CN100395353C - 汽车转向节感应淬火回火方法 - Google Patents

Abstract

一种汽车转向节感应淬火回火方法，所述的汽车转向节包括多个其截面各不相同的轴颈，各个轴颈之间各设置有根部圆弧；所述的淬火感应器设置为横断面为扁平状的上匝线圈与下匝线圈组合的双匝仿形感应器，上匝线圈与油封轴颈的上平面相靠近并与大轴承安装轴颈的外径相仿，下匝线圈的内径与油封轴颈的外径相仿；淬火回火加热方法是双匝仿形感应器的局部仿形加热与扫描加热；上匝线圈断面设置有倾角，感应器扫描加热淬火的功率与扫描速度根据各部位金相数据调整；本发明的优点是淬火工艺合理，大大降低了淬火裂纹件和成品金相不合格件以降低制造成本；简化工艺路线，减少产品流转，从而提高生产效率；感应回火只需要加热淬火硬化层区域即可，因而可节约能源。

Description

汽车转向节感应淬火回火方法

技术领域

本发明涉及一种汽车零部件的热处理工艺领域。尤其涉及一种采用双匝仿形感应线圈仿形加上扫描的对变截面轴型式的汽车转向节感应淬火回火方法。它同样可适用于具有多截面轴型式的轴类零件的感应淬火回火方法。

背景技术

转向节是汽车行驶系统的关键零件，它承受转向轮的负荷及路面传给轮子的冲击，并传递来自转向器的转向力实现汽车行驶方向的控制。因而汽车转向节在强度、抗冲击特性、疲劳强度和可靠性方面都有较高的要求。

汽车转向节的疲劳断裂多发生在用于安装轴承的轴颈的根部圆弧处，通过有限元分析，轴承安装轴颈根部圆弧和油封轴颈根部圆弧为应力集中点，为了提高汽车转向节的疲劳寿命，比较有效的办法是在应力集中点的所述的根部圆弧及其相对应的轴颈部位进行感应淬火。

目前，新型轴类转向节的感应淬火硬化部位已经从大轴承安装轴颈和台阶向油封根部以及小轴承安装轴颈扩展，这有利于提高这两个部位的疲劳寿命，同时也对感应淬火工序提出了更高的要求。

常用的回火工艺是炉中回火低温去应力回火，而在汽车零部件的生产中通常采用大批量流线作业，故炉中回火为周期作业，每周期作业的时间为3小时甚至更长，而工件淬火后其残余应力会随着残余奥氏体的转变而使应力增大，故停留时间越长，其应力丌裂的可能性越大，我们曾经在个别生产批次中发现因应力裂纹在探伤中发现一定比例(约20％)的台阶裂纹件。另一方面常规热处理设备占用场地较大，且需要吊装，对大批量生产流转和场地布置带来不便。感应淬火后的感应回火可以解决回火及时性、生产衔接问题，对于转向节之类的复杂件，常用的感应回火方法是增加一套感应回火装置的设备或工位，这样需要大量的资金投入，使产品成本升高。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术中的不足之处，提供一种采用双匝仿形感应线圈仿形加上扫描的变截面轴型式的汽车转向节感应淬火回火方法。

本发明的目的是通过提供一种具有如下方案的汽车转向节感应淬火回火方法实现的。所述的汽车转向节包括多个其截面各不相同的油封根部轴颈、油封轴颈、大轴承安装轴颈、第四锥形轴颈、小轴承安装轴颈，所述的油封根部轴颈的底部设置一大端面；所述的油封根部轴颈与所述的大轴承安装轴颈之间设置有油封根部圆弧、轴颈过渡圆弧与锥形轴颈过渡圆弧；所述的汽车转向节感应淬火回火方法包括所述的油封根部圆弧与所述的轴颈过渡圆弧及其所述的油封根部轴颈、油封轴颈、大轴承安装轴颈、第四锥形轴颈、小轴承安装轴颈的感应淬火与回火的热处理工艺，所述的感应淬火与回火的热处理工艺中包含有带感应线圈的感应器加热与冷却工艺。

