凸輪軸感應熱處理時工藝參數的選取

張雷雷，張曉云

陜西柴油機重工有限公司 陜西咸陽 713105

1 序言

凸輪軸是柴油機中最為關鍵的零部件之一，直接影響柴油機運行時的穩定性和使用壽命。凸輪軸在工作時常會以較高的速度旋轉，因而凸輪片上會承受較大的應力，使凸輪片的磨損較為嚴重，同時軸徑上也會承受一定的扭矩，這就要求凸輪軸表面具有一定的耐磨性，而軸徑處需要有一定的韌性[1]。通常為了滿足上述要求，往往會對凸輪軸進行感應熱處理，使凸輪軸表面具有一定硬度的同時，內部仍具有一定的韌性。

感應熱處理就是利用感應器在通入交流電時會產生一個磁場，當感應器內放入工件時，工件表面會產生相應的感應電流，而此時電流在工件表面會形成一個封閉回路，稱之為渦流。渦流能夠將電能轉變成熱能，使工件表面瞬時產生高溫，達到奧氏體狀態，然后在淬火冷卻介質中快速冷卻，使工件表面產生馬氏體組織。感應熱處理方式具有效率高、操作簡單、不易氧化脫碳及污染小等特點，已廣泛應用于曲軸軸頸[2]、氣門桿[3]、凸輪軸[4]等工業生產中。

本文以某型號柴油機的凸輪軸（見圖1）為例，簡要介紹其在感應熱處理時工藝參數的選取，為其他工件感應處理時工藝參數的選取提供參考。此凸輪軸所用材料為55鋼，化學成分見表1。

圖1 某型號凸輪軸結構

表1 55鋼凸輪軸化學成分（質量分數） （%）

2 感應器的選擇

感應器作為感應熱處理設備最重要的組成部分，對感應熱處理的質量具有極大的影響，原則上對不同的工件要設計不同的感應器。凸輪軸上的凸輪片分為進氣凸輪、排氣凸輪和燃油凸輪，由于三種凸輪片的型線各不相同，因此必須設計三種不同的感應器，圖2～圖4為根據三種凸輪片設計的三種不同的感應器實物照片。

圖2 燃油凸輪感應器

圖3 進氣凸輪感應器

圖4 排氣凸輪感應器

3 感應距離的選擇

在感應熱處理之前，需要將工件與感應器裝夾完畢，這時就需要調節感應器與工件之間的距離。感應器與工件之間距離太大或太小，都會造成感應熱處理的失敗，因此應根據工件形狀和設備功率要選擇適宜的感應距離。對于凸輪軸而言，由于其基圓與凸輪型線的曲率不同，因此基圓與型線到感應器的距離也是不同的。在本試驗中，基圓到感應器的距離約為3mm，凸輪片型線頂端距感應器的距離約為4.5mm，使整個凸輪片均勻地處于感應器的中間，這樣可以避免在凸輪軸某一側出現電流過于密集的情況，防止其產生過燒、過熱等現象。圖5所示為凸輪軸在現場裝夾完畢后，感應過程中的實物照片。

圖5 凸輪軸感應過程實物照片

4 感應頻率的選擇

根據工件感應淬硬層深的要求，選擇感應頻率。一般感應淬硬層深要求在1～2.5mm的工件，選擇高頻感應熱處理，而感應淬硬層深要求在3～10mm的工件，選擇中頻感應熱處理，即感應淬硬層深要求較淺時，選擇高頻，感應淬硬層深要求較深時，選擇中頻。確定好使用中頻或高頻之后，再根據實際的感應淬硬層深要求和工藝，選擇合適的感應頻率。本試驗中凸輪軸感應淬硬層深要求為5.5～8.5mm，因此選擇中頻感應熱處理，感應頻率為4000Hz。

5 變壓器匝比的選擇

變壓器匝比的選擇可根據發電機的電壓和電流來確定，當發電機的功率達到額定功率時，如果此時的電壓低于額定值，而電流值又很小，則說明匝比的選擇過大，應適當減小匝比；如果電流值超過了其額定值，而電壓值低于其額定值，則說明匝比的選擇過小，應適當增加匝比。通過這種方法可以選擇合適的匝比數，當確定了匝比數后，再調節電容量，使功率因數cosψ盡可能地接近于1，此時，設備可以輸出最大功率。本試驗中，根據設備及感應器的大小，綜合所有因素后選擇的匝比為18 : 1。

6 加熱時間的選擇

加熱時間作為感應熱處理中最重要的工藝參數，是衡量感應熱處理是否達標的重要指標，也是決定感應熱處理成功與否的關鍵。若加熱時間過短，則工件未能達到奧氏體狀態或未完全奧氏體化，會使淬火后表面出現非馬氏體組織，硬度降低并產生軟點，造成淬火失敗。若加熱時間過長，則容易使工件的局部溫度過高，出現燒化現象，得不到理想的晶粒組織。同時，由于溫度過高，冷卻時因冷卻速度過快而極易出現裂紋，造成工件的報廢。因此，在加熱時間的選擇上，應充分考慮設備功率、工件材質、感應線圈到工件的距離等因素，選擇適宜的加熱時間。本試驗中，選擇加熱時間為9～10s。

7 淬火冷卻介質的選擇

淬火冷卻介質是感應淬火中另一個重要的參數，在冷卻過程中，工件的冷卻速度一定要大于臨界冷卻速度，這樣才會產生馬氏體組織，否則將會產生非馬氏體組織，降低馬氏體組織的含量，從而降低了工件硬度。同時，冷卻速度也不宜過快，否則容易造成工件的開裂。在淬火冷卻介質的選擇上，應充分根據其自身的冷卻能力、實際的冷卻時間，來確定合適的淬火冷卻介質。對于要求較快冷卻的工件，可以選擇水或濃度較低的PAG溶液來冷卻。另外，也可以設計較多的出水孔，使單位時間內流出的淬火冷卻介質更多；對于要求較慢冷卻速度的工件，可以選擇冷卻能力較弱、濃度較高的PAG溶液，同時，也可以適當減小淬火冷卻介質流出的量，來減緩冷卻速度。在實際生產中，應每隔一段時間檢測一次淬火冷卻介質的濃度，防止淬火冷卻介質因受到污染或長時間放置而使濃度發生變化。在本次試驗中，選擇濃度為15%的AQ251作為淬火冷卻介質，冷卻時間30s。

8 結束語

本文以船用柴油機中的凸輪軸為例，簡要介紹了凸輪軸在感應熱處理過程中幾個重要工藝參數的選擇，為同行日后做類似的感應熱處理提供參考。在本文所采用的工藝參數下，凸輪軸感應淬硬層深可達6.2mm，硬度為62HRC，晶粒度達到7級，各項性能指標均滿足要求。

隨著工業的不斷發展，自動化程度越來越高，相繼出現了智能化的感應熱處理設備，減少了人為操作的誤差，確保了工藝參數的準確性，提高了加工效率，為企業加工高質量的產品奠定了基礎。