CN117448533A - 一种控制淬火深度的加热方法及无损校验方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种控制淬火硬化层深度的加热方法，其包括：S2：计算感应加热设备的输出功率,得到瞬时功率P试（t），以及瞬时功率值的曲线区间W瞬（t）；S3：对工件进行感应加热，控制感应加热设备对工件加热时的瞬时功率P瞬（t）在曲线区间W瞬（t）内；从工件整个淬火加热过程中瞬时功率P瞬（t）是否均在曲线区间W瞬（t）内，判断该工件是否合格品；还涉及芯轴淬火无损校验方法，包括于S4前：计算试样件淬火硬化层深度与能量Q试的关系，标定合格试样件的累计能量区间W；于S4中,工件的能量Q总是否落入标定累计能量区间W内，判断工件是否合格。本申请具有便于从整批工件中挑出不合格产品的效果。
Description
本申请是CN114250343A的分案申请，原申请的申请日：2021-12-10，申请号：202111507814.0，名称：一种降低芯轴强度差异的生产、计算、加热及校验方法。
技术领域
本申请涉及芯轴加工技术的领域，尤其是涉及一种控制淬火深度的加热方法及无损校验方法。
背景技术
汽车底盘传动系统中有一类传动机构称为等速万向节传动轴，作为车体动力传输的一部分，等速万向节传动轴一端连接差速器，另一端连接车轮轮毂。等速万向节传动轴通常包括两个万向节和一根芯轴。其中，芯轴为主要承载扭矩的部件，因此对其强度有较高要求。
对于轴类工件进行表面淬火是常见的增加其强度的工艺，淬火之后检验工件强度是否符合要求时一般采用静扭加载试验或者切割后进行金相检测等破坏性测试，因此只能采取抽样检测的方式。
针对上述相关技术，发明人认为抽样检测根据样本中的产品的检验结果来推断整批产品的质量，因此存在难以将不合格品挑选出来的缺陷。
发明内容
为了将不合格品挑选出来的缺陷，本申请提供一种控制淬火深度的加热方法及无损校验方法。
一方面，本申请还提供控制淬火硬化层深度的加热方法，包括：
S2：计算感应加热设备的输出功率；
S21：利用感应加热设备加热试样件，输出感应加热设备加热试样件过程中输出的瞬时功率P试(t)；
S22：淬火完成之后，检测试样件淬火硬化层深度，然后标定试样件淬火硬化层深度与感应淬火过程中感应加热设备输出的瞬时功率P试(t)的关系，标定工件淬火硬化层深度符合要求深度时的瞬时功率值的曲线区间W瞬(t)；
S3：对工件进行感应加热；
利用感应加热设备对工件进行感应加热，控制感应加热设备对工件加热时的瞬时功率P瞬(t)在曲线区间W瞬(t)内；
当工件整个淬火加热过程中瞬时功率P瞬(t)均在曲线区间W瞬(t)内，则该工件为合格品；
当工件淬火加热过程中的任一瞬时功率P瞬(t)未在曲线区间W瞬(t)内，则该工件为不合格品。
通过采用上述技术方案，对试样件进行感应淬火加热，测试得到当淬火硬化层深度符合计算淬火硬化层深度时，感应淬火设备对工件输出能量的区间。以上述能量区间控制感应淬火设备瞬时功率，使得淬火后的工件的淬火硬化层深度与合格试验件的淬火硬化层深度相近。可以判断整个加热过程中瞬时功率P瞬(t)是否符合要求，当不符合要求时，则该工件为不合格品，可以将该不合格工件进行报废。相较于现有技术中的抽检，本申请在加工过程实现了全检，将不合格工件剔除，提升了同批次工件的良品率，降低同批次工件之间的强度差异。
可选的，于S21中，采集加热试样件过程中感应加热设备输出的瞬时电压信号，并输出加热试验件过程中的瞬时电压值曲线u(t)；采集加热试验件过程中感应加热设备输出瞬时电流信号，并输出加热试验件过程中的瞬时电流值曲线i(t)；将相同时刻的瞬时电压值和瞬时电流信值乘计算瞬时功率P试(t)。
可选的，于S22中，调取淬火硬化层深度符合要求的试样件的瞬时功率P试(t)；
将上述试样件的所有瞬时功率值P试(t)增加X，得到上限瞬时功率P瞬+(t)；
将上述试样件的所有瞬时功率值P试(t)减少X，得到下限瞬时功率P瞬-
(t)；
