淺析曲軸淬火機的可靠性改進

羅 豐

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

隨著小排量渦輪增壓汽油發動機的普及，對發動機核心部件——曲軸的加工提出了更高的要求，為了提高增壓發動機曲軸的耐磨性，曲軸生產普遍采用了表面淬火的制造工藝，使軸頸表面形成一層特殊的硬化層。表面淬火工藝對相應的機床提出了更高的要求，但是在實際生產中，因為機床原因導致的問題也屢見不鮮，提升曲軸感應淬火機床的可靠性，對保證機床的開動率及零件質量都有非常重要的意義。

1 感應加熱表面淬火原理及零件工藝要求

1.1 感應加熱淬火的原理及分類

將工件放在用空心銅管繞成的或者實體銅材機加工制成的感應器內，通入高頻交流電后，在工件表面形成同頻率的的感應電流，將零件表面迅速加熱（幾秒鐘內即可升溫800～1 000℃，心部仍接近室溫）后立即噴淬火液冷卻，使工件表面層淬硬，如圖1。

圖1 感應加熱系統原理簡圖

根據零件熱處理工藝要求選擇頻率，頻率越高加熱的深度越淺：高頻（10 kHz以上）加熱的深度為0.5~2.5 mm，一般用于中小型零件的加熱，如小模數齒輪及中小軸類零件等；中頻（1~10 kHz）加熱深度為2~10 mm，一般用于直徑大的軸類和大中模數的齒輪加熱；工頻（50 Hz）加熱淬硬層深度為10~20 mm，一般用于較大尺寸零件的透熱，大直徑零件的表面淬火[1]。

1.2 曲軸產品表面感應加熱和淬火工藝要求

某曲軸連趕頸總寬22.15 mm，表面感應淬火后，要求總淬硬層深度不小于2 mm，有效淬火層深度最小1 mm，非淬火區域寬度不小于13.6 mm，且淬硬區域不得到達溝槽邊緣；主軸頸總寬23.15 mm，表面感應淬火后，要求總淬硬層深度不小于2 mm，有效淬火層深度最小1 mm，非淬火區域寬度不小于14.75 mm，淬硬區域不得到達溝槽邊緣。見圖2和圖3。

圖2 連趕頸淬火工藝尺寸要求

圖3 主軸頸淬火工藝尺寸要求

美國Inductotherm公司感應加熱淬火設備采用靜置式的加熱方法，即加熱及淬火過程工件和感應器都保持靜止，如圖4所示；德國SMS-Elotherm公司的感應加熱淬火設備采用騎跨式的方法，加熱過程中工件旋轉，感應器也隨工件動作，兩者保持相對靜止，如圖5所示。由于淬火后硬化層金相組織、位置度要求，因此兩種機床的感應電源、淬火液循環系統都必須有良好的穩定性，機床定位工裝需要有很高的定位精度及良好的重復定位的穩定性。

圖4Inductotherm機床托盤布局圖

圖5SMS-Elotherm機床加工布局圖

2 感應淬火機床常見故障及原因分析

在實際生產中，機床的故障不可避免，如圖6和圖7分別是兩種感應淬火機床運行半年的故障統計。

從圖6中可以看出，采用靜置式方式加熱的Inductotherm機床有26%的故障是接地報警，對應的原因主要是感應器與工件接觸、接地檢測靈敏度設置不合理、來料工件上有鐵屑等；18%的故障為淬火區域寬度不滿足工藝要求，對應的原因主要是工件定位偏移、后工序磨削加工過程產生偏磨等；16%的故障為加熱參數不優，包括加熱能量監控范圍設置、淬火液流量監控范圍設置、加熱能量的調整優化等。

圖6Inductotherm機床故障分布圖

從圖7中可以看出，采用隨動方式加熱的SMSElotherm機床19%的故障主要故障是線圈接地報警，對應的原因主要是感應器頭部積碳，前工序加工斷屑不良導致鐵屑到達感應淬火機床；16%的故障為淬火能量監控報警，對應的主要原因是感應器故障、新感應器參數監控范圍設定不優等；14%的故障為工件軸頸劃傷，主要原因是感應器上定位塊與工件軸頸側壁干涉、感應器上定位塊粘雜質等。

