副箱輸出軸為變速箱的一個(gè)關(guān)鍵零部件，車輛運(yùn)行中其承受較大的扭矩，因此要求副箱輸出軸具有較高的強(qiáng)度。圖樣技術(shù)要求：材料40Cr，R角和花鍵處中頻感應(yīng)淬火，R角處硬化層深≥5mm，花鍵處硬化層距離齒底5~8mm，表面硬度≥55HRC；基體要求調(diào)質(zhì)處理，硬度要求235~265HBW。2019年初，市場(chǎng)反饋副箱輸出軸在客戶行駛3萬(wàn)~10萬(wàn)km時(shí)斷裂較多，通過對(duì)失效件進(jìn)行分析得出斷裂原因如下。1）輸出軸R角結(jié)構(gòu)為內(nèi)凹式，感應(yīng)淬火難度較大，淬火層深較淺，淬火開裂敏感性較大，實(shí)際檢測(cè)R角部位存在感應(yīng)淬火裂紋。2）副箱輸出軸的油孔倒角為0.5mm×45°，由于尖角效應(yīng)，淬火開裂傾向大，也存在淬火裂紋。本文主要從原理上分析了副箱輸出軸斷裂的原因，并有針對(duì)性地制定了一系列的改善措施，最終解決了副箱輸出軸斷裂的問題。
一、失效分析
副箱輸出軸失效件如圖1所示，失效件的外觀及斷裂位置如圖1a所示，紅色圓圈處為斷裂位置，可以看出副箱輸出軸從退刀槽的R角位置斷裂，斷口形貌如圖1b所示，斷口平直，受到軸的周向轉(zhuǎn)動(dòng)作用，斷口在斷裂之后兩端有相互磨損的痕跡，符合扭轉(zhuǎn)斷裂特征。
圖1 副箱輸出軸失效件
對(duì)現(xiàn)生產(chǎn)成品件和市場(chǎng)反饋的失效件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和金相分析，試驗(yàn)結(jié)果見表1。從表中可以看，出現(xiàn)生產(chǎn)成品件以及市場(chǎng)失效件花鍵部位的感應(yīng)淬火結(jié)果滿足技術(shù)要求，花鍵部位有效淬硬層深≥5mm，淬硬層金相組織為4~5級(jí)針狀馬氏體。但花鍵油孔處和R角處的感應(yīng)淬火結(jié)果均不符合技術(shù)要求，具體如下：1）現(xiàn)生產(chǎn)成品件的R角位置和花鍵油孔處存在感應(yīng)淬火裂紋。2）R角處的感應(yīng)淬火層深較淺甚至存在無(wú)感應(yīng)淬火層深現(xiàn)象，未達(dá)到技術(shù)要求所規(guī)定的5mm以上。
表1 成品件及失效件磁粉檢測(cè)及金相分析結(jié)果
以上檢測(cè)結(jié)果與失效件的開裂特征是相符的，由于副箱輸出軸R角處感應(yīng)淬火層深較淺，不符合技術(shù)要求，且R角處存在感應(yīng)淬火裂紋，導(dǎo)致R角處的強(qiáng)度較低，車輛運(yùn)行過程當(dāng)中，R角位置承受不了較大的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力最終開裂。此外，花鍵油孔處也存在感應(yīng)淬火裂紋，市場(chǎng)失效件中也有部分副箱輸出軸在此處斷裂。
圖2 無(wú)損檢測(cè)和金相檢測(cè)結(jié)果
從失效檢測(cè)結(jié)果可以看出，副箱輸出軸的斷裂風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)有兩處：一是R角位置；二是花鍵油孔。圖3a所示為現(xiàn)生產(chǎn)成品件R角位置的結(jié)構(gòu)，可以看出R角為內(nèi)R0.5mm結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對(duì)感應(yīng)淬火會(huì)造成以下兩點(diǎn)影響。1）內(nèi)R式結(jié)構(gòu)的R角底部過渡圓角太小，R角凹陷底部機(jī)械加工應(yīng)力較大，這會(huì)增大產(chǎn)生感應(yīng)淬火裂紋的敏感性。2）內(nèi)R式結(jié)構(gòu)的R角凹陷部位與感應(yīng)器之間的距離相對(duì)較大。