轻型车转向球头销感应淬火系统及其感应淬火方法

技术领域

本发明属于轻型车转向球头销感应淬火技术领域，涉及一种轻型车转向 球头销感应淬火系统及其感应淬火方法。

背景技术

转向球头销作为汽车的重要保安件，对感应淬火质量要求高。轻型车转 向球头销存在几种结构形式，对于CA1042轻型车转向球头销而言，其淬火 区域内有突出的台阶结构（如图1所示），采用传统的感应淬火系统，该结构 的存在造成感应加热温度沿零件轴向分布严重不均，使硬化层沿球头销轴向 仿形分布变得十分困难，工艺实现难度大，现有球头销感应淬火工艺无法使 淬火质量满足设计要求。

另外，球头销感应淬火旋转定位夹具传统设计均将下定位设计为主动旋 转形式，上定位采用随动旋转。受上定位随动旋转机构阻力的影响，作用于 球头销的主动旋转摩擦力被削弱，再加上感应加热过程中磁场束缚力的强力 叠加作用，实际生产中经常出现球头销打滑丢转现象，造成球头销沿圆周方 向加热分布不均，影响淬火质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够克服磁场束缚力的作用，消除 球头销打滑丢转现象，使球头销沿圆周方向和轴向加热分布均匀、淬火质量 稳定的轻型车转向球头销感应淬火系统。

为了解决上述技术问题，本发明的轻型车转向球头销感应淬火系统包括 淬火感应器，旋转定位夹具；其中淬火感应器包括有效加热导线和冷却机构； 其特征在于所述旋转定位夹具包括机架，驱动机构，滑道，一维平动机构， 传动机构，旋转夹持机构；所述滑道和驱动机构安装固定在机架上；一维平 动机构安装于滑道上，主要由下托架滑板、固定套管、上托架滑板构成；下 托架滑板安装于滑道上，可在滑道上平动；固定套管的下部与下托架滑板的 一端固定连接，上部与上托架滑板的一端固定连接；下托架滑板的另一端固 定有下定位箱体，上托架滑板的另一端固定有上定位箱体；旋转夹持机构包 括下顶尖传动轴，下顶尖，上顶尖，上顶尖传动轴；下顶尖传动轴安装于下 定位箱体上，可相对于下定位箱体旋转，下顶尖固定在下顶尖传动轴的上端； 上顶尖传动轴安装于上定位箱体上，可相对于上定位箱体旋转，上顶尖固定 在上顶尖传动轴的下端；驱动机构的输出端与下顶尖传动轴的下端固定连接， 并且下顶尖传动轴通过传动机构与上顶尖传动轴连接。

在对球头销进行感应淬火时，首先将球头销夹持于上顶尖和下顶尖之 间；然后控制一维平动机构在滑道上滑动，将球头销送入淬火感应器内；然 后由驱动机构驱动下顶尖传动轴旋转，下顶尖传动轴通过传动机构带动上顶 尖传动轴作同步等速旋转，以此带动球头销旋转；球头销旋转过程中由淬火 感应器对球头销进行感应淬火。淬火完毕球头销停止旋转，旋转定位夹具水 平移动退回原位，感应加热淬火工艺过程完成。

本发明球头销旋转定位夹具上下定位均采用主动旋转形式，二者同步等 速带动球头销旋转，摒弃了上定位随动旋转方式，克服了磁场束缚力的作用， 消除了球头销打滑丢转现象，球头销沿圆周方向加热分布均匀，提高了淬火 质量稳定性。

所述旋转定位夹具还包括上顶尖配重；上顶尖配重置于上顶尖传动轴的 顶部。通过上顶尖配重的大小可以调整球头销夹持力的大小。

所述上顶尖的底部为圆锥形，下顶尖的上端为平面。

球头销的上端与上顶尖之间采用顶尖孔定位，下端与下顶尖之间采用端 面定位，以此带动球头销以设定转速旋转。

所述传动机构包括左下正时齿轮，下正时皮带，右下正时齿轮，传动轴， 右上正时齿轮，上正时皮带，左上正时齿轮；所述左下正时齿轮安装固定于 下顶尖传动轴的下端，右下正时齿轮安装固定于传动轴的下端，左下正时齿 轮通过下正时皮带与右下正时齿轮连接；传动轴安装于固定套管内，可相对 于固定套管旋转；右上正时齿轮安装固定于传动轴的上端，左上正时齿轮安 装固定于上顶尖传动轴的上端，右上正时齿轮通过上正时皮带与左上正时齿 轮连接。

