內燃機主軸承螺栓熱加工工藝研究

柳鵬，趙士剛，李勇剛

中國石油集團濟柴動力有限公司 山東濟南 250000

1 序言

主軸承螺栓是用于緊固和固定內燃機主軸承蓋、保證內燃機在工作過程中機體與主軸承蓋緊密聯接的一種強力螺栓。主要承受裝配時的預緊力，以保證機體與主軸承蓋之間的聯接緊固、不松動；同時，在內燃機運轉過程中，還要承受曲軸在高速旋轉時對主軸承蓋上的橫向沖擊而產生的對主軸承螺栓的剪切應力，以及縱向沖擊而產生的對主軸承螺栓螺紋牙的交變載荷。

主軸承螺栓在循環交變應力條件下工作，需具有較高的強度、硬度和韌性，以滿足其苛刻的工作條件。其力學性能、加工精度和疲勞強度，將直接影響內燃機的質量安全、性能和使用壽命，是內燃機零部件中的一個重要結構件，也是內燃機零件強度要求最高的螺栓之一。

2 工藝流程

主軸承螺栓的結構簡單，但對機加工工藝和熱處理工藝要求很高。以某型號柴油機主軸承螺栓為例，主軸承螺栓的工藝流程為：毛坯檢測→車長端面、鉆中心孔→車長端外圓→倒角→車短端端面→鉆中心孔→車短端外圓→倒角→粗仿各外圓→淬火前清洗→加熱→油冷卻淬火→淬火后清洗→回火→檢驗→校直→銑六方→精磨外圓→磁粉檢測→退磁→滾螺紋→清洗→光整→清洗→涂防銹油。

主軸承螺栓體積小、數量多，企業可根據零件的批量、大小及生產現狀，結合毛坯的產品質量、鍛造精度等級、設備加工能力等因素，對上述工藝進行局部調整，以提高零件的加工精度與質量。

3 熱加工工藝

主軸承螺栓的材料為42CrMoA鋼，力學性能要求：Rm≥850MPa、ReL≥750MPa；硬度要求：30～35HRC。調質時粗加工長度360mm，直徑29.5～33.5mm。

熱處理設備選用愛協林多用爐生產線，裝爐量200件/爐；淬火溫度860℃，保溫2h，淬火冷卻介質選用好富頓HQG快速淬火油，冷卻30min。回火溫度580℃，保溫2.5h后出爐水冷。

4 熱加工關鍵項點

4.1 毛坯控制

應嚴格控制主軸承螺栓毛坯的鍛造精度和基體組織，滿足技術要求，以便在粗加工過程中有足夠的切削余量，并避免產生淬火裂紋和淬火軟點[1]。

1）主軸承螺栓的材料牌號，以及基體強度、硬度和金相組織等要求，嚴格按相關標準規定執行。

2）主軸承螺栓的基本尺寸及重量偏差等要求，嚴格按相關標準或圖樣要求執行。

3）主軸承螺栓的鍛造缺陷、外觀質量及修整嚴格按相關標準執行。

4.2 熱處理質量控制

（1）存在的問題 隨著熱處理設備的發展，主軸承螺栓可在多用爐中進行淬火，其特點為：生產半自動化，出裝爐之外的工序不需要人工干預，計算機全程監控；加熱過程中向爐內通入甲醇、丙酮，并通過氧探頭和控制系統實時收集、處理數據，將爐內碳勢維持在0.42%，與零件的碳含量相同，使爐內氣氛可以保護螺栓表面不發生氧化、脫碳現象，避免產生相關質量問題。

但在傳統熱處理工藝下，主軸承螺栓調質處理后的性能常有波動，不僅對發動機質量構成威脅，還會因返工而造成生產成本的提高；此外，主軸承螺栓調質處理后產生的彎曲變形，會給后續的機械加工造成一定困難。

（2）原因分析 雖然原材料經過嚴格的理化檢測合格后才能投產，但是不同批次的原材料，其主要化學成分（見表1）在標準規定的范圍內波動，而這種波動尤其是碳含量的波動將直接影響到材料的淬透性和回火穩定性，從而造成有些爐次調質后力學性能和硬度超差，導致返工處理。

表1 42CrMoA鋼原材料主要化學成分（質量分數）（%）

主軸承螺栓屬于軸類零件，調質處理時的裝爐方式是采用橫放在料筐內，料筐內底部主軸承螺栓受壓較重，造成彎曲變形較大，且冷卻不均勻，一定程度上影響力學性能的穩定性，并產生淬火畸變[2]。

（3）工藝改進 根據主軸承螺栓的尺寸、形狀特點，由原來的橫放改為垂直碼放，可大大減小彎曲變形，提高尺寸穩定性，為后續機加工提供方便。為實現調質過程中主軸承螺栓保持垂直狀態，我們選用Q235鋼，設計、制作了多用爐專用調質工裝，雖在耐用性上不及耐熱鋼，但是價格低廉，結構簡單，無需向工裝廠家定制，即使存在輕微的開裂變形也不影響使用，經濟效益更好。

裝筐前，首先將工裝置于料筐內，再將主軸承螺栓垂直碼放（見圖1）。工藝調整后，產品質量大幅改善（見表2）。

圖1 主軸承螺栓專用工裝

表2 主軸承螺栓兩種熱處理工藝的比較

其次，在每批次螺栓熱處理前，根據該批次原材料的具體化學成分，確定合適的熱處理工藝參數，從而為獲得穩定的力學性能提供有力支持。連續生產50爐次無1爐返工，抽查理化報告顯示，抗拉強度的浮動值不超過30MPa。表面硬度穩定在32～34HRC，金相組織為回火屈氏體+極少量鐵素體，如圖2、圖3所示。

圖3 金相組織（100×）

最后，嚴格執行首爐檢測制，首爐調質后必須經理化檢測合格后才能繼續生產。為了保證首爐檢測制的嚴格執行，除對操作者、檢驗員進行必要的質量意識教育及檢測方法培訓外，還在工藝規程上作了明確的規定，并在日常工藝紀律檢查中納入必查項點。這樣可以根據首爐的理化檢測結果，為該批次的后續生產確定更加合適的工藝參數，從而有效地確保其力學性能的穩定性，降低返工率。

5 結束語

根據原材料的化學成分及時調整工藝參數，合理設計、使用工裝，優化螺栓裝爐方式并嚴格執行首爐制，且作為日常質量管理的重要項點。按年度平均返工率3.1%及45000余件生產當量計算，平均每年可減少返工7爐，節約費用 1.5萬余元。

主軸承螺栓結構較為簡單，廠家可根據企業實際狀況和發展需求，在保證產品質量的前提下，考慮采用自動化程度高的數控機床、多用爐生產線等先進的技術裝備。通過配備專用的工裝夾具等方式，提高加工效率，降低返工率，從而達到提高經濟效益的目的。