上限瞬时功率和下限瞬时功率之间的区间为曲线区间W瞬(t)，W瞬(t)
＝[P瞬-(t)，P瞬+(t)]。
通过采用上述技术方案，曲线区间W瞬(t)范围小于合格试验件的瞬时功率的范围，进一步降低不合格率。
再一方面，本申请还提供芯轴淬火无损校验方法，包括：
S2：感应加热设备加热试样件，检测感应加热设备累计施加于试验件的能量Q试；
S3：对工件进行感应加热；检测感应加热设备累计施加于试验件的能量Q总
S4：校验工件淬火硬化层深度；
其中：于S4前：计算试样件淬火硬化层深度与感应加热设备累计施加于试验件的能量Q试的关系，标定工件淬火硬化层深度符合要求深度时，感应加热设备累计施加于试验件的能量区间，该累计能量区间为标定累计能量区间W；
于S4中,若感应加热设备累计施加于工件的能量Q总落入标定累计能量区间W内，则该工件合格；若感应加热设备累计施加于工件的能量Q总未落入标定累计能量区间W内，则该工件不合格。
通过采用上述技术方案，利用感应加热设备累计施加于工件的能量Q总校验工件是否合格，较于现有技术中的抽检，上述方法实现了全检，将不合格工件剔除，提升了同批次工件的良品率，降低同批次工件之间的强度差异。
可选的，于S2中，采集加热试样件过程中感应加热设备输出的瞬时电压信号，并输出加热试验件过程中的瞬时电压值曲线u(t)；采集加热试验件过程中感应加热设备输出瞬时电流信号，并输出加热试验件过程中的瞬时电流值曲线i(t)；将相同时刻的瞬时电压值和瞬时电流信值乘计算瞬时功率P试(t)；计算瞬时功率P试(t)对时间的积分，得到加热试验件过程中感应加热输出的累计能量Q试。
可选的，选取淬火硬化层深度符合要求的试样件，调取感应加热设备对所述试样件施加的累计能量Q试，以所述累计能量Q试确定标定能量区间W＝[Q1,Q2]，其中Q1＜Q试，Q2＞Q试。
通过采用上述技术方案，通过淬火硬化层深度符合要求的试样件的累计能量Q试确定标定能量区间W的范围，提升了标定能量区间W准确性。
可选的，于S2中，进行感应淬火的试验件有多个，并且每个试验件均利用相同的感应加热设备进行单独感应加热；将每个试验件的累计能量Q试和试样件淬火硬化层深度S汇入十字坐标系中，得到试验件的感应加热设备输出的累计能量Q总与试样件淬火硬化层深度S的关系曲线；根据所述Q总与S的关系曲线确认硬化层为Smin时的能量值为Q1,确认硬化层深为Smax时能量值为Q2，标定能量区间W＝[Q1,Q2]。
通过采用上述技术方案，通过多个试验件的累计能量Q试，得到试验件的感应加热设备输出的累计能量Q总与试样件淬火硬化层深度S的关系曲线，通过上述曲线可以得到一个更加符合实际结论的标定能量区间W。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
利用感应加热设备对工件进行感应加热时，检测感应加热设备对工件进行感应加热过程中的瞬时功率P瞬(t)，判断整个加热过程中瞬时功率P瞬(t)是否符合曲线区间W瞬(t)，当不符合要求时，则该工件为不合格品，可以将该不合格工件进行报废。相较于现有技术中的抽检，本申请在加工过程实现了全检，将不合格工件剔除，提升了同批次工件的良品率，降低同批次工件之间的强度差异。
对试样件进行感应淬火加热，测试得到当淬火硬化层深度符合计算淬火硬化层深度时，感应淬火设备对工件输出能量的区间。以上述能量区间控制感应淬火设备瞬时功率，使得淬火后的工件的淬火硬化层深度与合格试验件的淬火硬化层深度相近。
附图说明
图1是本实施例用于展示加热试样件时的瞬时功率曲线的坐标系。
图2是本实施例用于展示加热工件时输出的瞬时电压曲线的坐标系。
图3是本实施例用于展示加热工件时输出的瞬时电流曲线的坐标系。
图4是本实施例用于展示加热工件时输出的瞬时功率曲线的坐标系。
图5是本实施例用于展示1#工件静扭加载试验结果的坐标系。
图6是本实施例用于展示2#工件静扭加载试验结果的坐标系。
图7是本实施例用于展示3#工件静扭加载试验结果的坐标系。
实施方式
