轮毂单元关键表面热处理方法及其感应器 技术领域
本发明涉及一种轮毂单元关键表面热处理方法及其感应器。
背景技术
轮毂单元是近年开发的高技术含量、高附加值的汽车零配件，它是汽轴公司新的经济增长点和发展方向，特别是目前公司正与全球最大的汽车配件供应商DELPHI商谈第三代轮毂单元配套事宜，因此轮毂单元样品试制是当务之急，而表面热处理是轮毂单元制造关键工艺；特别是DELPHI零件7467101/03的表面热处理工艺难度大、要求高，成为DELPHI项目开发明关键瓶颈工艺。
一、DELPHI项目零件7467101/03关键工艺表面热处理的要求见图1，说明如下：
A处：法兰根部淬硬层直径达到Φ64～74的要求；
B45°处：要求淬硬层DS＝2.25～4.0，淬硬层硬度为HRC58～64；
C沟径处：要求淬硬层深度DS＝2.75～6.0，淬硬层硬度为HRC60～64；
D直径处：淬硬层深度DS＝1.0～2.0，淬硬层硬度大于HRC45；
E处：未淬硬距离最小为8mm。
二、工艺难点分析
1、零件头部很薄，容易热透；二台阶尖角和头部棱边容易过热；
2、法兰根部和直径大小不同的过滤区(沟道)是不易加热区域，而要求获得较深的淬硬层；
3、B、C、D处淬硬层深度要求不一；
4、整个表面要求一次加热同时淬火而获得连续的硬化层；
通过以上工艺难点分析可知：采用传统的表面淬火工艺和常用的加热原理是难以达到要求的，
三、感应器
1、按传统工艺——常用的纵向磁通加热法，设计制造了一个锥形螺旋感应器，其特点是感应电流沿工件圆周方向分布(见图3，图中电流方向1、感应器2、工件3)。
试验结果是尖角效应强烈，台阶棱边及头部烧透，而工件法兰根部以及沟道(台阶轴过渡区)没有加热到工艺温度。试验证明此方案不行。
2、采用纵向磁通和横向磁通相结合的方法设计制造感应器，其特点是感应电流部分沿工件圆周方向部分沿工件轴向方向(见图4)。
这种方法经试验解决了工件法兰根部的加热问题，工件的沟道加热也可以但深度不够，达不到图纸要求，试验证明此方案也不行。
发明内容
本发明提供一种轮毂单元关键表面热处理方法及其感应器。
轮毂单元关键表面热处理方法是将待淬火工件放入感应器内，通过中频感应加热器加热，采用大功率、短时间、内喷水方法淬火，工件与上感应线圈径向间隙为5～10毫米，与下感应线圈的径向间隙为3～5毫米，轴向间隙为1.5～2.5毫米。
用于表面感应加热的感应器具有两导流体、上感应线圈、下感应线圈，在下感应线圈外设有导磁体，上、下感应线圈分别为两半圆形，一导流体依次与下感应线圈左半圆、上感应线圈左半圆、下感应线圈右半圆、上感应线圈右半圆和另一导流体相互连通，并通水。
本发明的优点：1、工件表面感应加热的感应器制作容易，这种形式的感应器只对几何尺寸作相应地变动能适应所有类似零件的表面感应淬火。2、新型感应器没有明显的尖角效应，不同轴径的台阶过渡区以及法兰盘根部均可获得理想的淬硬层。3、对淬火机床以及零件夹具精度要求不高。
附图说明
图1是7467101/03简图及表面热处理技术要求；
图2是淬硬层与加热时间的关系图；
图3是纵向磁通加热原理图；
图4是纵、横向磁通加热原理图；
图5是横向磁通加热原理图；
图6是导磁体结构尺寸图；
图7是感应器结构剖视图；
图8是感应器的俯视图。
具体实施方式