圖3b所示為R角部位感應(yīng)加熱時(shí)的感應(yīng)電流分布，由于感應(yīng)加熱的臨近效應(yīng)，距離感應(yīng)器越遠(yuǎn)，感應(yīng)電流就越小。因此，對(duì)于區(qū)域1~4，感應(yīng)電流是逐漸減小的，且由于R角底部區(qū)域4距離感應(yīng)器最遠(yuǎn)，所以R角底部的感應(yīng)電流最小，在同等加熱時(shí)間情況下，當(dāng)區(qū)域1~3整體達(dá)到淬火加熱溫度時(shí)，區(qū)域4可能還未完全達(dá)到淬火溫度，此時(shí)噴水冷卻，區(qū)域1~3發(fā)生馬氏體相變，區(qū)域4部分發(fā)生或不發(fā)生馬氏體相變，使得區(qū)域1~3與區(qū)域4的淬硬層深不一致，在R角內(nèi)外部發(fā)生因組織轉(zhuǎn)變導(dǎo)致的不均勻變形，區(qū)域4受到組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的拉應(yīng)力，同時(shí)為機(jī)械加工應(yīng)力集中點(diǎn)，最終導(dǎo)致淬火時(shí)區(qū)域4易產(chǎn)生淬火裂紋。另外，由于區(qū)域4距離感應(yīng)器最遠(yuǎn)，此處為感應(yīng)淬火最難實(shí)現(xiàn)的部位，因此淬硬層深度不夠。圖3c所示為現(xiàn)生產(chǎn)副箱輸出軸油孔倒角結(jié)構(gòu)，油孔設(shè)計(jì)尺寸為0.5mm×45°。該結(jié)構(gòu)不符合感應(yīng)淬火對(duì)孔倒角的設(shè)計(jì)要求，為了更好地保證感應(yīng)淬火質(zhì)量，要求孔的倒角應(yīng)該略大于1mm×45°。這主要是因?yàn)榈菇切r(shí)，由于感應(yīng)加熱的尖角效應(yīng)使油孔周邊的溫度過高，易產(chǎn)生淬火裂紋；同時(shí)由于油孔的存在，迫使感應(yīng)電流在油孔的兩側(cè)繞行，油孔周圍的感應(yīng)電流分布不均勻，在沿電流方向油孔兩側(cè)渦流密度大，而垂直電流方向的油孔兩側(cè)渦流密度小，于是前者成了高溫區(qū)，后者成了低溫區(qū)，如圖3d所示。油孔周圍區(qū)域的加熱溫度不均，電流透入深度不同，淬火后的硬化層厚度也不同，感應(yīng)淬火過程中產(chǎn)生了組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，這種應(yīng)力是油孔邊緣產(chǎn)生淬火裂紋的根本原因。另外，由于油孔的特殊結(jié)構(gòu)，在冷卻時(shí)其邊緣的冷卻較其他部位更為劇烈，進(jìn)一步增加了油孔邊緣產(chǎn)生淬火裂紋的敏感性。
圖3 R角和油孔
二、改善措施
2.1 R角和油孔倒角結(jié)構(gòu)優(yōu)化由以上分析可知，副箱輸出軸斷裂的根本原因在于R角結(jié)構(gòu)及油孔倒角設(shè)計(jì)不合理，因此特制定以下改善措施。1）改進(jìn)過渡圓角結(jié)構(gòu)為外圓角R1.5mm，優(yōu)化圓角處感應(yīng)淬火層深技術(shù)要求為≥3mm。2）改進(jìn)油孔倒角結(jié)構(gòu)為（1~1.5）mm×45°。圖4a所示為優(yōu)化后的R角結(jié)構(gòu)，在感應(yīng)熱處理中，當(dāng)工件的臺(tái)階根部需要進(jìn)行感應(yīng)淬火強(qiáng)化時(shí)，臺(tái)階根部需要有過渡圓角，且越大越好。如此設(shè)計(jì)有良好的工藝性：①減小臺(tái)階根部的應(yīng)力集中，降低使用過程中的開裂傾向。②降低感應(yīng)淬火難度，臺(tái)階根部受熱均勻，臺(tái)階淬硬層均勻連續(xù)，強(qiáng)度顯著提升。圖4b所示為優(yōu)化后的油孔倒角設(shè)計(jì)，倒角尺寸增大到（1~1.5）mm×45°，同等加熱情況下，油孔倒角越大，越可顯著減小油孔邊緣的電流密度，降低因過熱而使油孔邊緣開裂的傾向。
圖4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化
