凸輪軸感應(yīng)熱處理時(shí)工藝參數(shù)的選取

張雷雷，張曉云

陜西柴油機(jī)重工有限公司 陜西咸陽 713105

1 序言

凸輪軸是柴油機(jī)中最為關(guān)鍵的零部件之一，直接影響柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和使用壽命。凸輪軸在工作時(shí)常會(huì)以較高的速度旋轉(zhuǎn)，因而凸輪片上會(huì)承受較大的應(yīng)力，使凸輪片的磨損較為嚴(yán)重，同時(shí)軸徑上也會(huì)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(huì)對凸輪軸進(jìn)行感應(yīng)熱處理，使凸輪軸表面具有一定硬度的同時(shí)，內(nèi)部仍具有一定的韌性。

感應(yīng)熱處理就是利用感應(yīng)器在通入交流電時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場，當(dāng)感應(yīng)器內(nèi)放入工件時(shí)，工件表面會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流，而此時(shí)電流在工件表面會(huì)形成一個(gè)封閉回路，稱之為渦流。渦流能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)變成熱能，使工件表面瞬時(shí)產(chǎn)生高溫，達(dá)到奧氏體狀態(tài)，然后在淬火冷卻介質(zhì)中快速冷卻，使工件表面產(chǎn)生馬氏體組織。感應(yīng)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(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于曲軸軸頸[2]、氣門桿[3]、凸輪軸[4]等工業(yè)生產(chǎn)中。

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

圖1 某型號凸輪軸結(jié)構(gòu)

表1 55鋼凸輪軸化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2 感應(yīng)器的選擇

感應(yīng)器作為感應(yīng)熱處理設(shè)備最重要的組成部分，對感應(yīng)熱處理的質(zhì)量具有極大的影響，原則上對不同的工件要設(shè)計(jì)不同的感應(yīng)器。凸輪軸上的凸輪片分為進(jìn)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(shè)計(jì)三種不同的感應(yīng)器，圖2～圖4為根據(jù)三種凸輪片設(shè)計(jì)的三種不同的感應(yīng)器實(shí)物照片。

圖2 燃油凸輪感應(yīng)器

圖3 進(jìn)氣凸輪感應(yīng)器

圖4 排氣凸輪感應(yīng)器

3 感應(yīng)距離的選擇

在感應(yīng)熱處理之前，需要將工件與感應(yīng)器裝夾完畢，這時(shí)就需要調(diào)節(jié)感應(yīng)器與工件之間的距離。感應(yīng)器與工件之間距離太大或太小，都會(huì)造成感應(yīng)熱處理的失敗，因此應(yīng)根據(jù)工件形狀和設(shè)備功率要選擇適宜的感應(yīng)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(yīng)器的距離也是不同的。在本試驗(yàn)中，基圓到感應(yīng)器的距離約為3mm，凸輪片型線頂端距感應(yīng)器的距離約為4.5mm，使整個(gè)凸輪片均勻地處于感應(yīng)器的中間，這樣可以避免在凸輪軸某一側(cè)出現(xiàn)電流過于密集的情況，防止其產(chǎn)生過燒、過熱等現(xiàn)象。圖5所示為凸輪軸在現(xiàn)場裝夾完畢后，感應(yīng)過程中的實(shí)物照片。

圖5 凸輪軸感應(yīng)過程實(shí)物照片

4 感應(yīng)頻率的選擇

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

5 變壓器匝比的選擇

變壓器匝比的選擇可根據(jù)發(fā)電機(jī)的電壓和電流來確定，當(dāng)發(fā)電機(jī)的功率達(dá)到額定功率時(shí)，如果此時(shí)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(yīng)適當(dāng)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(yīng)適當(dāng)增加匝比。通過這種方法可以選擇合適的匝比數(shù)，當(dāng)確定了匝比數(shù)后，再調(diào)節(jié)電容量，使功率因數(shù)cosψ盡可能地接近于1，此時(shí)，設(shè)備可以輸出最大功率。本試驗(yàn)中，根據(jù)設(shè)備及感應(yīng)器的大小，綜合所有因素后選擇的匝比為18 : 1。

6 加熱時(shí)間的選擇

加熱時(shí)間作為感應(yīng)熱處理中最重要的工藝參數(shù)，是衡量感應(yīng)熱處理是否達(dá)標(biāo)的重要指標(biāo)，也是決定感應(yīng)熱處理成功與否的關(guān)鍵。若加熱時(shí)間過短，則工件未能達(dá)到奧氏體狀態(tài)或未完全奧氏體化，會(huì)使淬火后表面出現(xiàn)非馬氏體組織，硬度降低并產(chǎn)生軟點(diǎn)，造成淬火失敗。若加熱時(shí)間過長，則容易使工件的局部溫度過高，出現(xiàn)燒化現(xiàn)象，得不到理想的晶粒組織。同時(shí)，由于溫度過高，冷卻時(shí)因冷卻速度過快而極易出現(xiàn)裂紋，造成工件的報(bào)廢。因此，在加熱時(shí)間的選擇上，應(yīng)充分考慮設(shè)備功率、工件材質(zhì)、感應(yīng)線圈到工件的距離等因素，選擇適宜的加熱時(shí)間。本試驗(yàn)中，選擇加熱時(shí)間為9～10s。

7 淬火冷卻介質(zhì)的選擇

淬火冷卻介質(zhì)是感應(yīng)淬火中另一個(gè)重要的參數(shù)，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(huì)產(chǎn)生馬氏體組織，否則將會(huì)產(chǎn)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(shí)，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(zhì)的選擇上，應(yīng)充分根據(jù)其自身的冷卻能力、實(shí)際的冷卻時(shí)間，來確定合適的淬火冷卻介質(zhì)。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(shè)計(jì)較多的出水孔，使單位時(shí)間內(nèi)流出的淬火冷卻介質(zhì)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(shí)，也可以適當(dāng)減小淬火冷卻介質(zhì)流出的量，來減緩冷卻速度。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)每隔一段時(shí)間檢測一次淬火冷卻介質(zhì)的濃度，防止淬火冷卻介質(zhì)因受到污染或長時(shí)間放置而使?jié)舛劝l(fā)生變化。在本次試驗(yàn)中，選擇濃度為15%的AQ251作為淬火冷卻介質(zhì)，冷卻時(shí)間30s。

8 結(jié)束語

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

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化程度越來越高，相繼出現(xiàn)了智能化的感應(yīng)熱處理設(shè)備，減少了人為操作的誤差，確保了工藝參數(shù)的準(zhǔn)確性，提高了加工效率，為企業(yè)加工高質(zhì)量的產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。