所述传动机构还包括下调整轮和上调整轮；下调整轮安装固定于下托架 滑板上，其下部与下正时皮带连接；上调整轮安装固定于上托架滑板上，其 上部与上正时皮带连接。下调整轮和上调整轮分别用于下正时皮带和上正时 皮带松紧的调节。

驱动机构通过下顶尖传动轴驱动下顶尖旋转，并同时将旋转动力通过左 右下正时齿轮、下正时皮带、传动轴、左右上正时齿轮、上正时皮带及上顶 尖传动轴，以1:1的驱动比传递给上顶尖，以此做到上下顶尖同步等速主动 旋转。

所述有效加热导线包括第一加热导线、第二加热导线和第三加热导线； 第一加热导线和第二加热导线为左右对称结构，分别由对应于球头销球头的 圆弧形部分和对应于球头销锥形的直线部分组成；第三加热导线由对应于球 头销轴颈的半圆弧形部分及其两端的过渡部分构成；第一加热导线和第二加 热导线的上端分别通过过渡导线固定连接到冷却机构，下端分别与第三加热 导线的两个过渡部分连接。

所述有效加热导线整体采用全串联式半仿形结构，第一加热导线和第二 加热导线共同负责加热球头、第一圆角、椎体和台阶4个部位，第三加热导 线负责加热第二圆角和轴颈两个部位，大幅度提高了球头销沿轴向加热温度 分布的均匀性，使硬化层沿轴向分布满足图纸要求的相对仿形效果，淬火质 量满足图纸技术要求。

所述冷却机构包括接触板，绝缘板，淬火水套，淬火水管接头，冷却水 管接头，淬火水套固定板；接触板由背面固定板和侧面固定板组成，绝缘板 被夹在两个侧面固定板中间；淬火水套通过淬火水套固定板与侧面固定板连 接固定；冷却水管接头固定在背面固定板上，淬火水管接头固定在淬火水套 上。

利用上述轻型车转向球头销感应淬火系统对球头销进行淬火的方法包 括下述步骤：

步骤一：控制一维平动机构沿滑道滑动离开原位，将球头销送入淬火感 应器内部；

步骤二：启动驱动机构使下顶尖传动轴旋转，下顶尖传动轴通过传动机 构带动上顶尖传动轴作同步等速旋转，以此带动球头销以设定转速v旋转并 延时t₁秒；

步骤三：延时结束后，球头销继续以设定转速v旋转，同时采用超音频 感应电流对有效加热导线进行加热并延时t₂秒；

步骤四：加热延时结束后，随即开始淬火冷却并延时t₃秒；

步骤五：冷却延时结束后，球头销停止旋转，控制一维平动机构水平移 动退回原位，球头销感应加热淬火完成。

所述第一加热导线、第二加热导线和第三加热导线均为紫铜方管，第一 加热导线、第二加热导线截面尺寸均为8×4mm²，壁厚为0.7～1.0mm；第三 加热导线截面尺寸为12×4mm²，壁厚为0.7～1.0mm。

所述第一加热导线、第二加热导线与球头的配合间隙为1.4～2.0mm，与 第一圆角的配合间隙为1.0～1.5mm，与椎体的配合间隙为连续放大变化数值， 在1.5～6mm之间；与台阶的配合间隙为7mm，与第二圆角和轴颈的配合间 隙均为1.0～1.5mm。

所述球头销的设定转速v为90～110r/min，加热功率为60～80kW，加 热延时时间t₂为3.5～4.5s，淬火冷却延时时间t₃为7～10s。

本发明的积极效果是感应器结构合理，淬火区域内各部位加热效率相对 平衡，硬化层分布仿形效果理想，淬火质量满足图纸技术要求；消除了感应 加热过程中球头销打滑丢转现象，工艺稳定易实现自动化，具有较高推广应 用价值。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1、CA1042轻型车球头销结构示意图。