所述的带感应线圈的感应器设置为上匝线圈与下匝线圈组合的双匝仿形感应器。

所述的感应淬火与回火的热处理工艺包括所述的感应器的上匝线圈与所述的感应器下匝线圈的局部仿形加热以及随后的所述的感应器的扫描加热的淬火与回火的工艺。

所述的上匝线圈断面设置有倾角θ，所述的上匝线圈断面倾角θ的最低处与所述的油封轴颈的上平面相靠近；所述的上匝线圈的内径形状设置为与所述的大轴承安装轴颈外径相仿。

所述的下匝线圈的内径形状设置为与所述的油封轴颈的外径相仿；所述的下匝线圈底面形状与所述的油封根部轴颈的底部大端面相靠近。

所述的感应器扫描加热淬火的功率与所述的扫描速度的调整是根据所述的大轴承安装轴颈、所述的过渡锥形轴颈、所述的小轴承安装轴颈各部位的淬火的金相数据决定。

所述的上匝线圈的横断面几何形状设置为扁平状；所述的下匝线圈的横断面几何形状设置为扁平状。

所述的上匝线圈断面倾角θ设置为25～35度。

所述的加热与冷却工艺包括所述的油封根部轴颈、所述的油封轴颈及其所述的油封根部圆弧与所述的轴颈过渡圆弧部位加热采用先感应预热再加热到额定温度的方法。

所述的加热与冷却工艺包括所述的油封根部轴颈、所述的油封轴颈、所述的轴颈过渡圆弧采用加热、停止、再加热的多个步骤。

所述的加热与冷却工艺包括所述的小轴承安装轴颈、锥形轴颈过渡圆弧、第四锥形轴颈、大轴承安装轴颈各部位扫描加热。

所述的加热与冷却工艺包括所述的油封根部圆弧、所述的油封轴颈、所述的轴颈过渡圆弧部位采用多次停留加热。

所述的淬火冷却液供给是在所述的感应器上升大约上匝线圈下平面至下匝线圈下平面的距离后喷射供给。

与现有技术相比，本发明的优点在于：1.淬火工艺合理，淬火质量、宏观形状、回火硬度、金相组织的各项数据稳定，大大降低了淬火裂纹件和成品金相不合格件以降低制造成本；2.简化工艺路线，减少产品流转，从而提高生产效率；3.感应回火只需要加热淬火硬化层区域即可，因而可节约能源。

附图说明

图1为本发明的汽车转向节结构示意图；

图2为本发明的汽车转向节的油封根部轴颈、油封轴颈、大轴承安装轴颈、油封根部圆弧、轴颈过部圆弧的局部示意图；

图3为本发明的汽车转向节的油封根部轴颈、油封轴颈、大轴承安装轴颈、油封根部圆弧、轴颈过部圆弧与感应器的上匝线圈、下匝线圈的相对位置局部示意图；

图4为本发明的感应器的上匝线圈、下匝线圈在汽车转向节的油封根部轴颈、油封轴颈、大轴承安装轴颈、油封根部圆弧、轴颈过部圆弧处仿形加热与过渡锥形轴颈、小轴承安装轴颈处的扫描加热淬火示意图；

图5为本发明的感应器与感应器座连接状态示意图；

图6为图5的A-A剖面图；

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

图1至图6示出本发明的HFC6500汽车转向节感应淬火回火方法的一个实施方式。HFC6500汽车转向节包括多个其截面各不相同的油封根部轴颈1、油封轴颈2、大轴承安装轴颈3、第四锥形轴颈4、小轴承安装轴颈5。油封根部轴颈1的底部设置一大端面15；油封根部轴颈1与大轴承安装轴颈3之间设置有两处油封根部圆弧12与轴颈过渡圆弧23，如图1中所示。

