氣門淬硬層深度硬度重復(fù)性差原因和解決方法一例

■ 周小偉

1. 問(wèn)題的引出

某型氣門桿端帽形淬火時(shí)出現(xiàn)淬硬層硬度和深度重復(fù)性差的現(xiàn)象。淬火要求如附圖所示。檢查氣門材料成分、調(diào)質(zhì)硬度、尺寸等與表面淬火結(jié)果有關(guān)的指標(biāo)未發(fā)現(xiàn)異常，工藝方法也未改變，于是主要從設(shè)備方面分析改進(jìn)。

2. 工藝設(shè)備簡(jiǎn)介和原因分析

淬火工藝為空冷、沖擊淬火，加熱時(shí)間0.55s左右，使用導(dǎo)磁體。加熱電源為200kHz的MOSFET逆變電源，功率通過(guò)調(diào)節(jié)工頻整流晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)改變直流電壓實(shí)現(xiàn)。直流電壓采用閉環(huán)PI調(diào)節(jié)，加熱電源直接由低壓電網(wǎng)供電，淬火機(jī)床為雙工位機(jī)床。工件在感應(yīng)器中的位置由氣缸活塞運(yùn)行的兩個(gè)極限位置確定。此位置的檢測(cè)由T5101行程開(kāi)關(guān)執(zhí)行，再通過(guò)控制繼電器的動(dòng)作把檢測(cè)結(jié)果傳遞到控制淬火過(guò)程的PLC中。淬火加熱時(shí)間由PLC控制（PLC接有HMI）。感應(yīng)器與電源的冷卻外配水冷機(jī)。導(dǎo)磁體的冷卻還使用了壓縮空氣空冷，壓縮空氣供應(yīng)與氣動(dòng)回路用氣供給共用主氣管。

淬火后淬硬層深度和硬度不一致的原因往往是多種多樣的，我們認(rèn)為與設(shè)備及環(huán)境等方面相關(guān)的有以下幾個(gè)問(wèn)題。

首先，我們檢查加熱電源的供電電壓是否穩(wěn)定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，早晨上班時(shí)，也是取樣時(shí)，供電電壓是不太穩(wěn)定的，但變化一般不超過(guò)4%；中午和晚上電源供電電壓會(huì)高10%以上。電壓偏移均超過(guò)2.5%的可接受范圍。然而，即使在供電電壓穩(wěn)定的時(shí)段內(nèi)仍然有淬硬層深度、硬度重復(fù)性差的情況。由此可見(jiàn)，供電電壓變化只是原因之一而不是全部原因。

其次，加熱時(shí)氣門在感應(yīng)器中的位置嚴(yán)重影響加熱功率，進(jìn)而影響到淬硬層深度和硬度。本臺(tái)設(shè)備中用普通的行程開(kāi)關(guān)檢測(cè)氣門是否到達(dá)感應(yīng)器中的加熱位置，檢測(cè)誤差可能達(dá)到2mm。尤其調(diào)整不恰當(dāng)時(shí)更易造成較大誤差。有時(shí)氣門未到位（檢測(cè)不準(zhǔn)）就加熱或者氣門未停穩(wěn)（穩(wěn)定時(shí)間太短）就加熱。這些情況將嚴(yán)重影響加熱功率的重復(fù)性，最終影響到淬硬層深度和硬度。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這是淬硬層深度、硬度重復(fù)性差的主要原因。

淬火要求圖例

再次，由于整個(gè)加熱時(shí)間很短，加熱時(shí)間不大的偏差對(duì)加熱溫度就有較大的影響，尤其影響內(nèi)部溫度，最終影響淬硬層深度。試驗(yàn)證明，時(shí)間相差0.01s時(shí)淬硬層深度差異可達(dá)0.1～0.4mm，因此時(shí)間控制誤差對(duì)最終淬硬層深度甚至硬度也有較大影響 。PLC定時(shí)的重復(fù)性受到其本身定時(shí)精度、工作速度和掃描時(shí)間等多方面的影響是比較低的。