由于副箱輸出軸的淬火面積較大且電源功率較小，因此采用掃描淬火方式完成對(duì)副箱輸?shù)拇慊?。掃描淬火的最大?yōu)勢(shì)就是可以使用較小容量的設(shè)備，處理大型工件。掃描淬火方法將工件置于感應(yīng)器之中或臨近位置，使感應(yīng)器和工件發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，感應(yīng)器接通高頻或中頻電流，將工件感應(yīng)加熱到淬火溫度，同時(shí)感應(yīng)器或噴水器噴出淬火冷卻介質(zhì)，使工件已經(jīng)達(dá)到淬火溫度的部分得以淬火，直至工件的淬火面積全部完成淬火后，先切斷感應(yīng)器電流，后停止淬火冷卻介質(zhì)噴射。圖5所示為優(yōu)化后的感應(yīng)器有效圈設(shè)計(jì)，感應(yīng)器的有效圈為整圈結(jié)構(gòu)，有效圈旋轉(zhuǎn)一定角度（一般情況為45°），以滿足變截面處平面及R角的加熱。有效圈上裝有“Π”形導(dǎo)磁體，導(dǎo)磁體的槽口斜對(duì)R角區(qū)域，利用導(dǎo)磁體的槽口效應(yīng)，將有效圈的中頻電流驅(qū)逐到R角區(qū)域，使R角區(qū)域加熱得到強(qiáng)化，有效圈前端與R角的間隙為3~5mm，R角可以迅速加熱，一般加熱時(shí)間不超過10s即可達(dá)到淬火溫度，得到非常理想的硬化層分布。考慮到加熱R角時(shí)，為了使R角獲得足夠的淬硬層深，感應(yīng)器需要在R角區(qū)域停留加熱一段時(shí)間，而此時(shí)R角上方臨近的花鍵也在被加熱，為了防止此處花鍵的淬硬層深過大，造成R角與軸向花鍵過渡處淬硬層發(fā)生“鼓肚子”的現(xiàn)象，利用感應(yīng)加熱的臨近效應(yīng)，即在感應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)，其加熱花鍵的面與花鍵軸向呈7.5°夾角，越接近R角區(qū)域，間距越小，從而使得R角區(qū)域及其臨近區(qū)域的感應(yīng)電流分布如圖5中黑色陰影所示。待R角區(qū)域完成加熱時(shí)感應(yīng)器向上移動(dòng)對(duì)花鍵區(qū)域進(jìn)行加熱淬火，最終獲得均勻連續(xù)的淬硬層，提高了輸出軸的整體強(qiáng)度。
圖5 有效圈設(shè)計(jì)
三、結(jié)束語(yǔ)
通過以上失效原因分析，本次副箱輸出軸斷裂改善措施主要有三個(gè)方面：一是優(yōu)化過渡圓角結(jié)構(gòu)，改進(jìn)過渡圓角結(jié)構(gòu)為外圓角R1.5mm，要求圓角處感應(yīng)淬火層深技術(shù)要求為≥3mm；二是優(yōu)化花鍵處油孔的倒角尺寸，改進(jìn)油孔倒角結(jié)構(gòu)為（1~1.5）mm×45°；三是優(yōu)化感應(yīng)器有效圈的結(jié)構(gòu)，采用掃描感應(yīng)淬火方法，使圓角及花鍵的淬硬層連續(xù)均勻。以上改善措施實(shí)施后，對(duì)副箱輸出軸進(jìn)行檢測(cè)和跟蹤，取得了明顯的效果。1）副箱輸出軸的R角強(qiáng)度得到顯著提升，油孔倒角和R角區(qū)域也再未出現(xiàn)感應(yīng)淬火裂紋。2）副箱輸出軸圓角及淬硬層連續(xù)均勻，R角淬硬層深4~6mm，花鍵部位淬硬層深5~8mm，淬硬層金相組織為4~6級(jí)針狀馬氏體，表層硬度56~59HRC，均能滿足技術(shù)要求。3）發(fā)交裝車后的副箱輸出軸再未發(fā)生開裂，大大減低了市場(chǎng)索賠風(fēng)險(xiǎn)，提升了產(chǎn)品的質(zhì)量及客戶的滿意度。
作者：余金科，牛恩來，趙俊平，魯福來
單位：東風(fēng)商用車技術(shù)中心
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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