所述的汽车转向节感应淬火回火方法包括油封根部圆弧12与轴颈过渡圆弧23及其油封根部轴颈1、油封轴颈2、大轴承安装轴颈3、第四锥形轴颈4、小轴承安装轴颈5的感应淬火与回火的热处理工艺；感应淬火与回火的热处理工艺中包含有带感应线圈的感应器10加热与冷却过程。

转向节感应淬火后会残留较大的残余应力，特别相对于油封轴颈来说，其形状较为复杂，加热时油封轴颈的尖角处感应电流容易集中，加热时温度要高于其他部位，会造成较大的热应力和组织应力，所以油封轴颈的尖角处容易引起如图2中所示的淬火裂纹或淬火后应力开裂。

淬火后应在2个小时内回火。而本方案则是通过优化感应淬火工装和工艺实现同一工位感应淬火回火的工艺。

由图1可以看出，HFC6500型汽车转向节有五个其截面各不相同的轴颈中，其中油封根部轴颈1与大轴承安装轴颈3之间有两处油封根部圆弧12与轴颈过渡圆弧23；感应电流容易向油封根部圆弧12与轴颈过渡圆弧23集中，所以油封根部圆弧12与轴颈过部圆弧23容易过热过烧；而油封根部轴颈1与大轴承安装轴颈3处容易欠热。

另一方面，小轴承安装轴颈5与油封轴颈2相比直径变差大，在感应加热工艺选择上有很大的差异。此类件要做到淬火硬化层仿形并均匀一致难度较大。

达到图1淬火要求有两种方式，一种为整体仿形淬火，通过感应线圈的仿形和导磁体的驱流效应，可以达到良好的仿形效果。另一种采用局部仿形的方式先完成油封根部轴颈1、油封轴颈2及其油封根部圆弧12与轴颈过渡圆弧23部位的淬火，然后通过扫描淬火的方式完成大轴承安装轴颈3、第四(锥形)轴颈4、小轴承安装轴颈5部位的淬火。

本发明的HFC6500汽车转向节感应淬火与回火的热处理工艺的第一个实施方式：整体仿形淬火工艺

整体仿形淬火时，因第四(锥形)轴颈4、小轴承安装轴颈5部位直径小，所需得到的能量少；而油封轴颈2的直径大，所需得到的能量多，故加热时油封轴颈2处升温快，第四(锥形)轴颈4、小轴承安装轴颈5部位处升温慢。

如果第四(锥形)轴颈4、小轴承安装轴颈5部位处与油封轴颈2部位等速升温，必然会造成第四(锥形)轴颈4、小轴承安装轴颈5处淬透。实际淬火时，因第四(锥形)轴颈4、小轴承安装轴颈5处功率偏小加热时间偏长，故热影响区会比较深一点。加热时要兼顾各个部位，详见表1所示。

表1：本发明转向节感应淬火回火方法的整体淬火工艺参数表

淬火位置	直径(毫米)	推荐加热时间(秒)
			油封轴颈2	50	9.5
大轴承安装轴颈3	35	7
			小轴承安装轴颈5	20	4.5

整体仿形淬火的实施工艺为：加热时间6.8秒；加热功率145千瓦；电流频率6800赫兹。

本发明转向节感应淬火回火方法的整体仿形淬火工艺因其各部位升温速度不一致故不能实施同工位的感应淬火回火工艺，而对于HFC6500转向节来说小轴承安装轴颈5、第四(锥形)轴颈4的小头部位处直径较小，冷却后蓄热量很小，而油封根部轴颈1、油封轴颈2部位受大盘面影响吸热快，若非主动加热，自回火工艺无法在这几个部位取得降低应力和硬度的回火作用，其采用自回火工艺金相解剖后在油封轴颈2的轴颈过部圆弧23处会发现应力开裂的裂纹。