轮毂单元关键表面热处理方法是将待淬火工件放入感应器内，通过中频感应加热器加热，采用大功率、短时间、内喷水方法淬火，工件与上感应线圈径向间隙为5～10毫米，与下感应线圈的径向间隙为3～5毫米，轴向间隙为1.5～2.5毫米。
用于表面感应加热的感应器具有两导流体4、上感应线圈5、下感应线圈6，在下感应线圈外设有导磁体7，上、下感应线圈分别为两半圆形，一导流体依次与下感应线圈左半圆、上感应线圈左半圆、下感应线圈右半圆、上感应线圈右半圆和另一导流体相互连通，并通水。
所说的上、下感应线圈为方形异型铜管。下感应线圈直径大于上感应线圈直径。导磁体为δ＝0.1～0.35毫米的硅钢片。
四、工艺开发过程
1、设备频率的选择
根据资料，在感应加热旋转体、平面体时频率选择按如下公式计算：f=5×104δ2]]>
取δ＝2.5mm，则f=5×104δ2=8000HZ]]>
计算说明表面淬火采用中频电源较适宜。
2、功率计算
据资料介绍的计算方法，零件加热总能量消耗：
Q＝ΔQ.S
其中，ΔQ＝5kw.s/cm2(单位能耗消耗量已考虑各种损失)
S——零件加热的表面积
零件加热的表面积分成四部分，计算如下：
S＝S1+S2+S3+S4S1=π.(7.42)2-π(5.02)2=24.22cm2]]>
S2＝12×π×38＝14cm2
S3＝24×π×43＝32.4cm2
S4＝12×π×50＝18.8cm2
S＝24.22+14+32.4+18.8＝89.4cm2
Q＝5kw.s/cm2×89.4cm2＝447kw.s
按资料介绍淬硬层与加热时间的关系图(见图2)，查出：DS＝2.5mm
对应加热时间为3秒(DELPHI要求淬硬层核心部金属不要太宽的过渡区，所选用加热时间要短)，则计算功率为：P0=Qt=447kw.s3s=149kw]]>
根据计算结果设备功率选择要大于150kw，即设备选用功率150kw或200kw均可。
3、感应器结构设计
全部采用横向磁通加热法设计制造感应器(见图5)。其特点是感应电流方向沿工件轴向方向，工件台阶棱边和头部棱角尖角效应很小，台阶轴过滤区(沟道)和工件表面电流分布均匀；为了使工件法兰根部得到同样的加热速度，靠近工件法兰根部的感应器下圈增加了一排导磁体，材料根据资料选用δ＝0.1～0.35mm的硅钢片(实际用δ＝0.5mm代用)。导磁体采用线切割加工，结构尺寸见图6。
感应器与工件径向间隙为3mm，与法兰平面间隙为2mm，具体结构尺寸见附件一感应器结构图。
4、工艺试验
采用新型感应器，第一次加热试验就发现工件各部位包括法兰盘根部、沟道(台阶轴过渡区)、工件外圆表面加热均匀。通过切样发现头部淬透，经过我们分析讨论在头部内孔采取喷水冷却的工艺措施解决了这一问题。
五、质量检测
检查结果完全达到图纸要求和符合DELPHI标准HTS004。(由于DELPHI标准HTS004金相组织没有分级，且目前没有1070钢对应的感应淬火金相检验标准；而1070钢的化学成分与65Mn相似，故借用中华人民共和国专业标准，标准号：ZB J36009-98，标准名称：钢件感应淬火金相检验，标准适用范围：中碳碳素结构钢和中碳合金结构钢制造的机械零件，经高、中频感应淬火后金相组织及有效硬化层深度的检验。)
六、结论
1、横向磁通加热法设计制造的感应器经过实践证明：可以减小表面淬火时的尖角效应，不同轴径的台阶轴过滤区可以获得理想的淬硬层；
2、DELPHI工件7467101/03表面淬火工艺可以推广应用到第三代轮毂单元的所有类似工件。