CA6DM柴油機(jī)搖臂軸高頻淬火工藝改進(jìn)

王天虎， 周陸飛

（1.一汽解放公司無錫柴油機(jī)廠，江蘇 無錫 214000；2.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121）

CA6DM柴油機(jī)搖臂軸高頻淬火工藝改進(jìn)

王天虎1， 周陸飛2

（1.一汽解放公司無錫柴油機(jī)廠，江蘇 無錫 214000；2.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121）

為解決CA6DM柴油機(jī)搖臂總成件搖臂軸在生產(chǎn)中出現(xiàn)的質(zhì)量問題，在感應(yīng)器、工位器具及工藝等方面采取了改進(jìn)措施，確定了CA6DM柴油機(jī)搖臂總成件搖臂軸高頻工藝的最佳工藝參數(shù)，提高了零件質(zhì)量，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

搖臂軸；高頻淬火；工藝改進(jìn)

搖臂總成是柴油機(jī)上關(guān)鍵零部件之一，其質(zhì)量的好壞嚴(yán)重影響到柴油機(jī)的使用性能及各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。搖臂軸及壓球座是搖臂總成組件，其中壓球座滲碳處理后碗口需高頻退火，而搖臂軸需高頻淬火。自CA6DM柴油機(jī)開發(fā)以來，搖臂軸及壓球座一直存在質(zhì)量不穩(wěn)定的問題：搖臂軸存在開裂問題；壓球座則在包的過程中出現(xiàn)碗口斷裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了搖臂總成的成套率，也造成了CA6DM柴油機(jī)的出產(chǎn)進(jìn)度。

根據(jù)CA6DM柴油機(jī)搖臂總成件搖臂軸及壓球座在生產(chǎn)中出現(xiàn)的質(zhì)量問題，我們對問題件進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，搖臂軸的報(bào)廢率約為10%，而壓球座的報(bào)廢率則高達(dá)30%以上。針對這一情況，我們必須對從工藝等方面進(jìn)行改進(jìn)和完善，以確保產(chǎn)品質(zhì)量，確保CA6DM柴油機(jī)的出產(chǎn)進(jìn)度，所以，確定了本課題。

1 原因分析

1.1 搖臂軸

搖臂軸的質(zhì)量問題見圖1。

從圖1可以看出，81D搖臂軸在高頻淬火過程中出現(xiàn)開裂并存在燒融現(xiàn)象，開裂位置內(nèi)側(cè)有一通孔，此處肉子較薄，在加熱過程中一旦加熱功率偏高，透熱溫度極易升高，造成零件淬火開裂、甚至燒融，從而造成零件報(bào)廢。

圖1 81D搖臂軸在高頻淬火時(shí)出現(xiàn)的裂紋Fig.1 Cracks of 81D rocker shaft in high-frequency quenching process

這一質(zhì)量問題的產(chǎn)生，是由于淬火溫度過高造成。理論上講，81D搖臂軸高頻淬火溫度是可以控制的。81D搖臂軸高頻淬火感應(yīng)器是自制而成。軸的直徑為32.5，而自制感應(yīng)器的有效加熱圈的直徑為40。為了確保滿足淬火層深度要求，對于一定的感應(yīng)器，需通過加熱電參數(shù)和加熱時(shí)間的完美結(jié)合來完成。延長加熱時(shí)間或提高加熱功率都可以確保淬火層深度，但這樣都增加了淬火開裂的傾向，這就必須通過調(diào)整感應(yīng)器與零件之間的距離來獲得最佳的加熱時(shí)間和加熱功率的匹配。筆者認(rèn)為，由于感應(yīng)器的有效加熱圈的直徑過小，加熱線圈與搖臂軸之間的間隙過緊，而為了淬火層深度與硬度所采用的加熱電參數(shù)和加熱時(shí)間極易造成此類質(zhì)量問題。所以，設(shè)計(jì)合適的感應(yīng)器，通過工藝試驗(yàn)，選擇合適的工藝參數(shù)，成為解決這一質(zhì)量問題的當(dāng)務(wù)之急。

1.2 壓球座

圖2中所示，是壓球座退火不好出現(xiàn)質(zhì)量問題的典型案例。

圖2 退火不好的壓球座Fig.2 Inadequacy annealing pressure ball base

為了確保壓球座與壓球之間具有良好的耐磨性，壓球座與壓球均采用滲碳淬火工藝來提高兩者的耐磨性，滲碳深度要求為0.2～0.35。為了滿足圖2所示的壓球座與壓球的尺寸配合，壓球座必須能將壓球的頭部包住且具有一定的強(qiáng)度，這就要求壓球座的碗口A處（見圖3）具有足夠的韌性，而這種韌性的獲得需通過退火來實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，壓球座的碗口出現(xiàn)鋸齒型，說明壓球座退火未退好，碗口硬度偏高，韌性不夠，在工作過程中壓球很容易從壓球座中脫落出來，從而造成質(zhì)量事故。