本申请实施例公开控制淬火硬化层深度的加热方法。本申请实施例上述加热方法加热40Cr材料的芯轴，芯轴要求：淬火后表面硬度HRC52～57，静扭强度1500～1800N·m，以下本申请作进一步详细说明。
一种控制淬火深度的加热方法及无损校验方法，包括：
S1：根据设计强度计算芯轴所需的淬火硬化层深度，本实施例采用满足强度需求的淬火硬化层深度设计方法，具体方法如下：
S11：利用螺旋测微器测量芯轴各段的外径，确定芯轴的最小外径D。也可以采用游标卡尺或激光侧径仪器等其他测量工具测量芯轴各段的外径。本实例中测得芯轴的最小外径D＝20mm
S12：计算芯轴满足淬火硬化层深度时理论未淬火区的直径di,芯轴未淬火区的直径di的计算公式为：
其中，Tf为芯轴在淬火之后要求符合的预期静扭强度；
τi为芯轴的材料热处理之后的抗拉强度。
然后，利用芯轴未淬火区的直径di计算淬火硬化层的深度S，淬火硬化层的深度S的计算公式为：
预期静扭强度Tf包括最大静扭强度Tfmax和最小静扭强度Tfmin。将最大静扭强度Tfmax带入芯轴未淬火区的直径di的计算公式中，计算芯轴未淬火区的最小直径dimin。然后将最小直径dimin代入淬火硬化层的深度S的计算公式中，以计算淬火硬化层最大深度Smax。
具体如下：本实施例中，Tfmax＝1800N·m，D＝Φ20mm，查热处理手册可知材料40Cr热处理后抗拉强度＝1862N/mm2，将上述数值代入芯轴未淬火区的直径di的计算公式中，得：
将上述结果代入淬火硬化层的深度S的计算公式中，得
Smax＝20/2-15.7/2＝2.2mm。
将最小静扭强度Tfmin带入芯轴未淬火区的直径di中计算公式中，计算芯轴未淬火区的最大直径dimax，然后将最小直径dimax代入淬火硬化层的深度S的计算公式中，以计算淬火硬化层的最小深度Smin。
具体如下：将Tfmax＝1800N·m，D＝Φ20mm，＝1862N/mm2代入芯轴未淬火区的直径di中计算公式，得：
将上述结果代入淬火硬化层的深度S的计算公式中，得
Smin＝20/2-16.7/2＝1.7m。
由上述计算可知，若本实施例芯轴热处理后静扭强度为1500～1800N·m，则淬火后硬化层深度需满足在1.7～2.2mm，即芯轴淬火后硬化层合格区间为[1.7mm,2.2mm]。
然后通过控制淬火硬化层深度的加热方法对工件进行加热，具体步骤如下：
S2：计算感应加热设备的输出功率。
S21：利用感应加热设备加热试样件。试样件与工件相同，试样件可以选取多个，用于计算感应加热设备输出功率与工件淬火硬化层深度关系。
利用电压信号采集器采集加热试验件过程中感应加热设备输出的瞬时电压信号，并且输出整个加热试验件过程中的瞬时电压值曲线u(t)。
利用电流信号采集器采集加热试验件过程中感应加热设备输出的瞬时电流信号，并且输出整个加热试验件过程中的瞬时电流值曲线i(t)。
如图1所示，将相同时刻的瞬时电压值和瞬时电流信值乘计算瞬时功率值P试，P试(t)＝u(t)i(t)，并且输出整个加热过程的瞬时功率值曲线P试(t)。
S22：淬火完成之后，检测试样件淬火硬化层深度，然后选取淬火硬化层深度符合S1中计算结果的试样件。为了提升工件生产的合格率，选取
[1.7mm,2.2mm]中靠中间段的试样件，在本实施例中选取淬火硬化层深度为1.9～2.0mm的试验件。
如图1所示，本实施例选取的合格试验件的淬火硬化层深度为1.8mm，然后调取该试样件的瞬时功率值曲线P试(t)。
然后依据瞬时功率值曲线P试(t)标定工件淬火硬化层深度符合要求时，感应加热设备输出的瞬时功率值的曲线区间W瞬(t)。
更具体的如下：
将上述试样件感应淬火过程中所有的瞬时功率值P试(t)增加X，得到上限瞬时功率值P瞬+(t)＝P试(t)+X，并且形成瞬时功率值上限曲线P瞬+(t)。
将上述试样件感应淬火过程中所有的瞬时功率值P试(t)减少X，得到下限瞬时功率值P瞬-(t)＝P试(t)-X，并且形成瞬时功率值下限曲线P瞬-
(t)。
上限瞬时功率曲线和下限瞬时功率曲线之间的区间为曲线区间W瞬(t)，W瞬(t)＝[P试(t)-X，P试(t)+X]。