本发明的HFC6500汽车转向节感应淬火与回火的热处理工艺的第二个实施方式：双匝仿形感应线圈仿形加上扫描的淬火工艺

大批量生产的应用方案是采用双匝仿形感应线圈仿形加上扫描的淬火方式，该工艺的优点是通过仿形加热保证油封根部轴颈1、油封轴颈2及其油封根部圆弧12与轴颈过渡圆弧23部位的加热能量的均匀分配；通过扫描淬火保证大轴承安装轴颈3、第四(锥形)轴颈4、小轴承安装轴颈5部位的加热淬火及油封根部轴颈1、油封轴颈2及其油封根部圆弧12与轴颈过渡圆弧23部位的冷却硬化，同时再通过扫描加热和局部仿形加热的方式分配回火的加热能量已达到均匀回火的效果。

带感应线圈的感应器设置为上匝线圈16与下匝线圈17组合的双匝仿形感应器10。

本发明的HFC6500汽车转向节感应淬火与回火的热处理工艺包括感应器的上匝线圈16与感应器下匝线圈17对油封根部圆弧12、轴颈过部圆弧23、油封根部轴颈1、油封轴颈2的局部仿形加热以及随后的感应器10对大轴承安装轴颈3、第四锥形轴颈4、小轴承安装轴颈5的扫描加热的淬火与回火的热处理工艺。

图5示出本发明的感应器与感应器座连接状态。

上匝线圈16断面设置有倾角θ，如图3、4所示。上匝线圈16断面倾角θ的最低处与所述的油封轴颈2的上平面相靠近；上匝线圈16的内径形状设置为与大轴承安装轴颈3的外径相仿。

下匝线圈17的内径形状设置为与油封轴颈2的外径相仿；匝线圈17的底面形状与油封根部轴颈的底部大端面15相靠近，如图3所示。

感应器10扫描加热淬火的功率与扫描速度的调整是根据所述的大轴承安装轴颈3、过渡锥形轴颈4、小轴承安装轴颈5各部位的淬火的金相数据决定。

本发明的HFC6500汽车转向节感应淬火与回火的热处理工艺所需的设备条件有：

①数控或可编程序控制淬火机床，可控制感应负载单元或工件进行程序控制移动，扫描速度可通过程序进行控制，推荐采用CNC控制，机械传动系统采用滚珠丝杠。

②功率可调，并通过程序需要调用功率，推荐采用CNC模拟量控制或全数字控制。

③本申请人采用的EFD公司BVH500设备，采用西门子840D系统、IGBT电源。

感应淬火的感应器10如图3所示，设计时主要考虑以下几个重点：

(1)设计上匝线圈16时，要把感应器做成扁平状，保持与大轴承安装轴颈3和油封根部圆弧12的4：1左右的间距比值，并让其具有合适的倾角θ，倾角θ以25～35°为宜，如图4所示。这样可以通过调整邻近效应和环流效应的相互作用，使轴颈过渡圆弧23有足够的感应电流，可以保证不易加热的轴颈过部圆弧23部位的淬火硬化深度。同时兼顾油封轴颈2及大轴承安装轴颈3的能量分配，保证合理的能量分配使轴颈过渡圆弧23的尖角24的加热不会太快，大轴承安装轴颈3的加热又不会太深出现超差。

(2)设计下匝线圈17时，把感应线圈形状设计成扁平状，同时缩小下匝感应线圈17与油封根部轴颈1的大端面15的距离，如图3所示。使感应线圈与大端面15的邻近效益，其作用是帮助感应电流向油封根部轴颈1处靠拢，油封根部轴颈1大端面15分流的部分能量还可以避免油封轴颈2处能量过于集中，同时加热的油封根部轴颈1大端面可以帮助减少回火时大端面吸热对油封根部轴颈1和靠近大端面15的油封根部圆弧12部位回火温度的影响。

在设计感应淬火工艺时，要考虑以下几个重点：

(1)在油封根部轴颈1、油封轴颈2及其油封根部圆弧12与轴颈过渡圆弧23部位加热时考虑变截面部位的复杂形状，油封根部圆弧12处容易过热、靠近油封根部轴颈1处的大端面15需要吸热的特点，采用了先感应预热再加热到温的方法。这样可以使升温加热时电流的透入深度提高，有利于分散油封根部圆弧23处尖角24的能量，如图2所示。又可以提高大端面15的蓄热，使油封根部轴颈1的温度升温速度加快。

