輪轂軸承單元外圈感應淬火工藝優化研究*

張高峰,唐誼平,宣國軍,黃德杰,李 凱,高 柯

(1.浙江工業大學 材料科學與工程學院,浙江 杭州 310014;2.浙江萬向精工有限公司,浙江 杭州 311215;3.江西特種電機股份有限公司,江西 宜春 336000)

0 引 言

作為汽車底盤的重要部件,輪轂軸承單元起著承載和傳動的重要作用[1]。

軸承外圈零件結構復雜。通過對溝道區域進行感應淬回火處理,可以使其表層達到較高的硬度,以滿足軸承的實際使用需要。有研究人員發現,軸承溝道淬硬層的形狀、深度及硬度等特性對于輪轂軸承總成抗沖擊性能具有顯著的影響[2]。因此,輪轂軸承溝道感應淬火工藝技術尤為重要。

張根元等人[3]采用有限元分析方法,對S45C材料軸在不同感應淬火工藝條件下的組織與硬度分布進行了分析,并且進行了實際測試,結果發現,實測結果與有限元分析結果接近。許佩宜等人[4]研究了感應淬火工藝參數對輪轂軸承法蘭內圈淬硬層和組織的影響,并且得到了感應淬火的最佳工藝參數。羅利強[5]研究了軸承外圈整體淬火溫度場變化情況,并且對淬火后殘余應力分布進行了分析。王榮等人[6]對曲軸在感應淬火后淬硬層深度與表面殘余應力進行了仿真,并且對其進行了實驗,結果發現,兩者的結果基本一致。臧樂航等人[7]研究了感應加熱溫升速度與感應器形狀、感應頻率和電流密度的關聯性。謝建斌等人[8]基于應用數學轉換方法,研究了45鋼在連續冷卻時,各相變組織的體積百分數。MUHLBAUER A等人[9]基于邊界元法,研究了三維模型的感應加熱仿真分析。TODAKA T等人[10]研究了通過優化感應線圈的形狀,使工件在感應加熱中受熱均勻的方法。LUCIA O等人[11]研究了電磁感應加熱技術未來的發展和應用,結果表明,其加熱快/安全/清潔等特點使其在機械領域具有廣泛的應用前景。

有很多學者對感應淬火工藝進行了大量的理論與實踐研究,但對于輪轂軸承單元溝道感應淬火工藝的研究,以及溝道淬硬層對抗沖擊性能影響的相關試驗研究則很少。

目前,外圈內外側雙溝道的表層淬硬層沿溝曲率隨形分布,深度較淺,且雙溝道淬硬層區域相互獨立,因此,外圈的抗沖擊性能較差。

筆者從工藝實驗與臺架試驗角度,通過有限元仿真分析[12]與工藝實驗相結合的方法,優化外圈感應淬火工藝,優化溝道淬硬層形狀與深度,并通過路肩沖擊試驗對輪轂軸承單元抗沖擊性能提升效果進行驗證。

1 工藝條件分析與工藝方案設計

外圈零件與感應器及配合示意圖如圖1所示。

其中,外圈零件內徑與感應線圈配合示意圖如圖1(c)所示。

圖1 外圈零件與感應器及配合示意圖

通過調整感應器矩形線圈結構尺寸,筆者將感應線圈的寬度W由6 mm加寬至8 mm,以增加感應線圈的有效感應寬度,從而加寬溝道淬硬層軸向寬度。

在線圈調整時,增加感應線圈寬度W,且減小軸向間距Y,會使線圈與溝道擋邊的最小距離變小。因鄰近效應與尖角效應[13]影響,會導致溫度在擋邊尖角處聚集。溫度過高會導致該位置組織粗大和熱應力集中的問題,甚至產生淬火裂紋[14]。

因此,在中頻感應加熱中應保證線圈與擋邊最小距離≥2 mm[15]。所以,合理調整線圈間距L(即軸向間距Y)以及淬火工藝參數,如電源電壓與加熱時間,就成了該工藝方法的關鍵。

針對感應器結構尺寸與工藝參數對感應加熱的影響,筆者設計了以下工藝方案。

感應熱處理工藝方案設計如表1所示。

表1 感應熱處理工藝方案設計表

表1中,感應線圈與外圈內徑的間隙X保持為1 mm,以減少漏磁;電源頻率f保持為12 000 Hz,以達到合適的透入深度。

筆者對不同的工藝方案采用有限元分析法進行仿真分析,并將分析結果,如淬硬層深度和形狀,與工藝實驗結果進行對比分析,以得到合適的感應熱處理工藝方案。

2 材料特性與有限元分析模型

2.1 SAE1055材料物理性能

此處的輪轂軸承單元外圈零件采用SAE1055碳素結構鋼材料。

材料主要化學成分如表2所示。

表2 SAE1055材料主要化學成分表(質量分數)