图2、旋转定位夹具结构示意图。

图3、淬火感应器正视图。

图4、淬火感应器俯视图。

图5、球头销及有效加热导线结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，CA1042轻型车球头销感应淬火分布区域包括球头101、第 一圆角102、锥体103、台阶104、第二圆角105和轴颈106。

球头销材料及感应淬火技术要求如下：

材料：40Cr

原始组织状态：调质（255～285）HBW

球头101：

表面淬火硬度：55HRC以上,有效硬化层深度：2.3±0.1mm

第一圆角102、锥体103：

表面淬火硬度：50～60HRC以上,有效硬化层深度：1.5～3mm

台阶104、第二圆角105和轴颈106：

表面淬火硬度：50～60HRC以上,有效硬化层深度：1～4mm

本发明的轻型车转向球头销感应淬火系统包括淬火感应器，旋转定位夹 具；其中淬火感应器包括有效加热导线和冷却机构。

如图2所示，旋转定位夹具包括机架21，驱动机构，滑道23，一维平 动机构，传动机构，旋转夹持机构。

所述滑道23和驱动机构安装固定在机架21上，驱动机构采用驱动电机 22；一维平动机构安装于滑道23上，主要由下托架滑板242、固定套管243、 上托架滑板244构成；下托架滑板242安装于滑道23上，通过滑轨副与滑 道23连接，可在滑道23上平动；固定套管243的下部与下托架滑板242的 一端固定连接，上部与上托架滑板244的一端固定连接；下托架滑板242的 另一端固定有下定位箱体241，上托架滑板244的另一端固定有上定位箱体 245；

所述旋转夹持机构包括下顶尖传动轴261，下顶尖262，上顶尖263，上 顶尖传动轴264，上顶尖配重265；下顶尖传动轴261安装于下定位箱体241 上，由下定位箱体241内上下两个轴承支撑，可相对于下定位箱体241旋转； 下顶尖262固定在下顶尖传动轴261的上端，且下顶尖262的顶部与球头销 1之间采用端面定位；上顶尖传动轴264安装于上定位箱体245上，由上定 位箱体245内上下两个轴承支撑，可相对于上定位箱体245旋转，上顶尖263 固定在上顶尖传动轴264的下端，且上顶尖263的下部与球头销1之间采用 顶尖孔定位；驱动电机22的输出轴与下顶尖传动轴261的下端固定连接， 并且下顶尖传动轴261通过传动机构与上顶尖传动轴264连接。上顶尖配重 265置于上顶尖传动轴264的顶部，通过上顶尖配重265的大小可以调整球 头销夹持力的大小。

所述传动机构包括左下正时齿轮251，下正时皮带252，右下正时齿轮 254，传动轴255，右上正时齿轮256，上正时皮带258，左上正时齿轮259， 下调整轮253和上调整轮257；所述左下正时齿轮251安装固定于下顶尖传 动轴261的下端，右下正时齿轮254安装固定于传动轴255的下端，左下正 时齿轮251通过下正时皮带252与右下正时齿轮254连接；传动轴255安装 于固定套管243内，由固定套管243内上下两个轴承支撑，可相对于固定套 管243旋转；右上正时齿轮256安装固定于传动轴255的上端，左上正时齿 轮259安装固定于上顶尖传动轴264的上端，右上正时齿轮256通过上正时 皮带258与左上正时齿轮259连接；下调整轮253安装固定于下托架滑板242 上，其下部与下正时皮带252连接；上调整轮257安装固定于上托架滑板244 上，其上部与上正时皮带258连接。下调整轮253和上调整轮257分别用于 调节下正时皮带252和上正时皮带258松紧的调节。

所述传动机构不限于上述结构，本领域技术人员还可以根据需要设计成其 他方式，例如左下正时齿轮251、右下正时齿轮254、右上正时齿轮256、左上 正时齿轮259还可以采用皮带轮替代，或者下正时皮带252、上正时皮带258 采用齿轮替代。