(2)在扫描淬火时要考虑到靠近轴颈过渡圆弧23处的轴径已经加热故需要一段上匝线圈6高度的快速移动距离，以平衡该处的能量，同时也可以降低下匝线圈7对油封轴颈2处在扫描时的加热，以免其温度升高。

(3)淬火冷却液需要等感应器10上升15毫米左右再喷射，以免喷射到台阶的反涌水影响加热。

(4)扫描淬火时根据解剖情况调整大轴承安装轴颈3、第四(锥形)轴颈4、小轴承安装轴颈5各部位的功率和扫描速度。

在设计回火工艺时，为了保证各处回火效果的一致性，作如下处理：

(1)在能量分配上大轴承安装轴颈3、第四(锥形)轴颈4、小轴承安装轴颈5各部位通过扫描速度和功率的变化可以很容易地分配能量，故只要解决复杂部位的油封根部轴颈1、油封轴颈2及其油封根部圆弧12与轴颈过渡圆弧23部位回火温度均匀性，其他部位就比较容易达到温度均匀和回火时间的调配。

在油封根部轴颈1、油封轴颈2及其油封根部圆弧12与轴颈过渡圆弧23部位采用了加热、停止、再加热的方式，使油封根部圆弧12处多余能量可以通过传导的方式扩散到中心部位，比较容易保持温度均匀。同时为了提高中心部位的回火效果，我们采用了控制冷却流量和冷却时间，使大轴承安装轴颈3、第四(锥形)轴颈4、小轴承安装轴颈5部位保留很少余热，而油封根部轴颈1、油封轴颈2及其油封根部圆弧12与轴颈过部圆弧23部位保留一定低温余热。但如果不进行感应回火加热，其余热的温度不足以降低回火硬度，故其一方面可以起到提高感应回火的效果，另一方面又不足以影响回火硬度，这样就不会因天气变化而对产品的回火硬度产生影响。

(2)出于程序行程方便，感应加热回火采用了程序：

大轴承安装轴颈3、第四(锥形)轴颈4、小轴承安装轴颈5部位扫描加热加上油封根部轴颈1、油封轴颈2及其油封根部圆弧12与轴颈过渡圆弧部位多次停留加热加上大轴承安装轴颈3、第四(锥形)轴颈4、小轴承安装轴颈5部位扫描加热的回火方式，见图4所示。这样可以有效调配加热温度与时间的关系，延长轴径部位的回火时间，而这些回火时间和温度的搭配由于采用数控程序的保证，可以精确控制，故可以在产品调试时通过金相解剖结果自由调配，详见表2所示。

(3)回火后的工件加热部位是烫手的，这时上下料会烫到工人的手，同时自然冷却时间会受气温影响，故出于受控要求最好冷却使其有比较固定的回火时间。

(4)下匝感应器的设计时考虑了让大端面15进行小能量密度的加热，如图1所示，这样可以降低大端面15与油封根部轴颈1、油封轴颈2处的温差，减少盘面吸热对油封根部轴颈1、油封轴颈2处回火效果的影响。

表2：本发明转向节感应淬火回火方法的应用双匝仿形感应线圈仿形加上扫描的淬火工艺的参数表

表3：本发明转向节感应淬火回火方法的HFC6500转向节应用双匝仿形感应线圈仿形加上扫描的感应淬火的金相数据    单位：毫米

本发明转向节感应淬火回火方法的从表3的金相数据看来，采用转向节感应淬火回火工艺加工的HFC6500转向节其淬火深度、淬火宏观形状、回火硬度、金相组织均符合图纸要求，其从数据统计情况看各项数据非常稳定。目前该工艺已运行两年半，生产转向节共13.6万件，没有出现过一件淬火裂纹件和成品金相不合格件，目前已经在多种产品上推广应用。

