凸輪軸螺紋的高頻回火工裝夾具設計

姜如松 趙澤輝 文春

(①湖南衡陽財經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術學院機械系，湖南 衡陽 421001;②湖南衡陽油泵油嘴有限公司，湖南 衡陽 421008)

凸輪軸是噴油泵的傳動構件，它推動柱塞泵的柱塞往復運動使密閉空間的容積發(fā)生變化，從而向發(fā)動機供應高壓的燃油。某公司的凸輪軸材料為20Cr，加工工藝為:鍛坯→粗車→滲碳→車圓錐、螺紋→淬火、回火→螺紋部位正火→精加工。凸輪軸淬火工藝:820℃+2 h，保護氣氛碳勢0.90%C，回火200～230 ℃+2 h。凸輪軸在保護氣氛中淬火后螺紋部位表面有0.25～0.30 mm 的滲碳硬化層，該滲碳層在淬火后有馬氏體+殘余奧氏體組織，硬度為59～63 HRC。螺紋硬度太高，工藝上要求采用高頻爐正火。高頻加熱時螺紋部位呈淡紅、亮紅色，目測溫度800～850 ℃。該工藝盡管使用了不少年，但是凸輪軸在裝配和使用過程中不時出現(xiàn)螺紋崩絲和滑絲、甚至在凸輪軸的圓錐部位出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

凸輪軸零件的簡圖如圖1 所示。兩端螺紋分別是噴油泵與發(fā)動機連接安裝提前器端的M20 和安裝調(diào)速器端的M14。該凸輪軸的圖紙技術要求為凸輪部位硬度58～62 HRC，螺紋部位硬度180～230 HB。

1 螺紋技術要求分析

1.1 螺紋高頻正火工藝分析

螺紋正火采用的設備為常州GP-15A 型高頻爐。正火工藝為頻率110 kHz，電流100 A。正火過程高頻爐自動控制加熱兩端螺紋的時間。通過觀察，操作人員在線圈內(nèi)加熱螺紋時依靠手工幾乎不可能使螺紋中心線和線圈中心線重合，出現(xiàn)了螺紋兩側加熱顏色有明顯的差異，因此螺紋在垂直于凸輪軸軸線的都面上硬度不均勻，檢測硬度差值最大為120 HV。同一工件上的硬度范圍遠超過國家標準的要求［1］。

凸輪軸螺紋在感應線圈的加熱長度沒有控制，圓錐部位也能進入線圈加熱，從而導致圓錐部位正火、硬度降低，分析已斷裂的凸輪軸圓錐部位表面硬度為237 HV。

1.2 螺紋的技術要求改進

螺紋原來的技術要求沒有考慮到M20 和M14 螺紋的使用性能的不同。

我們對螺紋部位的使用技術要求做了仔細的分析。M20 螺紋位于凸輪軸的驅(qū)動端，是噴油泵的動力來源，按照裝配圖紙技術要求的扭矩大小，參照國家標準，它的技術要求應該是9.8 級螺紋，硬度30～36 HRC(289～338 HV)。同樣，連接提前器端的螺紋M14 的技術要求是8.8 級螺紋，硬度要求為22～28 HRC(237～274 HV)［2-3］。根據(jù)這種技術要求設計，我們對兩端螺紋應該進行回火，而不是正火［2，4］。結合對圓錐部位的受力分析，該部位由于受到螺紋部位回火的影響，距離圓錐小端5 mm 范圍內(nèi)的硬度容許低于40 HRC(377 HV)，超過5 mm 以后硬度不低于55 HRC(599 HV)［2，5］，如圖2 所示。

2 螺紋回火工裝夾具設計思路

2.1 回火工裝夾具設計

(1)夾具結構及各部分作用、電液控制圖

夾具結構設計示意圖如圖3 所示。HL、HR 是兩個安裝有感應線圈可以在導軌上滑動的滑塊。它有1、2 兩個位置，1 是工作加熱位置，2 是兩滑塊分別向夾具外側滑動的準備位置。彈性頂尖3 和固定頂尖6用于定位凸輪軸的軸線，彈性頂尖壓下時可以裝夾凸輪軸?；⌒畏厘e版4 的圓弧直徑為φ20 mm，用于安裝凸輪軸的小端φ20 mm，防止凸輪軸的大端φ25 mm 裝夾在此位置。平墊板5 支撐凸輪軸，防止凸輪軸的磕碰［6］。電液控制圖如圖4 所示。

