大長徑比12缸發(fā)動機凸輪軸中頻淬火研究

劉敬平 張冬梅

（焦作大學機電工程學院 河南焦作）

一、引言

凸輪軸在工作中受到周期變化的交變載荷作用，工作應力主要集中在凸輪和軸頸上，尤其是凸輪外形在滾輪的往復交變應力的作用下，磨損非常嚴重，為了保證凸輪軸具有足夠的使用壽命壽命，通常采用表面處理的方法，使凸輪軸工作表面具有足夠的硬度和耐磨性，其中表面中頻淬火是最常用的一種方法。大長徑比12缸發(fā)動機凸輪軸是為博杜安M26柴油發(fā)動機系列產(chǎn)品中的12缸機配套開發(fā)的新產(chǎn)品。該凸輪軸要求采用中頻淬火，來提高軸頸與凸輪的疲勞強度和耐磨性。

二、零件的材料和技術要求

大長徑比12缸發(fā)動機凸輪軸（長1454 mm）零件（結構圖略）。材料為 CF53鋼，主要化學成分C，0.50～0.57；S，0.010～0.025；Si，0.15～0.35；Mn，0.50～0.80；P，≤0.035。凸輪要求采用中頻淬火處理，凸輪范圍硬度59～63HRC，淬硬層深度（550HV3）=1.5～4 mm；基圓硬度≥55 HRC，淬硬層深度（475 HV3）=1.5～3 mm。

三、中頻淬火感應器的設計

表面中頻淬火是利用凸輪軸表層產(chǎn)生感應電流使工件快速加熱，在水、油等淬火介質(zhì)作用下使晶粒細化，促使表面硬化的一種表面硬化方法。具有加熱速度快，生產(chǎn)效率高，工件氧化脫碳少、淬火變形小，易于實現(xiàn)機械化、自動化等優(yōu)點。其工藝過程為：工件→感應加熱器→淬火溫度→水淬、油淬（晶粒細化）→回火。

中頻淬火感應器是感應加熱電路中的主要元件之一，它關系到零件淬火質(zhì)量和熱處理的生產(chǎn)效率。常用凸輪軸表面中頻淬火的感應器有兩種結構，一種是圓環(huán)形，一種是仿形，如圖1所示。

圖1 中頻淬火感應器

采用圓形和桃形感應器中頻加熱時，凸輪桃尖部位硬化層深度不均勻，裂紋較多，不能滿足技術要求。其原因是表面中頻淬火時，桃尖部位溫度偏高，各部位溫差大，冷卻后，淬硬層組織不均勻，造成淬火后殘余應力在工件桃尖處形成拉應力峰值并位于淬硬層內(nèi)側(cè)，從而造成工件淬裂，效果不佳。

為了減小使用圓形和桃形感應器時，凸輪桃尖部分的硬化層深度差別，控制桃尖部分中頻淬火后淬硬層深度，避免出現(xiàn)裂紋，使其符合質(zhì)量的要求，設計一個如圖2所示葫蘆形的感應器。在進行淬火時，凸輪的基圓中心與3個定位片的中心同軸，在感應器中旋轉(zhuǎn)加熱，由于特殊的感應器形狀及導磁體鑲嵌方式，感應器基本上只有2/3有效圈對凸輪桃尖部位進行加熱，在120°范圍內(nèi)，感應電流很小，有效地降低凸輪桃尖部分的硬化層深度，有利于凸輪桃尖部分加熱溫度的均勻化。凸輪軸中頻淬火采用葫蘆形的感應器，工件淬火組織均勻，基本消除了桃尖處淬火裂紋，工件成品合格率達95%以上，取得很好效果。

另外該凸輪軸的凸輪排列密集，間距＜8 mm，在進行中頻淬火時，會產(chǎn)生相互影響，即下一個凸輪淬火時，會對前一個凸輪進行加熱，使其產(chǎn)生退火，從而影響淬火后各凸輪及軸頸的表面硬度及內(nèi)在組織的質(zhì)量。

為了消除淬火時的相互影響，保證淬火后各凸輪及軸頸的表面硬度及內(nèi)在組織的質(zhì)量，設計了如圖3所示的噴水裝置。在淬火感應器的感應圈有效圈側(cè)邊設有環(huán)形腔，環(huán)形腔兩側(cè)對稱設有進水管，環(huán)形腔內(nèi)環(huán)表面周圈間隔均勻設置有出水孔及噴嘴。在進行淬火時，冷卻水從進水管進入環(huán)形腔并從出水孔及噴嘴上噴出，對工件側(cè)邊不需淬火的部位進行冷卻，防止該部分過熱保證加工工件不同部位的表面性能。

另外，還在在淬凸輪的感應圈有效圈裝上硅鋼片導磁體，對相鄰的兩側(cè)的凸輪起到了屏蔽作用，克服了感應回火軟化現(xiàn)象。

圖2 用于凸輪淬火的葫蘆形感應器

四、淬火介質(zhì)的選擇

淬火冷卻是中頻淬火的關鍵工序，在整個淬火過程中，淬火介質(zhì)的選擇至關重要，正確選擇和合理使用淬火介質(zhì)，是保證淬火質(zhì)量的關鍵之一。淬火介質(zhì)最常用的是淬火油和水基淬火劑。對于碳鋼宜采用水或水基淬火介質(zhì)。

在實際生產(chǎn)中，通過對多種淬火介質(zhì)的使用結果進行對比，最終選用好富頓有限公司生產(chǎn)的AQ251作為該凸輪軸淬火介質(zhì)。AQ251是水溶性淬火介質(zhì)，冷卻速度介于油、水之間，可通過調(diào)節(jié)濃度來調(diào)節(jié)冷卻速度，是中碳鋼和中碳低合金鋼感應淬火比較理想的淬火劑。

在生產(chǎn)實踐中，通過對不同濃度的AQ251進行冷卻結果進行對比，表明濃度為7.5%～8.5%的AQ251淬火劑用于該凸輪軸感應淬火，可獲得比較好的產(chǎn)品質(zhì)量。

AQ251使用過程中應注意淬火液濃度的變化，通過測定其冷卻速度來調(diào)整淬火液的濃度，從而使其與新配制淬火液具有相同的冷卻性能，避免工件淬裂。

圖3 噴水裝置

五、結論

大長徑比12缸發(fā)動機凸輪軸已經(jīng)在博杜安M26柴油發(fā)動機系列產(chǎn)品中的12缸機中使用，產(chǎn)品使用性能優(yōu)良，具有足夠的強度、剛性、韌性和耐磨性，各項技術指標均符合主機配套的要求。