筆者基于JMatPro材料組織性能模擬軟件,計算得到該材料相關的電磁熱物理參數,如熱導率、比熱容、電阻率、相對磁導率等。

材料電磁熱物理參數如圖2所示。

圖2 SAE1055材料電磁熱物理參數

2.2 有限元仿真分析模型建立

考慮到實際外圈零件帶凸緣結構,因此在凸緣處的材料厚度較厚,可能對感應熱處理的透入深度有影響。

筆者對同一外圈的凸緣處與非凸緣處進行對比分析,以判斷該零件不同位置的淬硬層深度是否均勻,從而建立合適的仿真分析模型。

筆者經過對外圈零件兩凸緣中間位置(材料薄)和凸緣位置(材料厚)進行軸向剖切分析溝道淬硬層深度后,發現外圈溝道各處的淬硬層深度接近,從而認為該零件的周向感應加熱均勻性較好,凸緣結構對感應加熱深度影響不大。

外圈滾道淬硬層均勻性檢測結果如圖3所示。

圖3 外圈滾道淬硬層均勻性檢測圖

由此可見,在有限元仿真模型中采用中心軸對稱的二維簡化模型是合理的。

輪轂軸承單元外圈零件有限元分析模型如圖4所示。

圖4 輪轂軸承單元外圈有限元仿真模型

2.3 有限元網格劃分與邊界條件

在感應熱處理過程中,外圈滾道與內徑表層在感應加熱與淬火時,對溫度分析的精確度要求較高,因此,在進行網格劃分時,對滾道與內徑表層網格要求更精細,而外表面網格在保證輪廓形狀的基礎上可劃分較粗,以減少網格數量,提高計算結果的精確度和效率。

考慮到在加熱時，空氣與工件表面存在輻射換熱和對流換熱邊界條件,筆者取輻射換熱系數為0.5 W/(m2·K4),對流換熱系數20 W/(m2·K)。筆者取環境溫度和外圈初始溫度為20 ℃。

2.4 感應淬火組織轉變與淬火深度判定

外圈材料原始組織為均勻分布的珠光體+鐵素體組織,滾道表層組織經過感應加熱轉變為奧氏體組織。

在淬火液對外圈表面充分冷卻的條件下,溫度在AC3臨界溫度以上的區域,淬火后為100%馬氏體M組織,為完全淬硬層;加熱溫度在AC1溫度以下區域,淬火后不發生組織轉變;在AC3到AC1溫度之間區域,淬火后為馬氏體M+珠光體P+鐵素體F組織區域,取AC3和AC1中間溫度T處為產生50%馬氏體M組織的位置,判斷為有效淬硬層深度[16]。

筆者基于JMatPro材料模擬軟件分析可得,AC3、AC1溫度點分別為776.9 ℃、735.2 ℃。

考慮感應加熱的特殊性,感應加熱速率較快,會造成臨界溫度AC3、AC1略變高30 ℃～50 ℃,因此,筆者取有效淬硬層深度的加熱溫度T為790 ℃。

3 數值分析與工藝驗證結果

3.1 數值分析結果

根據工藝設計方案與有限元分析方法,針對輪轂軸承外圈模型進行感應加熱過程仿真分析,筆者對外圈零件感應加熱溫度場進行模擬,并基于感應淬火組織轉變與淬硬層深度判定原則,對外圈內外側滾道淬硬層深度與形狀進行了對比分析。

各方案感應加熱溫度場對比結果如圖5所示。

圖5 各方案感應加熱溫度場對比圖

有限元仿真分析結果統計如表3所示。

表3 感應淬火有限元仿真分析結果統計表

結合圖5和表3有限元分析結果可得:

(1)單調整軸向間距Y,會造成滾道溝底處深度太淺,而不符合淬硬層深度設計要求。如方案1與方案2對比可見,方案2的外圈溝底深度不大于2 mm,深度不達標;

(2)在增加線圈寬度后,通過調整軸向間距Y,可有效調整溝道淬硬層形狀,使內外側雙溝道達到連貫狀態,如方案3和方案4對比結果;