圖3 A處約3～4mm需退火Fig.3 A about 3～4cm where need to be annealed

由于壓球座的碗口（A處）壁厚只有1.25，且含碳量較高（1.0%以上），在加熱過程中非但沒有將硬度退掉，反而很容易淬硬，造成圖2所示的質(zhì)量問題。所以，為徹底解決這一質(zhì)量問題，必須對感應(yīng)器進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行工藝試驗(yàn)，優(yōu)化工藝參數(shù)。

1.3 試驗(yàn)方案

（1）設(shè)計(jì)感應(yīng)器；

（2）制作感應(yīng)器；

（3）進(jìn)行工藝試驗(yàn)；

（4）小批生產(chǎn)及質(zhì)量跟蹤；

（5）批量試驗(yàn)及質(zhì)量跟蹤。

1.4 感應(yīng)器的設(shè)計(jì)與制作

1.4.1 搖臂軸 搖臂軸屬于長軸類零件，且零件的淬火面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同時(shí)淬火的最大面積，一般情況下采用圓環(huán)式連續(xù)淬火感應(yīng)器。根據(jù)搖臂軸感應(yīng)淬火技術(shù)要求和所采用的淬火設(shè)備，雖然高頻淬火層比較薄，零件中積蓄的熱量較少，但零件直徑較大（32.5），靠感應(yīng)器自身噴出的淬火水還不足以滿足零件冷卻的要求，因此，采用自身不噴水另加輔助噴水器結(jié)構(gòu)的淬火感應(yīng)器可以滿足要求，29D搖臂軸高頻淬火采用的感應(yīng)器屬于此類感應(yīng)器。根據(jù)29D搖臂軸高頻淬火感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合采用自制的感應(yīng)器42（有效加熱圈直徑）進(jìn)行81D搖臂軸高頻淬火的質(zhì)量情況，將感應(yīng)器有效加熱圈直徑從42增加到50，感應(yīng)器有效加熱圈與加熱零件之間的距離為8.75，既保證了感應(yīng)器與零件之間的間隙，又保證了感應(yīng)器有效加熱圈與零件之間能量轉(zhuǎn)換的最佳距離匹配（6～10），噴水角與29D搖臂軸高頻淬火感應(yīng)器同均為30度。設(shè)計(jì)好的81D搖臂軸高頻淬火感應(yīng)器如圖4所示。

圖4 81D搖臂軸高頻感應(yīng)器Fig.4 High-frequency sensor of 81D rocker shaft

1.4.2 壓球座 81D壓球座開發(fā)試制時(shí)高頻退火采用的感應(yīng)器是借用的29D壓球座高頻退火感應(yīng)器，如圖5所示。

圖5 29D壓球座高頻退火感應(yīng)器Fig.5 High-frequency annealing sensor of 29D pressure ball base

29D壓球座碗口壁厚為1毫米，退火長度為碗口以下1毫米（含碗口），退火時(shí)從頂部開始向下傳導(dǎo)，中間增加噴液冷卻并進(jìn)行二次加熱，以達(dá)到退火的目的，第一次加熱的時(shí)間為第二次加熱的2倍。以這種工藝方法對29D壓球座進(jìn)行退火，產(chǎn)品合格率達(dá)到100%。采用該工藝方法對81D壓球座進(jìn)行退火時(shí)，產(chǎn)品合格率僅為70%。究其原因有二：一是81D壓球座碗口壁厚為1.25毫米，比29D壓球座碗口壁厚略厚；二是81D壓球座的退火深度為3毫米。因此，對感應(yīng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于81D壓球座的退火深度為3毫米，通過頂部加熱向下熱傳導(dǎo)的加熱方式對81D壓球座的退火已經(jīng)不能滿足要求，因?yàn)榧訜釙r(shí)間的延長會(huì)導(dǎo)致碗口溫度的偏高，既而增加了重新淬火的可能，或增加加熱功率同樣會(huì)導(dǎo)致碗口溫度的偏高，而增加了重新淬火的可能。因此重新進(jìn)行感應(yīng)器的設(shè)計(jì)時(shí)，將加熱方式改為對要求退火的位置直接進(jìn)行加熱，從側(cè)面進(jìn)行加熱。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的感應(yīng)器如圖6所示。

圖6 新設(shè)計(jì)81D壓球座的退火感應(yīng)器Fig.6 Annealing sensor of new-design 81D pressure ball base

1.5 工藝試驗(yàn)