(2)夾具運行過程

啟動高頻爐和液壓泵的電源后，在兩頂尖上安裝好凸輪軸，摁下電磁閥K0 的按鈕，液壓油進入液壓缸推動活塞桿帶動滑塊到達1 位置，此時兩滑塊分別觸動了觸動開關CKL、CKR。兩個觸動開關接通把信號傳遞到電磁閥K0，使得電磁閥右端停電，電磁閥到達中封位置，滑塊固定。同時信號傳遞到TR、TL、TD 這3 個繼電器啟動。TR、TL 分別控制兩臺高頻爐1、2 給線圈通電加熱。TD 時間繼電器控制電磁閥K0 的左側通斷電，它的設計時長超過了TR 或TL 的時長。電磁閥K0 的左側通電，兩液壓缸的液壓油流回油箱，液壓缸的彈簧推動滑塊到達2 位置。電磁閥K0 的左側斷電，兩滑塊返回2 位置，電磁閥又到達中封狀態(tài)，工裝夾具進入下一次工作循環(huán)［7］。

2.2 夾具驗證

取一根凸輪軸經(jīng)過螺紋回火后，按圖5 所示部位(螺紋頂部D、節(jié)圓J、螺紋根底部G)在距離表面0.1 mm處進行維氏硬度檢測，每個部位檢測3 點取平均值，結果如表1 所示。

按圖6 所示，沿凸輪軸的橫向剖開螺紋，在螺紋圓周的相互垂直的方向上檢測螺紋節(jié)圓部位的硬度，檢查螺紋回火在螺紋圓周方向上的均勻性，每個部位檢測3 點取平均值，按樣品的順序檢查了4 根螺紋，結果如表2 所示。

表2 螺紋在圓周方向上的硬度測試結果

從表1、2 可以看出螺紋牙頂、牙節(jié)圓和牙根部硬度均在設計(230～280 HV)要求范圍內(nèi)，螺紋圓周方向上的硬度極差為45 HV，符合國家標準。螺紋橫截面對應點D、J 和G 點的極差分別是26、28 和25 HV，符合國家標準。同一螺牙上D、J 和G 點的之間的極差分別是37、33 和28 HV，符合國家標準。凸輪軸圓錐部位硬度變化曲線如圖7 所示，滿足技術要求。

3 生產(chǎn)應用效果

(1)效率大幅度提高。使用該工裝夾具15 s 可以完成一根凸輪軸兩端螺紋的回火，每天8 h 工作計算，每人可以完成1 600 根凸輪軸的回火任務。與以前3 個人8 h 才能完成近2 000 根凸輪軸的螺紋退火工藝相比，效率提高了60%。螺紋兩端同時回火和夾具防錯結構的設計，使得操作人員勞動強度大幅度降低。

(2)質(zhì)量明顯提高。采用該工裝夾具近兩年時間內(nèi)再未出現(xiàn)因為螺紋硬度不合格引起的崩絲和滑絲以及凸輪軸在圓錐部位斷裂現(xiàn)象。

［1］JB/T 9201—1999 鋼鐵件的感應淬火回火處理［S］.北京:機械工業(yè)出版社，2007.

［2］GB/T 1172—1999 黑色金屬硬度及強度換算［S］.北京:中國標準出版社，1999.

［3］GB/T 3098.1—2010 緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱［S］.北京:中國標準出版社，2011.

［4］王乾.金屬材料及熱處理［M］.北京:勞動和社會保障出版社，2004(2):70 -72.

［5］潘振鵬.小軸端面高頻感應加熱淬火工藝探索［J］.熱加工工藝，1999(3):32 -34.

［6］洪惠良，孫嘉兵.夾具設計［M］.4 版.北京:中國勞動和社會保障出版社，2011.

［7］王積偉.液壓傳動［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010:103 -135.