(3)外圈溝道擋邊處因鄰近效應與尖角效應對熱量的集聚效果,因此,擋邊處溫度最高。若外圈溝道擋邊處與感應線圈間距太近,會造成擋邊尖角附近溫度過高,從而使淬火馬氏體組織粗大。

3.2 工藝實驗與結果分析

基于改進結構尺寸后的感應器與感應加熱工藝參數,如感應電壓、加熱時間、冷卻時間等,筆者對外圈零件進行了工藝實驗驗證;之后,對試驗件開展金相分析,包括外圈淬硬層形狀、深度、金相組織、表面硬度等。

淬火后外圈零件淬硬層與金相組織如圖6所示。

圖6 改進后外圈溝道組織圖

改進前后外圈溝道金相分析結果如表4所示。

表4 改進前后外圈溝道金相分析結果表

分析圖6與表4可得:

(1)感應器改進與工藝參數調整后,外圈零件溝道接觸角位置淬硬層深度顯著增加,雙溝道淬硬層形狀調整為連貫狀;

(2)工藝優化后,外圈內側溝道接觸角處淬硬層深度增加0.3 mm,外圈外側溝道接觸角處淬硬層深度增加0.5 mm,內外側溝道溝底淬硬層深度無明顯變化;溝道表面硬度無顯著變化;擋邊處馬氏體組織略有長大,但仍符合3-7級使用要求;

(3)由試驗結果與有限元分析誤差對比結果可得,溝道接觸角與溝底位置淬硬層深度誤差在10%以內,這表明有限元分析結果與實際工藝驗證結果較吻合,也證明了有限元分析結果的合理性與可行性。

4 工藝優化效果試驗與評價

筆者針對改進前后輪轂軸承單元開展路肩沖擊試驗,以驗證溝道淬硬層改善前后對抗沖擊能力的提升效果。

試驗樣品選取同批次內圈、法蘭零件按照同樣的游隙要求進行裝配,保證試驗影響因素的均一性。

筆者根據萬向集團企業試驗規范開展路肩沖擊試驗,試驗條件為加載半徑300 mm,加載彎矩分別為2.55 kNm(M1)、3.40 kNm(M2)、5.10 kNm(M4)。

試驗后,筆者對改進前狀態(方案1)和改進后狀態(方案4)的輪轂軸承進行拆解并開展溝道接觸角位置表面檢查與壓痕深度測量。

沖擊試驗后溝道接觸角位置壓痕分析結果如表5所示。

表5 沖擊試驗后溝道接觸角位置壓痕分析結果表

改進前后外圈溝道壓痕深度與彎矩關系趨勢,如圖7所示。

圖7 改進前后外圈溝道壓痕深度與彎矩關系曲線

分析表5與圖7結果可得:

(1)隨著彎矩水平的增加,外圈內外側溝道接觸角位置壓痕深度隨之增加;同時,改進后外圈零件溝道接觸角位置壓痕深度較原始狀態更小,表明外圈溝道的抗沖擊載荷能力有了顯著的提升;

(2)根據壓痕深度降比計算方法可得,在不同彎矩水平下,外圈內側溝道壓痕深度降比最大為60.6%(M1彎矩水平),平均降比為43.0%;外圈外側溝道壓痕深度降比最大為32.0%(M4彎矩水平),平均降比為21.8%。

該結果表明,外圈內側溝道抗壓痕能力平均提升43.0%,外圈外側溝道平均提升21.8%。

5 結束語

筆者采用有限元分析與工藝實驗相結合的方法,研究了感應器結構尺寸與電源設備參數對感應淬火的影響,通過調整感應器尺寸與電源參數,優化了外圈溝道淬硬層深度與形狀,進一步通過路肩沖擊試驗,驗證了輪轂軸承單元外圈抗沖擊性能提升效果。

研究結論如下:

(1)通過調整感應線圈寬度與間距可以有效調整外圈溝道淬硬層形狀,通過調整電源電壓與加熱時間可以有效提高淬硬層深度;

(2)工藝優化后,實驗結果表明,外圈內側溝道接觸角淬硬層深度增加0.3 mm,外側接觸角深度增加0.5 mm,內外側溝道淬硬層形狀連貫,表層組織符合要求;感應淬火工藝實驗結果與仿真結果誤差在10%以內;

(3)輪轂軸承單元外圈零件內側溝道抗沖擊性能提升43.0%,外側溝道提升21.8%,抗沖擊性能提升明顯。

在后續的研究工作中,筆者將就輪轂軸承單元中其他零件的感應淬火技術進行研究。