感應(yīng)器設(shè)計(jì)制作好后，分別進(jìn)行了工藝試驗(yàn)。

81D搖臂軸高頻淬火工藝試驗(yàn)在GCB1205 100kW高頻淬火機(jī)床上進(jìn)行；

81D壓球座高頻退火工藝實(shí)驗(yàn)在GZSK30KW高頻淬火機(jī)床上進(jìn)行。

試件由奉化動(dòng)力機(jī)械配件有限公司提供。

1）81D搖臂軸高頻淬火試驗(yàn)工藝為

槽路電壓為：4.65kV；

陽極電流為：5.3A；

柵極電流為：0.6A；

燈絲電壓為：12V；

直流電壓為；8.5kV。

試驗(yàn)結(jié)果為：（共做了2根）

淬火層深度為：0.85，0.90；

淬火層硬度為：57HRC，57HRC。

（技術(shù)要求：淬火層深度≥0.75，淬火層硬度55-60HRC。）

工藝試驗(yàn)零件質(zhì)量全部合格。

2）81D壓球座高頻退火實(shí)驗(yàn)工藝為：

陽極電壓：3 600V

陽極電流1.5A；

柵極電流0.25A，

第一次加熱時(shí)間為2 800ms，

第二次加熱時(shí)間為1 600ms，

加熱延時(shí)200ms。

本次試驗(yàn)共用了10個(gè)81D壓球座，試驗(yàn)結(jié)束后，首先對碗口硬度進(jìn)行了檢測。硬度情況為：520HV1，516HV1，509HV1，510HV1，523 HV1，500HV1，

521HV1，520HV1，505HV1，507HV1。

從退火后的碗口硬度情況來看，退火后的硬度相當(dāng)均勻。

將這10個(gè)退好火的零件送奉化動(dòng)力機(jī)械配件有限公司進(jìn)行現(xiàn)場包壓球試驗(yàn)，未出現(xiàn)鋸齒形裂紋現(xiàn)象，質(zhì)量檢驗(yàn)全部合格。

6 小批試驗(yàn)

接著進(jìn)行了小批試驗(yàn)，分別進(jìn)行了100支81D搖臂軸的高頻淬火和1 000個(gè)壓球座的高頻退火。其中81D搖臂軸抽了2支進(jìn)行實(shí)物解剖檢測淬火層深度和硬度，質(zhì)量情況為：淬火層深度為，1.0，0.95；淬火層硬度為，56HRC，57HRC。

81D壓球座抽檢了5個(gè)進(jìn)行碗口硬度檢測，硬度情況為：525HV1，518HV1，503HV1，524HV1，513HV1。送現(xiàn)場包，質(zhì)量完全合格。本批1 000個(gè)在隨后的包的過程中質(zhì)量也全部合格，無一質(zhì)量問題。

7 質(zhì)量跟蹤

自從2010年9月15日采用新設(shè)計(jì)制作的感應(yīng)器生產(chǎn)以來，到目前為止，共生產(chǎn)了81D搖臂軸12 000支，除15支由于加工時(shí)孔偏而造成的開裂外，未出現(xiàn)由于高頻淬火的質(zhì)量而造成的零件報(bào)，淬火層深度、硬度全部滿足技術(shù)要求，合格率達(dá)到100%。而81D壓球座共生產(chǎn)了85 000個(gè)，共出現(xiàn)了128個(gè)包裂質(zhì)量問題，合格率為99.85%。

8 結(jié) 論

作者根據(jù)淬火零件的特點(diǎn)，通過運(yùn)用感應(yīng)淬火基礎(chǔ)理論，對81D搖臂軸和81D壓球座感應(yīng)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過工藝試驗(yàn)，對工藝進(jìn)行改進(jìn)，確定了最佳工藝參數(shù)，利用于生產(chǎn)實(shí)際中，所生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量完全滿足技術(shù)質(zhì)量要求，達(dá)到了預(yù)期的目的。在本課題進(jìn)行過程中，對81D壓球座退火質(zhì)量的檢驗(yàn)作了改進(jìn)，質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)作了量化的驗(yàn)證：實(shí)踐證明，在滲碳層深度為0.2～0.35的情況下，當(dāng)81D壓球座退火后碗口硬度不大于540HV1時(shí)，在包壓球時(shí)質(zhì)量完全滿足要求。所以，作者建議，將81D壓球座技術(shù)要求修改為：A段退火，硬度≤540HV1。

［1］ 林信智.淬火感應(yīng)器的選用、設(shè)計(jì)與制造［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

［2］ 劉宗昌.鋼件的淬火開裂及防止方法［M］.2版.北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

［3］ 王忠誠，齊寶森，李楊.典型零件熱處理技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［4］ 沈慶通，梁文林.現(xiàn)代感應(yīng)熱處理技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

Improvement of High-frequency Quenching Process for Rocker Shaft of CA6DM Diesel Engines

WANG Tianhu1， ZHOU Lufei2
（1.Wuxi Diesel Engine Works of the FAW Jiefang Automotive Co.Ltd.，Wuxi 214000，China；2.School of Mechanical Technology，Wuxi Institute of Technology，Wuxi 214121，China）

In order to solve the quality problem of rocker shaft，the rocker assembly parts of CA6DM diesel engines in the production process，some improvement measures have been taken in the aspects of sensor，location device，process，etc.This has set the best process parameters for the high-frequency technology of rocker shaft of CA6DM diesel engines，improved parts quality，and achieved good economic benefits.

rocker shaft；high-frequency quenching；process improvement

TG 156.3

A

1671-7880（2012）01-0065-04

2011-11-19

王天虎（1964— ），男，江蘇揚(yáng)州人，高級工程師，研究方向：熱處理。