈圓弧內(nèi)周正對工件的臺(tái)階外側(cè)壁，圓弧的長度方向約為沿順時(shí)針110°。感應(yīng)線圈圓弧3c的剖面如圖6所示，該

圖4 線圈X-X剖面

圖5 線圈Y-Y剖面

圖6 線圈Z-Z剖面

圖7 鐘形殼內(nèi)腔感應(yīng)線圈的結(jié)構(gòu)

段線圈圓弧內(nèi)周正對工件的R部，線圈圓弧的長度方向約為沿順時(shí)針50°。感應(yīng)線圈圓弧3a和3c共同完成對R角處的加熱?；ㄦI柄部的R角、小端面由線圈圓弧3a和3c加熱，而工件臺(tái)階外側(cè)壁則由線圈圓弧3b加熱。通過該結(jié)構(gòu)的感應(yīng)線圈，使階梯直徑和軸向長度相差較大的工件各部分均可得到均勻的加熱效果。

（b）內(nèi)腔的感應(yīng)線圈結(jié)構(gòu)。鐘形殼殼體內(nèi)腔加熱的感應(yīng)線圈的結(jié)構(gòu)見圖7，加熱部分的感應(yīng)線圈主要由連接管、導(dǎo)磁體、感應(yīng)圈等組成。

（4）感應(yīng)淬火、回火工藝參數(shù)。（a）花鍵柄部的感應(yīng)淬火、回火工藝參數(shù)。加熱功率、加熱時(shí)間、冷卻時(shí)間等工藝參數(shù)需根據(jù)具體零件的尺寸大小、形狀復(fù)雜程度等來確定。中頻感應(yīng)淬火的加熱溫度一般為860℃～890℃（可通過目視工件加熱的顏色或使用紅外線測溫儀來判斷），回火溫度一般為170℃±10℃，可以采用爐內(nèi)加熱回火或感應(yīng)加熱回火的方式。表5是某鐘形殼花鍵柄部中頻感應(yīng)淬火工藝參數(shù)示例。（b）內(nèi)腔的感應(yīng)淬火工藝參數(shù)。因內(nèi)腔的加熱面積較大，結(jié)構(gòu)形狀也較復(fù)雜，若淬火時(shí)加熱時(shí)間較長，則容易產(chǎn)生變形和開裂。故鐘形殼內(nèi)腔的感應(yīng)加熱通常采用大功率、短時(shí)間加熱法。

中頻感應(yīng)加熱淬火的加熱溫度一般為860℃～890℃，回火溫度一般為170℃±10℃，可以采用爐內(nèi)加熱回火或感應(yīng)加熱回火的方式。

表5 某鐘形殼花鍵柄部的中頻感應(yīng)淬火工藝參數(shù)

表6 某鐘形殼內(nèi)腔的感應(yīng)淬火工藝參數(shù)

表7 鐘形殼正火檢驗(yàn)項(xiàng)目及質(zhì)量要求

表8 鐘形殼感應(yīng)熱處理的質(zhì)量檢驗(yàn)項(xiàng)目及質(zhì)量要求

表6是該鐘形殼內(nèi)腔的感應(yīng)淬火工藝示例。

5 熱處理的質(zhì)量檢驗(yàn)

鐘形殼正火的質(zhì)量檢驗(yàn)項(xiàng)目及質(zhì)量要求見表7。

鐘形殼感應(yīng)熱處理的質(zhì)量檢驗(yàn)項(xiàng)目及質(zhì)量要求見表8。