柴油機凸輪軸感應(yīng)淬火工藝研究

張曉云，楊雪，于彥峰，金天嬌，贠軍朝

陜西柴油機重工有限公司 陜西咸陽 713105

1 凸輪軸的結(jié)構(gòu)

凸輪軸是柴油機關(guān)鍵運動件之一，安裝在柴油機機體內(nèi)，凸輪軸對應(yīng)每缸設(shè)有進(jìn)氣、排氣和燃油三種凸輪，分別與滾輪、搖臂、推桿、氣閥搖臂及滾輪、挺柱等構(gòu)成配氣機構(gòu)，控制氣缸的進(jìn)排氣和噴油。作為運動傳動件，凸輪軸尤其是對凸輪型面要求有很高的加工精度，同時對材質(zhì)及熱處理有很高的要求，以適應(yīng)其工作環(huán)境。為了避免尖角效應(yīng)產(chǎn)生的過熱和淬火裂紋的產(chǎn)生，我們從感應(yīng)器結(jié)構(gòu)及淬火工藝上進(jìn)行了設(shè)計并對其淬火工藝進(jìn)行了研究。

凸輪軸加工工藝流程：毛坯（含調(diào)質(zhì)處理）→劃線→粗加工→半精加工→感應(yīng)淬火→精加工→無損檢測→終檢。

某凸輪軸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某凸輪軸結(jié)構(gòu)

2 凸輪軸的主要技術(shù)要求

凸輪軸材料為50CrMo4鋼，化學(xué)成分見表1。毛坯為鍛件，熱處理為調(diào)質(zhì)＋感應(yīng)淬火。調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能見表2。感應(yīng)淬火要求：表面硬度60~64HRC；凸輪寬度方向的中部表面淬硬層深5~8mm；凸輪距離側(cè)面0.5mm處表面淬硬層深3~8mm。

表1 50CrMo4鋼凸輪軸化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表2 調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能

3 工藝研究

3.1 設(shè)計零件專用仿形感應(yīng)器

根據(jù)零件的特點，設(shè)計了專用仿形感應(yīng)器，如圖2所示。

圖2 仿形感應(yīng)器結(jié)構(gòu)

3.2 工藝方案

1）零件的淬硬層深度與采用的電源頻率的大小、加熱功率、感應(yīng)器與零件的間隙等有關(guān)[1]，該凸輪軸采用8000Hz、250kW中頻電源設(shè)備，中頻感應(yīng)淬火工件淬硬層深度一般在2~4mm，用傳統(tǒng)中頻感應(yīng)淬火工藝加工該凸輪軸時，存在很大難度。為此，只能從淬火工藝方面加以考慮來解決問題。

2）在其他條件不變的情況下，零件的加熱功率越大，其淬硬層深度越深；反之，零件的加熱功率越小，其淬硬層深度越淺。

3）感應(yīng)器與零件之間的間隙越大，加熱速度越慢，零件達(dá)到相變溫度的時間就越長，因而其淬硬層深度也就越深；反之，其淬硬層深度越淺。

3.3 電參數(shù)

（1）電參數(shù) 根據(jù)感應(yīng)器結(jié)構(gòu)以及實踐經(jīng)驗，經(jīng)工藝優(yōu)化調(diào)試后取變壓比為22:1，電源電壓U＝640~660V，電流I＝200~220A，功率為90~120kW。

（2）淬火方式 選用同時加熱淬火，淬火冷卻介質(zhì)使用濃度為12%~15%的AQ251。

4 檢測結(jié)果

凸輪軸淬火后經(jīng)磁粉檢測，未發(fā)現(xiàn)缺陷磁痕顯示，排氣凸輪實測硬度為61H R C、60H R C、61HRC；進(jìn)氣凸輪實測硬度為60HRC、60HRC、61HRC，如圖3、圖4所示；金相取樣位置如圖5所示；表面組織如圖6所示，過渡層組織如圖7所示；心部組織如圖8所示（晶粒度5~8級，實測7級）；進(jìn)排氣凸輪軸硬化層深檢測試樣如圖9所示，排氣凸輪軸硬化梯度曲線如圖10所示，硬化層深檢測結(jié)果見表3；進(jìn)氣凸輪軸硬化梯度曲線如圖11所示，硬化層深檢測結(jié)果見表4。

圖3 排氣凸輪

圖4 進(jìn)氣凸輪

圖5 金相取樣位置

圖6 表面組織

圖7 過渡層組織

圖8 心部組織

圖9 凸輪檢測試樣

5 生產(chǎn)效果

解剖檢查首件，各項指標(biāo)均滿足要求后，進(jìn)行批量生產(chǎn)，經(jīng)裝機驗證未發(fā)現(xiàn)任何質(zhì)量問題。

圖10 排氣凸輪軸硬化梯度曲線

圖11 進(jìn)氣凸輪軸硬化梯度曲線

表3 排氣凸輪軸硬化層檢測結(jié)果

表4 進(jìn)氣凸輪硬化層檢測結(jié)果

6 結(jié)束語

1）檢查每個零件凸輪型面的硬度，均滿足60~64HRC要求，在同批次淬火件中隨機抽取10件解剖檢查（4處范圍），淬硬層深度滿足熱處理技術(shù)要求，晶粒度7級，馬氏體含量≥90%。

2）通過仿形感應(yīng)器的設(shè)計，避免了尖角處的電流密集導(dǎo)致過熱、過燒，甚至淬火裂紋的產(chǎn)生。

3）通過調(diào)整感應(yīng)器間隙及加熱冷卻時間等工藝參數(shù)，使尖角處感應(yīng)淬火的淬硬層深度得到有效地控制，且淬硬層連續(xù)分布均勻，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

4）該感應(yīng)器設(shè)計及應(yīng)用可推廣到同類型的凸輪軸感應(yīng)淬火，編程、操作方便實用，淬火過程簡單可靠，重復(fù)性強，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。