膜片弹簧的高频淬火方法探讨

2011-04-13龙顺彬

科技传播 2011年7期

龙顺彬

爱思帝(重庆)驱动系统有限公司，重庆 401122

0 引言

所谓的膜片弹簧就是碟形弹簧，是法国人J.F.Belleville于1867年发明的。大部分汽车都采用膜片弹簧式离合器。可以在占据空间小的情况下具有较大的载荷容量，而且只要将膜片弹簧在碟簧部分的自由高度和板厚之比值（H/t）取得适当，就可以得到不同的弹簧特性。下图为一种膜片弹簧的结构简图和其位移——力值图。

图1 膜片结构简图

图2 膜片力－分离指位移图

从图1可看出，膜片弹簧是由碟簧部分和分离指部分组成。

从图2可知，设计合理的膜片弹簧具有良好的非线性特性，在摩擦片磨损到极限尺寸时，压紧力仍能维持很少变化，可减轻分离离合器时的踏板力，使操纵轻便、舒适。

由于离合器工作条件恶劣，其工作环境温度一般有200℃～300℃，因此要求膜片弹簧具有足够的热稳定性，特别是分离指部分的高频淬火后的性能要满足图纸要求，否则容易因分离指过度磨损，造成整个离合器提前失效。膜片弹簧是否具有良好的疲劳强度、热稳定性、耐磨性是决定离合器是否经久耐用、操作稳定的根本。

1 工艺过程

1.1 膜片弹簧分离指尖端需要高频淬火，提高其硬度以保证其耐磨性

1）在汽车行进时，离合器随发动机飞轮一直处于不停地旋转中，当需要停车或换档时，在分离轴承压力P作用下（如图3所示），根据杠杆原理，压盘C上升，从而与从动盘总成分离，中止发动机传来的动力。因此，膜片弹簧分离指尖端需要高频淬火，提高其硬度以保证其耐磨性。

图3 膜片分离指受力图

1.2 高频淬火工艺

1.2.1 膜片弹簧高频淬火前的状态

膜片弹簧经淬火回火后，基体是稳定的屈氏体组织。

1.2.2 高频淬火原理

高频淬火原理是利用电磁感应原理，在零件内部产生热量，使钢铁件被加热，再冷却淬火。磁力线的分布情况对零件加热效果起着决定性的作用，应使穿过零件的磁力线集中、均匀。

1.2.3 高频淬火的加热温度要求

根据Fe－Fe3C相图,可以确定其奥氏体化

温度约为800℃，基于以下考虑：

1）由于高频加热速度快，奥氏体化不充分；

2）50CrV4因V、Cr元素具有细化晶粒作用，使合金元素充分溶解到奥氏体中去,以提高钢的淬透性和淬火后机械性能的均匀性。

因此需要提高加热温度，但随温度的升高，又易导致奥氏体晶粒粗大，表层更易氧化和脱碳，因此确定高频淬火的加热温度为900℃～920℃为宜。

图4 Fe－Fe3C相图局部图

1.2.4 感应器的设计制作

感应器的大小可以根据高频淬火区的大小确定，一般比淬火区小1mm～2mm就可以，形状与工件形状相似，粘帖导磁体，采用感应器自带喷水圈喷水淬火。

1.2.5 淬火介质选择

在高频过程中，有可能出现淬火微裂纹。膜片弹簧是一种要求搞疲劳性很高的零件，不允许有微裂纹存在，因此采用水基淬火液来冷却，避免出现微裂纹。并在高频淬火工艺试制时进行磁粉探伤检测，确定淬火区域合格且无裂纹后才可批量加工。

1.2.6 淬火后的回火

为消除淬火应力（组织应力和热应力），高频淬火后应及时回火，回火温度采用180℃，回火时间以90min以上为宜。

1.3 高频淬火回火检查结果

1.3.1 检测设备

1）PMEB OLYMPUS金相显微镜；

2）HR-150A洛氏硬度计。

以上设备分别检测零件碳氮共渗后的金相组织和表面及内部硬度、基体硬度。

图5

1.3.2 零件概况及淬火区要求见表1及图5：

表1 零件概况及淬火区要求

1.3.3 膜片弹簧分离指淬火回火检查结果见表2

表2 淬火回火检查结果

表2中高频淬火回火组织金相见图5，基本组织金相见图6：

图5

图6

1.4 高频淬火设备

1.4.1 高频感应加热设备A

该设备是建厂初期引进的，每次加工一件，视膜片弹簧的大小，产量约1000件/班～1200件/班，效率较低，但产品质量很稳定。淬火方式方法见图7，感应器是中空，自带喷水式，见图8。图中次级变压器可升降，带动感应器升降，工作台自转，带动零件旋转。

图7 淬火方式示意图

图8 感应器示意图

1.4.2 晶体管高频感应加热设备B

初期引进的电子管高频设备热效率低，不节能，效率低，不能适应公司发展需要。经过多方论证后，决定引入晶体管感应淬火电源。IGBT晶体管电源频率可从50kHz～100kHz自适应，具有电源本身不需调整、线路简单、控制精度高、操作方便、可靠性高等优点，适合多品种小批量零件淬火。于是决定购买一台IGBT电源的双工位感应淬火机，设备主要参数如下：

该设备淬火方式与图7方式基本相同，只是感应器不同。工作台是两个分别旋转的台子，可一次加工一件或两件。感应器制作方式见图9。工艺试制成功后，通过硬度和多相组织的检查，产品质量合格，经过快4年的运行，设备和产品质量均很稳定，达到了最初引进的目的，产量提高到1800件/班～2000/班件。

1.4.3 膜片弹簧感应加热自动淬火机C

由于公司发展迅速，原有二台淬火机床已不能满足生产需要，因此就考虑自动化设备来解决效率问题。2007年两次去日本大阪的爱思帝总部培训，期间参观了爱思帝的膜片弹簧自动感应淬火机，决定按爱思帝模式在重庆工厂引进一台膜片弹簧自动高频淬火机，自动完成膜片弹簧的送入、感应加热、冷却淬火、工件送出等工艺过程，设备参数如下：

自动淬火机的循环周期由工件加热时间确定。其工艺线路如下：

上料机构上料 → 工件放入上料位 → 转盘转动至加热位置 →工件旋转 → 感应器下降 → 对工件加热 → 加热完毕 → 感应器上升 → 转盘转动至喷淋位置喷淋 → 喷淋完毕 → 转盘转动至下料位→ 下料机构取工件 → 上料机构上料，依此循环。

自动淬火机床于08年7月引进投产，其工作原理见图10：

图9 感应器示意图

图10 自动淬火机图示

该设备淬火方式与图6方式基本相同，只是感应器不带喷淋功能；另外，是靠转盘转动来交换工位，达到自动运行。转盘转动周期和加热时间均可调整，以适应不同的产品加工需要。感应器制作方式见图7。工艺试制时参考在用设备，并通过硬度和金相组织的检查，与原有二台设备的产品质量基本一致，经过两年多运行，产品质量稳定，产量提高到2800件/班～3000件/班，满足了产量迅速增长的需要，达到了最初引进的目的。