汽車半軸的工藝及失效形式探討

十堰職業技術學院機電工程系 （湖北 442000） 候玉榮

十堰高周波科工貿有限公司 （湖北 442013） 蔡小山

汽車半軸（見圖1）是汽車后橋總成中的一個重要零件，其內端一般通過花鍵與半軸齒輪聯接，外端與輪轂聯接，作用是傳遞動力。汽車發動機的扭矩經汽車傳動軸傳遞到汽車后橋，由半軸將動力傳給車輪及輪胎，從而推動汽車行駛。汽車半軸根據支承型式不同，一般分為全浮式半軸和半浮式半軸。

從制造工藝角度來看，汽車半軸是一種工藝典型的零件，生產汽車半軸要采用鍛造工藝、普通熱處理工藝、感應熱處理工藝、壓校工藝、機械加工工藝（包括車、銑、鉆、磨、銑花鍵等）、噴丸工藝、清洗工藝、打標工藝等。

圖1 汽車半軸

一、汽車半軸的材料及技術要求

當汽車在啟動或上坡時，扭矩很大，特別在緊急制動或行駛在不平坦的道路上時，工作條件更為惡劣，半軸要承受沖擊、交變彎曲疲勞荷載和扭力的作用。因此，半軸生產所需的材料要有足夠的抗彎強度、抗剪強度和較好的韌性。

汽車半軸材料一般可選用40Cr、40MnB、42CrMo、40CrMnMo、35CrMo、40CrH、40MnBH、42CrMoH。

汽車半軸中頻淬火表面硬度50～63HRC，半軸心部硬度229～269HBW；汽車半軸表面無凹坑、裂紋，無有害傷痕、飛邊，半軸桿部跳動不大于1mm；一般6t級以下半軸的中頻淬硬層深為4～7mm；6t級以上半軸的中頻淬硬層深為8～13mm。

二、汽車半軸的加工工藝

汽車半軸的加工工藝流程如下：

半軸材料采購 →下料→花鍵加熱→鍛造鐓花鍵成形→另一端加熱→鍛造預鐓制坯→加熱→半軸盤端擺輾成形→淬火→回火→校直→拋丸→銑端面鉆中心孔→校正→粗車半軸法蘭盤外端面和花鍵外圓→粗車法蘭盤內端面和外圓→精車法蘭端和花鍵外圓→銑花鍵→清洗→中頻淬火→回火→校正→無損檢測→鉆半軸法蘭盤孔→磨半軸法蘭軸頸→精車半軸法蘭內端面→拋光→清洗→打標→包裝。

其中，大多數半軸生產廠進行半軸法蘭鍛造時，大都采用臥式擺輾工藝。半軸臥式擺輾工藝的特點：比校平鍛機操作簡便，能耗低，易維修。

三、半軸預備熱處理

1. 半軸熱處理及組織

半軸預備熱處理一般有正火、調質。6t級半軸預備熱處理可采用正火或調質。6t級以上半軸的預備熱處理大多采用調質。

半軸調質后組織1～4級合格，半軸調質熱處理金相組織標準見下表。

半軸調質熱處理金相組織標準

2. 半軸調質設備

半軸調質熱處理設備有臺式電阻爐、步進式電阻爐（見圖2）、推桿式電阻爐。

臺車式電阻爐適用于半軸小批量的調質處理，半軸裝料時采取堆放，或采用半軸豎立放置在圓料筐中，半軸在淬火冷卻介質中淬火易產生半軸的淬火硬度不均、金相組織不均勻等現象。臺車式電阻爐不適用半軸自動化熱處理。

步進式電阻爐可適用于半軸大批量的調質熱處理，可以實現半軸調質的自動化生產。但步進式電阻爐前后爐門為敞開形式，能耗較大。

推桿式電阻爐可適用于半軸大批量的調質熱處理，可以實現半軸調質的自動化生產。

圖2 步進式電阻爐

四、半軸中頻感應加熱淬火

1. 半軸中頻感應加熱淬火工藝

半軸中頻淬火通常有半軸連續淬火工藝和半軸整體淬火工藝。

半軸連續淬火工藝是采用圓環感應器對半軸進行連續淬火。對帶有法蘭盤的半軸圓環感應器（見圖3）裝有可控硅的導磁體，利用導磁體的槽口效應，對半軸法蘭盤處的圓角部位進行感應加熱淬火。