最后，由于導(dǎo)磁體距工件很近、居里溫度又較低（180℃左右），加熱時(shí)容易超溫失磁。如冷卻不足或不穩(wěn)定，其導(dǎo)磁性將不穩(wěn)定，因而導(dǎo)磁體的冷卻也影響到淬硬層深度、硬度的重復(fù)性。

3. 改進(jìn)方案

針對(duì)上述原因，采取一系列的綜合措施來(lái)解決淬硬層深度、硬度重復(fù)性差的問(wèn)題。對(duì)于電網(wǎng)電壓的影響，采取增加補(bǔ)償式穩(wěn)壓電源（穩(wěn)壓精度可達(dá)1%）來(lái)降低電網(wǎng)電壓變化的影響，使加熱電源的供電電壓變化（重復(fù)性）小于1.5%。對(duì)氣門加熱時(shí)的位置問(wèn)題，改進(jìn)位置檢測(cè)元件，將原T5101行程開(kāi)關(guān)改成DWDD-605接近開(kāi)關(guān)并采用較薄的感應(yīng)塊。位置檢測(cè)重復(fù)精度可控制在0.01mm以內(nèi)。修改PLC程序，確保氣缸運(yùn)行到加熱位置穩(wěn)定后才加熱。檢測(cè)到氣門到位后再延時(shí)一段時(shí)間才開(kāi)始加熱。加熱過(guò)程中檢測(cè)到氣門不在加熱位置則停止加熱并報(bào)警。對(duì)于加熱時(shí)間控制的改進(jìn)，采用了外加精密時(shí)間繼電器H5CX取代PLC時(shí)間控制進(jìn)行外部控制。時(shí)間控制精度可達(dá)0.01s以下。

對(duì)于導(dǎo)磁體的冷卻問(wèn)題，調(diào)低冷卻水溫度的同時(shí)調(diào)小冷水機(jī)（冷卻感應(yīng)器和電源的電氣元器件）的水溫控制偏差并加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)視；增加導(dǎo)磁體專用壓縮空氣冷卻氣管。此冷卻氣體不但冷卻導(dǎo)磁體，還對(duì)氣門桿端的冷卻起一定的作用，因此其穩(wěn)定性是很重要的。實(shí)際上，當(dāng)前述影響因素只是單一存在時(shí)不一定導(dǎo)致產(chǎn)品不合格，怕的是疊加影響，因此對(duì)各單一影響因素要從嚴(yán)控制。

4. 改進(jìn)效果

通過(guò)改進(jìn)，明顯發(fā)生了下列變化。過(guò)去那種常工作約2h后加熱溫度明顯降低（看火色即可知），從而使淬硬層深度變淺甚至硬度降低的現(xiàn)象沒(méi)有了。實(shí)際上，工作一段時(shí)間后，冷卻水溫上升，加熱時(shí)導(dǎo)磁體冷卻變差，其溫升增高，溫度可能超過(guò)居里點(diǎn)。過(guò)去那種到了中午或晚上加熱溫度顯著升高到必須調(diào)整參數(shù)才能保證產(chǎn)品合格的現(xiàn)象沒(méi)有了。這實(shí)際上是安裝了穩(wěn)壓電源后基本消除了電網(wǎng)電壓變化對(duì)加熱的影響。只要?dú)飧滓驒C(jī)械卡阻、壓縮空氣壓力不穩(wěn)等原因不能精確到達(dá)并穩(wěn)定停在工作點(diǎn)，就不會(huì)開(kāi)始加熱或中途停止加熱并報(bào)警。這些措施消除了前述問(wèn)題引起的淬硬層深度和硬度重復(fù)性差的現(xiàn)象。

[1] 周小偉. 氣門沖擊淬火硬度一致性差原因分析[J].《內(nèi)燃機(jī)與配件》，2011（11）：30.

[2] 巫莉，等. 電氣控制與PLC應(yīng)用 [M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2010.