如图1所示，本实施例中X为10％ P试(t)，因此W瞬(t)＝[90％ P试(t)，110％ P试(t)]。即本实施例中以P试(t)曲线上下浮动10％为曲线区间W瞬(t)。
S23,计算试样件淬火硬化层深度与感应淬火过程中感应加热设备输出的累计能量Q总的关系，标定工件淬火硬化层深度符合要求深度时的能量区间W。
更具体的：选取淬火硬化层深度符合要求的试验件，进行试样件加热过程中瞬时功率值P试(t)对时间的积分，得到感应加热设备累计施加于试验件的能量Q试，计算公式为：
Q试＝∫u(t)i(t)dt。
确定标定能量区间W为[Q1,Q2]，其中Q1＜Q试，Q2＞Q试。在本实施例中，Q1＝90％Q试，Q2＝110％Q试。
在本实施例中对试验件的加热过程中瞬时功率值与时间积分得：Q试＝9489.5kW·s，则W为[8100kW·s,10879kW·s]。
在另一实施例中也可以采用如下标定方式：将所有试验件的感应加热设备输出的累计能量Q试和淬火硬化层深度S汇入十字坐标系中，得到试验件的感应加热设备输出的累计能量Q试与试样件淬火硬化层深度S的关系曲线。根据该关系曲线确定硬化层为Smin时的能量值为Q1,确认硬化层深为Smax时能量值为Q2，此时在系统中标定能量区间W为[Q1,Q2]。
S3，对工件进行感应加热。
如图2和图3所示，利用上述感应加热设备对工件进行感应加热，并且输出整个加热工件过程中的瞬时电压值曲线u(t)和瞬时电流值曲线i(t)。
如图4所示，然后计算得到感应加热设备加热工件过程中的瞬时功率值P瞬(t)＝u(t)i(t)，并且输出加热工件过程中的瞬时功率值曲线P瞬(t)。控制感应加热设备的瞬时电压和瞬时电流，以使感应加热设备输出的瞬时功率P瞬(t)在曲线区间W瞬(t)内。当工件整个淬火加热过程中瞬时功率P瞬(t)均在曲线区间W瞬(t)内，则进行S4操作；当工件淬火加热过程中任一瞬时功率P瞬(t)未在曲线区间W瞬(t)内，则该工件为不合格品。
S4,校验工件淬火硬化层深度，本实施例采用轴类工件淬火无损校验方法对工件进行校验，具体方法如下：
进行加热工件时感应加热设备输出瞬时功率P瞬(t)对时间的积分，得到工件感应淬火过程中感应加热设备输出的累计能量Q总。然后判断累计能量Q总是否落入S2中计算得到的标定能量区间W内。若感应加热设备加热工件时输出的累计能量Q总落入标定能量区间W，则该工件合格；若未落入，则该工件不合格。
本实施例中随机抽取3只淬火后校验合格的工件，调取其感应淬火过程中感应加热设备输出的累计能量Q总，并且对工件进行静扭加载试验，测试静扭强度。静扭加载试验为固定芯轴的一端，然后对芯轴的另一端施加扭矩，检测芯轴被施加扭矩一端的转动角度以及施加于芯轴的扭矩大小；
如图5所示，1#工件静扭加载试验结果，静扭强度为1594N·m；
如图6所示，2#工件静扭加载试验结果，静扭强度为1668N·m；
如图7所示，3#工件静扭加载试验结果，静扭强度为1674N·m。
对测试后的工件进行金相检测，测量有效硬化层深度S。然后将结果汇总表1中：
表1：工件静扭加载试验和金相检测汇总表
根据上表分析，3只工件的静扭强度分别为1594N·m，1668N·m，1674N·m符合1500～1800N·m的技术要求，淬火硬化层深度分别为1.8mm，2.0mm和2.1mm符合1.7～2.2mm的技术要求，符合芯轴的设计要求，同时其静扭强度在1500～1800N·m范围内。
本申请实施例一种控制淬火深度的加热方法及无损校验方法的实施原理为：通过芯轴设计的静态强度计算其淬火硬化层深度。然后对试样件进行感应淬火加热，测试得到当淬火硬化层深度符合计算淬火硬化层深度时，感应淬火设备对工件输出能量的区间。以上述能量区间控制感应淬火设备瞬时功率，使得淬火后的工件的淬火硬化层深度与合格试验件的淬火硬化层深度相近。最后校验感应淬火设备的加热工件时的总的输出能量，根据总的输出能量判断其是否在范围内，若在范围内，则工件合格。若不在范围内，工件不合格。本申请实施例将芯轴的静扭强度精确的控制在要求范围内，为动力源传动足够的扭矩，当负载过大时，又能扭断而起到保护作用。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.控制淬火硬化层深度的加热方法，其特征在于，包括：