其中采用下调整轮253和上调整轮257对下正时皮带252、上正时皮带 258的松紧进行调节属于本领域的常规技术手段，下调整轮253和上调整轮 257采用本领域常见的结构。

如图3、4、5所示，所述有效加热导线3包括第一加热导线、第二加热 导线和第三加热导线；第一加热导线和第二加热导线为左右对称结构，第一 加热导线由对应于球头销球头101的圆弧形部分311和对应于球头销锥体 103的直线部分312组成；第二加热导线由对应于球头销球头101的圆弧形 部分321和对应于球头销锥体103的直线部分322组成；第三加热导线由对 应于球头销轴颈106的半圆弧形部分333及其两端的过渡部分331、332构 成；第一加热导线和第二加热导线的上端分别通过过渡导线301固定连接到 冷却机构的接触板，下端分别与第三加热导线的两个过渡部分331、332连 接。

所述第一加热导线、第二加热导线和第三加热导线均为紫铜方管，第一 加热导线、第二加热导线截面尺寸均为8×4mm²，壁厚为0.7～1.0mm；第三 加热导线截面尺寸为12×4mm²，壁厚也为0.7～1.0mm。有效加热导线整体采 用全串联式半仿形结构。第一加热导线、第二加热导线共同负责加热球头101、 第一圆角102、椎体103和台阶104四个部位，第三加热导线负责加热第二 圆角105和轴颈106两个部位。第一加热导线、第二加热导线与球头101的 配合间隙为1.4～2.0mm，与第一圆角102的配合间隙为1.0～1.5mm，与椎体 103的配合间隙为连续放大变化数值，在1.5～6mm之间；与台阶104的配 合间隙平均为7mm，与第二圆角105和轴颈106的配合间隙均为1.0～1.5mm。 该感应器结构及配合尺寸设计可以使球头销各部位加热效率达到相对平衡。

所述冷却机构包括接触板，绝缘板431，淬火水套421，淬火水管接头 423，冷却水管接头422，淬火水套固定板441；接触板由背面固定板411和 侧面固定板412组成，绝缘板431被夹在两个侧面固定板412中间；淬火水 套421通过淬火水套固定板441与侧面固定板412连接固定；冷却水管接头 422固定在背面固定板411上，淬火水管接头423固定在淬火水套421上。

本发明球头销上定位采用顶尖孔定位，下定位采用端面定位，球头销夹 持力的大小通过上顶尖配重的大小来调整。驱动电机通过下定位传动轴驱动 下定位旋转，并同时将旋转动力通过下正时皮带、下正时齿轮、传动轴、上 正时齿轮、上正时皮带及上顶尖传动轴，以1:1的驱动比传递给上定位。以 此做到上下定位等速同时主动旋转，摒弃了上定位随动旋转方式。保证供给 球头销充分的旋转摩擦力，彻底摆脱感应加热过程中磁场力对球头销的束缚 作用，消除了感应加热过程中球头销打滑丢转现象。另外，球头销通过托架 滑板在滑道上的运行完成进出感应器动作，并通过滑道限位螺栓调整限位位 置。

球头销感应加热淬火工艺过程

步骤一：控制一维平动机构离开原位沿滑道23滑动，将球头销1送入 淬火感应器内部；

步骤二：启动驱动电机22使下顶尖传动轴261旋转，下顶尖传动轴261 通过传动机构带动上顶尖传动轴264作同步等速旋转，以此带动球头销1以 90～110r/min的转速旋转并延时2～3s；

步骤三：延时结束后，球头销1继续以90～110r/min转速旋转，同时 以设定功率60～80kW对有效加热导线进行加热并延时3.5～4.5s；

步骤四：加热延时结束后，随即开始淬火冷却并延时7～10s；

步骤五：冷却延时结束后，球头销1停止旋转，控制一维平动机构水平 移动退回原位，球头销1感应加热淬火完成。

感应电流频率采用超音频(25～35kHz),该频率可以使球头销表层感应电 流透入深度分布更趋均匀化，进一步提高了硬化层沿轴向分布的均匀性。具体 参数见表1。

表1、感应淬火工艺参数