本发明转向节感应淬火回火方法在经济性方面看来，除了可以减少产品流转外，转向节感应淬火回火工艺与炉中回火相比可以节约电费，其原理很简单，炉中回火需要加热整个工件，而感应回火只需要加热淬火硬化层区域即可。表4列出该工艺用电与炉中回火工艺的比较。

表4：转向节中频淬火回火工艺用电比较

本发明转向节感应淬火回火方法它同样可适用于具有多截面轴型式的轴类零件的感应淬火回火方法。

Claims (7)

1.一种汽车转向节感应淬火回火方法，所述的汽车转向节包括截面各不相同的油封根部轴颈、油封轴颈、大轴承安装轴颈、第四锥形轴颈、小轴承安装轴颈，所述的油封根部轴颈的底部设置一大端面；所述的油封根部轴颈与所述的大轴承安装轴颈之间设置有油封根部圆弧、轴颈过渡圆弧与锥形轴颈过渡圆弧；所述的汽车转向节感应淬火回火方法包括所述的油封根部圆弧与所述的轴颈过渡圆弧及所述的油封根部轴颈、油封轴颈、大轴承安装轴颈、第四锥形轴颈、小轴承安装轴颈的感应淬火与回火的热处理工艺，所述的感应淬火与回火的热处理工艺中包含有带感应线圈的感应器加热与冷却工艺，其特征在于：

a.所述的带感应线圈的感应器设置为上匝线圈(16)与下匝线圈(17)组合的双匝仿形感应器(10)；

b.所述的感应淬火与回火的热处理工艺包括所述的感应器(10)的上匝线圈(16)与所述的感应器(10)下匝线圈(17)的局部仿形加热以及随后的所述的感应器(10)的扫描加热的淬火与回火的工艺；

c.所述的上匝线圈(16)断面设置有倾角θ，所述的上匝线圈(16)断面倾角θ的最低处与所述的油封轴颈(2)的上平面相靠近；所述的上匝线圈(16)的内径形状设置为与所述的大轴承安装轴颈(3)的外径相仿；

d.所述的下匝线圈(17)的内径形状设置为与所述的油封轴颈(2)的外径相仿；所述的下匝线圈(17)的底面形状与所述的油封根部轴颈的底部大端面(15)相靠近；

e.所述的感应器(10)扫描加热淬火的功率与所述的扫描速度的调整是根据所述的大轴承安装轴颈(3)、所述的第四锥形轴颈(4)、所述的小轴承安装轴颈(5)各部位的淬火的金相数据决定。

2.根据权利要求1所述的汽车转向节感应淬火回火方法，其特征在于：所述的上匝线圈(16)的横断面几何形状设置为扁平状；所述的下匝线圈(17)的横断面几何形状设置为扁平状。

3.根据权利要求1所述的汽车转向节感应淬火回火方法，其特征在于：所述的上匝线圈(16)断面倾角θ设置为25～35度。

4.根据权利要求1所述的汽车转向节感应淬火回火方法，其特征在于：所述的加热与冷却工艺包括所述的油封根部轴颈(1)、所述的油封轴颈(2)及其所述的油封根部圆弧(12)与所述的轴颈过渡圆弧(23)部位加热采用先感应预热再加热到额定温度的方法。

5.根据权利要求1或4所述的汽车转向节感应淬火回火方法，其特征在于：所述的加热与冷却工艺包括所述的油封根部轴颈(1)、所述的油封轴颈(2)、所述的轴颈过渡圆弧(23)采用加热、停止、再加热的多个步骤。

6.根据权利要求1所述的汽车转向节感应淬火回火方法，其特征在于：所述的加热与冷却工艺包括所述的小轴承安装轴颈(5)、锥形轴颈过渡圆弧(25)、第四锥形轴颈(4)、大轴承安装轴颈(3)各部位扫描加热。

7.根据权利要求1所述的汽车转向节感应淬火回火方法，其特征在于：所述的加热与冷却工艺包括所述的油封根部圆弧(12)、所述的油封轴颈(2)、所述的轴颈过渡圆弧(23)部位采用多次停留加热。

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