S2：计算感应加热设备的输出功率；
S21：利用感应加热设备加热试样件，输出感应加热设备加热试样件过程中输出的瞬时功率P试（t）；
S22：淬火完成之后，检测试样件淬火硬化层深度，然后标定试样件淬火硬化层深度与感应淬火过程中感应加热设备输出的瞬时功率P试（t）的关系，标定工件淬火硬化层深度符合要求深度时的瞬时功率值的曲线区间W瞬（t）；
S3：对工件进行感应加热；
利用感应加热设备对工件进行感应加热，控制感应加热设备对工件加热时的瞬时功率P瞬（t）在曲线区间W瞬（t）内；
当工件整个淬火加热过程中瞬时功率P瞬（t）均在曲线区间W瞬（t）内，则该工件为合格品；
当工件淬火加热过程中的任一瞬时功率P瞬（t）未在曲线区间W瞬（t）内，则该工件为不合格品。
2.根据权利要求1所述的控制淬火硬化层深度的加热方法，其特征在于：于S21中，采集加热试样件过程中感应加热设备输出的瞬时电压信号，并输出加热试验件过程中的瞬时电压值曲线u（t）；采集加热试验件过程中感应加热设备输出瞬时电流信号，并输出加热试验件过程中的瞬时电流值曲线i（t）；将相同时刻的瞬时电压值和瞬时电流信值乘计算瞬时功率P试（t）。
3.根据权利要求2所述的控制淬火硬化层深度的加热方法，其特征在于：于S22中，调取淬火硬化层深度符合要求的试样件的瞬时功率P试（t）；
将上述试样件的所有瞬时功率值增加X，得到上限瞬时功率P瞬+（t）；
将上述试样件的所有瞬时功率值减少X，得到下限瞬时功率P瞬-（t）；
上限瞬时功率和下限瞬时功率之间的区间为曲线区间W瞬（t），W瞬（t）=[ P瞬-（t），P瞬+（t）]。
4.基于权利要求1-3所述的加热方法的芯轴淬火无损校验方法，其特征在于，包括：
S2：感应加热设备加热试样件，检测感应加热设备累计施加于试验件的能量Q试；
S3：对工件进行感应加热；检测感应加热设备累计施加于试验件的能量Q总；
S4：校验工件淬火硬化层深度；
其中：于S4前：计算试样件淬火硬化层深度与感应加热设备累计施加于试验件的能量Q试的关系，标定工件淬火硬化层深度符合要求深度时，感应加热设备累计施加于试验件的能量区间，该累计能量区间为标定累计能量区间W；
于S4中,若感应加热设备累计施加于工件的能量Q总落入标定累计能量区间W内，则该工件合格；若感应加热设备累计施加于工件的能量Q总未落入标定累计能量区间W内，则该工件不合格。
5.根据权利要求4所述的芯轴淬火无损校验方法，其特征在于：于S2中，采集加热试样件过程中感应加热设备输出的瞬时电压信号，并输出加热试验件过程中的瞬时电压值曲线u（t）；采集加热试验件过程中感应加热设备输出瞬时电流信号，并输出加热试验件过程中的瞬时电流值曲线i（t）；将相同时刻的瞬时电压值和瞬时电流信值乘计算瞬时功率P试（t）；计算瞬时功率P试（t）对时间的积分，得到加热试验件过程中感应加热输出的累计能量Q试。
6. 根据权利要求5所述的芯轴淬火无损校验方法，其特征在于：选取淬火硬化层深度符合要求的试样件，调取感应加热设备对所述试样件施加的累计能量Q试，以所述累计能量确定标定能量区间W=[ Q1, Q2]，其中Q1＜Q试，Q2＞Q试。
7. 根据权利要求5所述的芯轴淬火无损校验方法，其特征在于：于S2中，进行感应淬火的试验件有多个，并且每个试验件均利用相同的感应加热设备进行单独感应加热；将每个试验件的累计能量Q试和试样件淬火硬化层深度S汇入十字坐标系中，得到试验件的累计能量Q试与试样件淬火硬化层深度S的关系曲线；根据所述累计能量Q试与S的关系曲线确认硬化层为Smin时的能量值为Q1,确认硬化层深为Smax时能量值为Q2，标定能量区间W= [Q1，Q2]。
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