由于內(nèi)花鍵的結(jié)構(gòu)特性，無法在熱處理后進(jìn)行精加工來保證尺寸，因此在內(nèi)花鍵熱處理前編制機(jī)加工工藝時，要考慮到熱處理變形的影響，需預(yù)留一定的變化量，而預(yù)留量的多少則要經(jīng)過大量工藝試驗(yàn)驗(yàn)證。不同的感應(yīng)淬火頻率、淬硬層深、感應(yīng)加熱工藝都會有不同的變形量；不同的零件結(jié)構(gòu)及內(nèi)花鍵壁厚，感應(yīng)淬火后也會有不同的變形量；另外，不同的材料、金相組織，熱處理后變形量也不盡相同。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，摸索出各因素對感應(yīng)淬火變形的影響數(shù)據(jù)，可較大程度地縮短類似內(nèi)花鍵零件的開發(fā)周期，提高感應(yīng)淬火質(zhì)量，對內(nèi)花鍵感應(yīng)淬火具有積極的指導(dǎo)、參考意義。
一、零件說明
圖1是兩種不同結(jié)構(gòu)的行星架，材料為QT700-2，其內(nèi)花鍵頂圓直徑均為54mm，有效長度均為53mm，花鍵模數(shù)均為1.5875，壁厚分別是12mm和23mm。感應(yīng)淬火要求內(nèi)花鍵根部淬硬層深≥0.4mm，硬度≥45HRC，允許內(nèi)花鍵全長淬火。
圖1 內(nèi)花鍵行星架結(jié)構(gòu)
零件開發(fā)過程中，嘗試采用不同頻率的感應(yīng)加熱電源，所得到的感應(yīng)淬火層深和變形數(shù)據(jù)也都不同。采用不同的淬火機(jī)床，零件裝夾跳動不同，熱后內(nèi)花鍵錐度、圓度也不同。
二、淬硬層深對內(nèi)花鍵變形的影響
在滿足最小淬硬層深及硬度要求的前提下，選擇加熱電源的頻率越低，淬硬層深就越大；其感應(yīng)加熱影響區(qū)深度越大，冷卻時內(nèi)花鍵縮量也越大。反之，選擇加熱電源的頻率越高，淬硬層深就越小；其感應(yīng)加熱影響區(qū)深度越小，冷卻時內(nèi)花鍵縮量也就越小。不同頻率的感應(yīng)加熱電源，所得到的淬硬層深不同，變形數(shù)據(jù)也就不同。因此，在內(nèi)花鍵熱處理前預(yù)留量的選擇上，一定要根據(jù)感應(yīng)熱處理設(shè)備電源頻率，做好試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集。
在實(shí)際生產(chǎn)中，因各種條件限制，感應(yīng)加熱所用設(shè)備的頻率會遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離所需的最佳頻率。經(jīng)實(shí)踐證明，對于齒輪、花鍵類零件的感應(yīng)加熱，頻率的選擇與模數(shù)有關(guān)。當(dāng)感應(yīng)加熱比功率Pb＜1.5kW/cm2時，其選擇的最佳頻率為f＝2.5×105/M2（M為齒輪模數(shù)）。此類零件內(nèi)花鍵模數(shù)為1.5875，故最佳頻率選擇：f＝2.5 ×105/1.58752＝99200Hz＝99.2kHz。在內(nèi)花鍵零件感應(yīng)淬火工藝開發(fā)過程中，曾使用兩種不同頻率的電源進(jìn)行感應(yīng)加熱淬火。
（1）使用30~40kHz的超音頻感應(yīng)加熱淬火設(shè)備因?yàn)轭l率偏低，實(shí)際加熱過程中熱能量從內(nèi)花鍵根部傳導(dǎo)至內(nèi)花鍵頂部。在根部淬硬層深達(dá)到1.5mm以上時（見圖2、圖3），頂部才完全達(dá)到奧氏體化溫度。經(jīng)熱處理前后對比，內(nèi)花鍵變形平均縮量在0.19mm。
圖2 根部硬化層深1.05mm
圖3 根部硬化層深1.5mm