圖7SMS-Elotherm機床故障分布圖

作為增壓發動機曲軸生產的核心設備，無論是采用靜置式加熱還是采用隨動式加熱的感應淬火機床，其開動率及穩定性都會影響整條生產線的輸出。

Inductotherm機床加熱時工件不動，就對上半個感應器和下半個感應器及工件的相對位置度要求非常高，但機床連桿頸加熱工位采用V型塊及彈性銷配合，V型塊支撐已經加熱完成的主軸頸，彈性銷驅動工件做徑向定位，由于加熱后的主軸頸表面粗糙程度不一，彈性銷需要克服的摩擦力也就不穩定，對工件徑向定位有較大影響，從而影響機床的接地檢測；后工序磨削連趕頸時，存在偏磨的可能性，若發生偏磨，會把硬化層磨削掉，從而導致實測淬火區域寬度偏小或者不合格問題。

SMS-Elotherm機床采用隨動加熱方式，感應器與工件之間靠感應器上安裝的導向塊定位，相對位置可以保持穩定，但是由于導向塊與工件之間持續摩擦，淬火積碳會在感應器頭部慢慢累積、硬化，最終容易導致接地報警；當導向塊粘附雜質時，也很容易劃傷在加熱過程中軟化的軸頸表面；感應器在非加工過程，需要上升到安全高度，加工時下降到軸頸表面，這個過程中，當感應器軸向位置和工件軸向位置不重合時，易導致感應器上的導向塊劃傷工件油領的問題。

無論靜置式或者隨動式的感應加熱淬火機床，對前工序來料的要求都是比較高的，尤其是車車拉機床的斷屑情況需要得到保證，若有鐵屑纏繞在軸頸上，容易導致接地報警或者加熱過程打火、燒壞感應器的問題。另外，機床新的感應器使用時，需要采用新的與之匹配的各項監控參數，如淬火液流量監控上下限、能量監控上下限等，防止持續加工過程監控誤報警。

3 改進方向

針對Inductotherm感應加熱淬火機床定位精度要求高的特點，可以將V型塊支撐部位進行優化，將原來的支撐加熱過的主軸頸表面改為支撐曲軸的油封和芯軸（非熱處理表面），如圖8、圖9，同時，采用專用測力儀來制定并量化彈性銷彈力調整標準，這樣工件的徑向定位可以得到保證，由于定位不穩定導致的接地報警問題將得到很大抑制；針對工裝夾具臟或者磨損導致的工件定位整體偏移問題，制定對應的PM（預防性維修作業）內容，定期清潔定位工裝并檢測工裝的磨損情況，形成工裝更換的經驗值；針對后工序磨削導致的連趕頸淬火寬度不合格問題，在磨削工位增加對應的的位置度測量要求，防止連趕頸偏磨導致的淬火區域寬度不合格問題。

圖8 工件支撐改進前

圖9 工件支撐改進后

針對SMS-Elotherm機床感應器頭部積碳導致的接地報警問題，制定感應器定期保潔作業，重點對感應器頭部和導向塊進行深度清潔，可以大大抑制接地報警發生。

針對兩種感應加熱淬火機床都會出現的因前工序（車車拉機床）斷屑不好而導致的接地報警、線圈打火問題，通過優化刀片斷屑槽及加工參數，使工件表面無鐵屑殘留，問題將得到徹底解決。而針對加熱過程監控參數誤報警問題，在新的感應器調試加工過程中，需要做極限驗證，得到滿足工藝要求的電源能量極限值、淬火液流量極限值，作為批量生產時的監控數據，將徹底解決實際運行過程的監控誤報警問題。

通過上述改進，Inductotherm感應加熱淬火機床的故障率預計將從7.6%降低到4.2%，SMS-Elotherm感應加熱機床的故障率預計將從10.9%降低到2.4%，如圖10所示，顯著提高了設備的可靠性。

圖10 改進后預計故障率趨勢