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副箱輸出軸為變速箱的一個關鍵零部件，車輛運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度。圖樣技術要求：材料40Cr，R角和花鍵處中頻感應淬火，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，市場反饋副箱輸出軸在客戶行駛3萬~10萬km時斷裂較多，通過對失效件進行分析得出斷裂原因如下。

 

1）輸出軸R角結構為內(nèi)凹式，感應淬火難度較大，淬火層深較淺，淬火開裂敏感性較大，實際檢測R角部位存在感應淬火裂紋。

 

2）副箱輸出軸的油孔倒角為0.5mm×45°，由于尖角效應，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

 

1.1 失效檢測分析

 

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

 

對現(xiàn)生產(chǎn)成品件和市場反饋的失效件進行無損檢測和金相分析，試驗結果見表1。從表中可以看，出現(xiàn)生產(chǎn)成品件以及市場失效件花鍵部位的感應淬火結果滿足技術要求，花鍵部位有效淬硬層深≥5mm，淬硬層金相組織為4~5級針狀馬氏體。但花鍵油孔處和R角處的感應淬火結果均不符合技術要求，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淬火裂紋。

 

2）R角處的感應淬火層深較淺甚至存在無感應淬火層深現(xiàn)象，未達到技術要求所規(guī)定的5mm以上。

 

表1  成品件及失效件磁粉檢測及金相分析結果

 

 

以上檢測結果與失效件的開裂特征是相符的，由于副箱輸出軸R角處感應淬火層深較淺，不符合技術要求，且R角處存在感應淬火裂紋，導致R角處的強度較低，車輛運行過程當中，R角位置承受不了較大的扭轉(zhuǎn)應力最終開裂。此外，花鍵油孔處也存在感應淬火裂紋，市場失效件中也有部分副箱輸出軸在此處斷裂。

 

 

 

圖2  無損檢測和金相檢測結果

 

1.2 失效原因分析

 

從失效檢測結果可以看出，副箱輸出軸的斷裂風險點有兩處：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角位置的結構，可以看出R角為內(nèi)R0.5mm結構，該結構對感應淬火會造成以下兩點影響。

 

1）內(nèi)R式結構的R角底部過渡圓角太小，R角凹陷底部機械加工應力較大，這會增大產(chǎn)生感應淬火裂紋的敏感性。

 

2）內(nèi)R式結構的R角凹陷部位與感應器之間的距離相對較大。

 

圖3b所示為R角部位感應加熱時的感應電流分布，由于感應加熱的臨近效應，距離感應器越遠，感應電流就越小。因此，對于區(qū)域1~4，感應電流是逐漸減小的，且由于R角底部區(qū)域4距離感應器最遠，所以R角底部的感應電流最小，在同等加熱時間情況下，當區(qū)域1~3整體達到淬火加熱溫度時，區(qū)域4可能還未完全達到淬火溫度，此時噴水冷卻，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)變導致的不均勻變形，區(qū)域4受到組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的拉應力，同時為機械加工應力集中點，最終導致淬火時區(qū)域4易產(chǎn)生淬火裂紋。另外，由于區(qū)域4距離感應器最遠，此處為感應淬火最難實現(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構，油孔設計尺寸為0.5mm×45°。該結構不符合感應淬火對孔倒角的設計要求，為了更好地保證感應淬火質(zhì)量，要求孔的倒角應該略大于1mm×45°。這主要是因為倒角小時，由于感應加熱的尖角效應使油孔周邊的溫度過高，易產(chǎn)生淬火裂紋；同時由于油孔的存在，迫使感應電流在油孔的兩側繞行，油孔周圍的感應電流分布不均勻，在沿電流方向油孔兩側渦流密度大，而垂直電流方向的油孔兩側渦流密度小，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，感應淬火過程中產(chǎn)生了組織應力和熱應力，這種應力是油孔邊緣產(chǎn)生淬火裂紋的根本原因。另外，由于油孔的特殊結構，在冷卻時其邊緣的冷卻較其他部位更為劇烈，進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角和油孔倒角結構優(yōu)化

 

由以上分析可知，副箱輸出軸斷裂的根本原因在于R角結構及油孔倒角設計不合理，因此特制定以下改善措施。

 

1）改進過渡圓角結構為外圓角R1.5mm，優(yōu)化圓角處感應淬火層深技術要求為≥3mm。

 

2）改進油孔倒角結構為（1~1.5）mm×45°。

 

圖4a所示為優(yōu)化后的R角結構，在感應熱處理中，當工件的臺階根部需要進行感應淬火強化時，臺階根部需要有過渡圓角，且越大越好。如此設計有良好的工藝性：①減小臺階根部的應力集中，降低使用過程中的開裂傾向。②降低感應淬火難度，臺階根部受熱均勻，臺階淬硬層均勻連續(xù)，強度顯著提升。

 

圖4b所示為優(yōu)化后的油孔倒角設計，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  結構優(yōu)化

 

2.2 感應淬火工藝優(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副箱輸?shù)拇慊稹呙璐慊鸬淖畲髢?yōu)勢就是可以使用較小容量的設備，處理大型工件。掃描淬火方法將工件置于感應器之中或臨近位置，使感應器和工件發(fā)生相對運動，感應器接通高頻或中頻電流，將工件感應加熱到淬火溫度，同時感應器或噴水器噴出淬火冷卻介質(zhì)，使工件已經(jīng)達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)化后的感應器有效圈設計，感應器的有效圈為整圈結構，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”形導磁體，導磁體的槽口斜對R角區(qū)域，利用導磁體的槽口效應，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，一般加熱時間不超過10s即可達到淬火溫度，得到非常理想的硬化層分布?？紤]到加熱R角時，為了使R角獲得足夠的淬硬層深，感應器需要在R角區(qū)域停留加熱一段時間，而此時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，利用感應加熱的臨近效應，即在感應器設計時，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)域完成加熱時感應器向上移動對花鍵區(qū)域進行加熱淬火，最終獲得均勻連續(xù)的淬硬層，提高了輸出軸的整體強度。

 

 

圖5  有效圈設計

 

三、結束語

 

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方面：一是優(yōu)化過渡圓角結構，改進過渡圓角結構為外圓角R1.5mm，要求圓角處感應淬火層深技術要求為≥3mm；二是優(yōu)化花鍵處油孔的倒角尺寸，改進油孔倒角結構為（1~1.5）mm×45°；三是優(yōu)化感應器有效圈的結構，采用掃描感應淬火方法，使圓角及花鍵的淬硬層連續(xù)均勻。

 

以上改善措施實施后，對副箱輸出軸進行檢測和跟蹤，取得了明顯的效果。

 

1）副箱輸出軸的R角強度得到顯著提升，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級針狀馬氏體，表層硬度56~59HRC，均能滿足技術要求。

 

3）發(fā)交裝車后的副箱輸出軸再未發(fā)生開裂，大大減低了市場索賠風險，提升了產(chǎn)品的質(zhì)量及客戶的滿意度。