圖3 半軸圓環感應器

半軸整體淬火工藝是采用矩形感應器（見圖4）對半軸進行整體淬火。半軸整體淬火的特點是半軸表面淬火硬度均勻，淬火變形小，易于實行半軸自動化生產。

2. 半軸感應淬火設備

（1）半軸感應加熱電源 目前，半軸感應加熱電源大多采用KGPS可控硅中頻電源（見圖5）和IGBT晶體管電源（見圖6）。

圖4 半軸矩形感應器

圖5 KGPS可控硅中頻電源

圖6 IGBT晶體管電源

KGPS可控硅中頻電源與機式中頻電源相比啟動成功率高，頻率可自動跟蹤，電效率可達90%。KGPS可控硅電源的缺點是自動適應負載頻率較差。

IGBT晶體管電源的特點：頻率范圍寬，基本可以覆蓋中頻和超音頻；啟動成功率達到100%，安全可靠；IGBT晶體管電源的效率可以達到95%以上；負載自適應強，工藝調整方便。

（2）半軸用淬火機床 常用半軸淬火機床有立式半軸淬火機床、臥式半軸淬火機床。半軸感應加熱淬火工藝可以采取連續加熱淬火、整體加熱淬火。圖7～圖10為半軸連續加熱淬火機床，加熱過程中移動方式有半軸移動和感應器移動兩種形式。圖11為半軸整體加熱淬火用數控臥式半軸整體淬火機床。

半軸連續加熱淬火工藝適用于半軸品種多、或品種單一且產量不大的生產模式。半軸整體加熱淬火適用于單一品種且批量大的生產模式。

圖7 立式半軸淬火機床（工件移動）

圖8 數控立式淬火機床（感應器移動）

圖9 雙工位立式數控淬火機床

圖10 雙軸立式半軸淬火機床

圖11 數控臥式半軸整體淬火機床

五、半軸的失效

汽車半軸在汽車結構中起到傳遞動力的作用，汽車運行過程中承受彎曲和扭轉等載荷，由于半軸的材料缺陷、鍛造缺陷、熱處理缺陷和超載等原因，會導致半軸的早期失效。半軸的失效形式有磨損、彎曲變形、斷裂。

1. 半軸磨損失效

汽車半軸的磨損通常產生在半軸的法蘭盤軸頸、半軸、半軸花鍵等部位。

（1）半軸的法蘭盤軸頸部位的磨損原因：裝配干涉，半軸軸頸的淬火硬度低，以及半軸安裝螺栓松動。

（2）半軸桿部的磨損原因：裝配干涉，汽車超載。

（3）半軸花鍵部位的磨損原因：半軸與半軸齒輪間隙不當，半軸花鍵部的淬火硬度低，以及汽車超載等。

2. 半軸彎曲變形失效

汽車半軸彎曲變形的原因有汽車超載，半軸的原材料選擇不當，以及半軸的疲勞強度和靜扭強度不合格等。

3. 半軸斷裂失效

汽車半軸的斷裂失效有平齊斷裂（見圖12）、半軸法蘭盤掉盤、半軸花鍵扭斷（見圖13）、軸部的45℃剪切斷裂。

圖12 半軸桿部齊斷

圖13 半軸花鍵扭斷

（1）半軸的平齊斷裂 平齊斷裂發生部位在半軸的法蘭軸頸部位、半軸的桿部、半軸的花鍵部位，斷口面與半軸的中心線垂直。產生原因有半軸的原材料內在缺陷、鍛造缺陷、裂紋、汽車超載，以及淬硬層淺等。

（2）半軸的法蘭盤掉盤 半軸法蘭盤掉盤產生的原因有汽車超載、裂紋、半軸的原材料內在缺陷、鍛造缺陷、法蘭盤R部位未感應淬火等。

（3）半軸花鍵扭斷 半軸的花鍵扭斷的產生原因有汽車超載，半軸裂紋，半軸的原材料內在缺陷，鍛造缺陷，花鍵的淬硬層淺，以及花鍵淬火區域有軟帶等。

（4）半軸軸部的45°剪切斷裂 半軸軸部的45°剪切斷裂的產生原因有半軸的原材料內在缺陷、軸部淬硬層淺、汽車超載及調質不良等。