（2）使用200~400kHz的高頻感應(yīng)加熱淬火設(shè)備因?yàn)轭l率過高，熱能量從內(nèi)花鍵頂部傳導(dǎo)至內(nèi)花鍵根部。在相同的淬硬層深度時，不同的頻率選擇，變形數(shù)據(jù)也有差異。當(dāng)頻率選擇200kHz時，內(nèi)花鍵根部淬硬層深為0.6~0.8mm，符合圖樣技術(shù)要求。熱處理前后對比，內(nèi)花鍵變形平均縮量在0.14mm。當(dāng)頻率選擇235kHz時，內(nèi)花鍵根部硬化層深為0.6~0.8mm，符合圖樣技術(shù)要求。熱處理前后對比，內(nèi)花鍵變形平均縮量在0.10mm（見表1）。
表1 不同狀態(tài)下內(nèi)花鍵變形數(shù)據(jù)對比
三、零件結(jié)構(gòu)對內(nèi)花鍵變形的影響
零件結(jié)構(gòu)對熱處理變形有較大的影響。對于內(nèi)花鍵感應(yīng)淬火零件，其壁厚是最重要的影響因素之一，壁厚越薄，內(nèi)花鍵錐度越大，圓度也越大。對于本文兩種結(jié)構(gòu)的內(nèi)花鍵，長度較長，在感應(yīng)淬火時，孔口位置相對中心位置冷卻速度較快，縮量也較大，因此在整個內(nèi)花鍵長度上存在一定的錐度。在相同淬硬層深的背景下，對比12mm和23mm壁厚感應(yīng)淬火加工后檢測發(fā)現(xiàn)，23mm壁厚的內(nèi)花鍵錐度較小，只有0.02mm。在工藝編制時，將12mm壁厚的的外圓直徑由78mm增加到100mm，在內(nèi)花鍵感應(yīng)淬火后再將外圓直徑加工到要求尺寸。經(jīng)過驗(yàn)證，通過熱處理前增加外圓車削余量、熱處理后機(jī)加工至外圓尺寸的方法，將12mm壁厚的內(nèi)花鍵錐度也穩(wěn)定地控制在0.02mm范圍內(nèi)。
四、加工方法對內(nèi)花鍵變形的影響
感應(yīng)淬火時，零件的裝夾精度、外圓跳動也對變形有一定的影響。裝夾跳動越大，內(nèi)花鍵感應(yīng)淬火后的圓度、錐度也越大。對感應(yīng)淬火加工方法及過程控制上要嚴(yán)格要求，零件外圓跳動應(yīng)控制在0.2mm之內(nèi)。
五、材料對內(nèi)花鍵變形的影響
鋼質(zhì)件、鑄鐵件等不同材料的內(nèi)花鍵，感應(yīng)淬火后的變形也不同。西安雙特智能傳動有限公司所加工的QT700-2材質(zhì)的行星架內(nèi)花鍵，基體組織中球化率和石墨形態(tài)較差的件，變形相對較大。
因此，對于感應(yīng)淬火，必須穩(wěn)定材料組織、狀態(tài)，這樣才能保證加工出的內(nèi)花鍵尺寸縮量一致。
六、結(jié)束語
從試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)來看，內(nèi)花鍵感應(yīng)淬火后變形趨勢是縮小的，不同的淬硬層深、加熱電源頻率、內(nèi)花鍵壁厚，以及加工工藝控制，所得到的變形數(shù)據(jù)是不同的。為了降低縮量過大所導(dǎo)致的其他畸變，如錐度、圓度等，建議內(nèi)花鍵感應(yīng)淬火選擇比最佳頻率更高一些的加熱電源進(jìn)行感應(yīng)淬火。在內(nèi)花鍵感應(yīng)淬火零件的開發(fā)時，要針對所選擇的感應(yīng)淬火設(shè)備進(jìn)行工藝試驗(yàn)，取得穩(wěn)定的變形數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，固定工藝參數(shù)及設(shè)備，在熱處理前內(nèi)花鍵加工中預(yù)留固定的預(yù)縮量，可保證感應(yīng)淬火之后獲得穩(wěn)定合格的內(nèi)花鍵尺寸。
作者：閆科，李精華，賈武，劉光宗
單位：西安雙特智能傳動有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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