法蘭軸如圖1所示，材料為40Cr，總長度215mm。軸體部分的直徑為60mm、長度210mm，圓柱外表面淬火，淬硬層深度1～3mm，硬度45～50HRC。法蘭部分直徑為90mm，厚度僅為5mm，內端面表面淬火，淬硬層深度：1～3mm，硬度45～50HRC。感應淬火的方式為立式掃描淬火，從法蘭的內端面開始，自下而上掃描淬火。在感應淬火過程中，法蘭部分極易被加熱，過燒，產生淬透的現象，不能滿足技術要求。后經過多次工藝參數的調整，效果均不明顯。這就需要另辟蹊徑，采取新的方式來解決法蘭邊被淬透的問題。

圖1  法蘭軸淬火要求

一、原因分析

法蘭軸的圓柱體的實體厚實，材料熱容量較高，在感應淬火過程中，采用的是透入式加熱（即淬火加熱層小于感應電流熱透入深度）。透入式淬火加熱層的溫度分布，從外到里依次為：表面過熱層、淬火加熱層（全奧氏體層）、加熱過渡層。

表面過熱層的深度很小，可以忽略不計，數值取0。

淬火加熱層會不斷地向柱體內縱深推進，直至達到感應電流的透入深度。根據法蘭軸圓柱體部分的熱處理層深1～3mm的技術要求，法蘭軸淬火時的實際淬硬層深控制在2mm左右最合適。

加熱過渡層遠小于淬火加熱層，其一般層深為感應電流透入深度的0.25～0.3倍，即深度為1mm左右。

為達到最佳淬火效率，感應電流的透入深度應為4mm左右比較適合，則：總加熱熱流擴展深度≈表面過熱層深度+過感應電流的透入深度+加熱過渡層的深≈0+4+1≈5（mm）同理，當感應器加熱到法蘭內端面時，總加熱層深度為5mm，而法蘭的厚度也為5mm。因此，法蘭被加熱透，淬火時就會被淬透，導致零件報廢。

二、解決措施

根據上述原因分析，要解決法蘭軸的法蘭被淬透的問題，一是改變零件的結構，增加法蘭的厚度，不產生淬透的現象，這個方案顯然是不可行的，因為零件圖不能改動；二是通過熱傳導的方式將法蘭外端面的熱量導出，從而保證法蘭軸的內端面的淬硬層深度。

措施一：水冷卻傳熱，如圖2所示。制作一個冷卻水盒，設置有進水口和出水口，進水口通入冷卻的淬火液。法蘭軸的外端面與冷卻淬火液直接接觸，其熱量被冷卻淬火液吸走，并從冷卻水盒的出水口流出。水盒內孔與法蘭外徑的間隙0.1～0.3mm，調整好水盒進水口和出水口的流量，使進水口的流量略大于出水口的流量，水就不會從間隙中飛濺出來，如果稍微涌出一點水，不影響淬火效果。

圖2  法蘭軸水冷裝置

1.支撐座 2.淬火進水口 3.噴水圈 4.法蘭軸

5.上頂尖 6.感應器 7.水盒 8.淬火出水口

9.下頂尖 10.主軸

措施二：鋼材工裝傳熱，如圖3所示。專用工裝用于放置法蘭軸，法蘭軸的法蘭外端面（底面）直接與工裝接觸，法蘭的熱量被傳導到工裝上；法蘭的底面和外徑與工裝直接接觸，從而將法蘭的熱量吸走。工裝外圈的高度比法蘭的高度低0.1～0.3mm，使感應器產生的磁場感應到工裝外圓的上端面，分散了法蘭外圓處的磁通量，從而使法蘭軸內端面的淬硬層深度和形狀達到技術要求。而工裝上的熱量會被淬火液帶走，不會產生熱能量的累加，不影響批量生產。

圖3  法蘭軸淬火工裝

1.感應器 2.法蘭軸 3.上頂尖

4.淬火噴水器 5.工裝 6.主軸

在采取借助外冷卻導熱的方式時，要從三個方面考慮：一是必須滿足零件的熱處理技術要求；二是要提高感應淬火加工的效率；三是要降低裝置的制作成本和使用成本。

三、兩種解決方案比較

在感應淬火生產中，我們對兩種解決方案進行了比較。

（1）采用水冷卻的方式，通過與淬火液的接觸將法蘭軸法蘭的熱量導出，起到了增加其熱容量的效果。

優點：滿足法蘭軸的熱處理技術要求，導熱效果較好。

缺點：冷卻裝置的結構較復雜、制作成本較高。

（2）采用鋼材工裝傳熱的方式，通過工裝的熱傳導和分散感應磁通量，將加載到法蘭的熱量帶走。

優點：滿足法蘭軸的熱處理技術要求，裝置的結構較簡單、制作成本較低、使用成本低。

缺點：工裝外圓上端面被反復加熱火后，容易燒壞。

通過兩種方式的比較，采用鋼件工裝傳熱、分散磁場的方式進行感應淬火，工裝結構簡單，制作和使用成本也較低，該方案占優。

圖4所示樣塊的熱型不太完美，但淬硬層深度檢測結果滿足法蘭軸的熱處理技術要求。用于正式生產，淬硬層深度控制在2mm左右。

圖4  樣塊

四、結語

對于幾何形狀差別比較大的法蘭軸，在感應淬火加工過程中，材料厚度比較薄的法蘭邊極易被淬透。其主要原因是其熱容量不夠。當進行工藝參數的調整也不能解決問題時，就要想辦法借助外冷卻導熱的方式，將加載到法蘭邊的熱量導出，間接地提高法蘭軸法蘭體的熱容量，從而使法蘭內表面的淬硬層深度滿足熱處理技術要求。