內(nèi)燃機(jī)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(tuán)濟(jì)柴動力有限公司 山東濟(jì)南 250000

1 序言

主軸承螺栓是用于緊固和固定內(nèi)燃機(jī)主軸承蓋、保證內(nèi)燃機(jī)在工作過程中機(jī)體與主軸承蓋緊密聯(lián)接的一種強(qiáng)力螺栓。主要承受裝配時的預(yù)緊力，以保證機(jī)體與主軸承蓋之間的聯(lián)接緊固、不松動；同時，在內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，還要承受曲軸在高速旋轉(zhuǎn)時對主軸承蓋上的橫向沖擊而產(chǎn)生的對主軸承螺栓的剪切應(yīng)力，以及縱向沖擊而產(chǎn)生的對主軸承螺栓螺紋牙的交變載荷。

主軸承螺栓在循環(huán)交變應(yīng)力條件下工作，需具有較高的強(qiáng)度、硬度和韌性，以滿足其苛刻的工作條件。其力學(xué)性能、加工精度和疲勞強(qiáng)度，將直接影響內(nèi)燃機(jī)的質(zhì)量安全、性能和使用壽命，是內(nèi)燃機(jī)零部件中的一個重要結(jié)構(gòu)件，也是內(nèi)燃機(jī)零件強(qiáng)度要求最高的螺栓之一。

2 工藝流程

主軸承螺栓的結(jié)構(gòu)簡單，但對機(jī)加工工藝和熱處理工藝要求很高。以某型號柴油機(jī)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(yàn)→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(shù)量多，企業(yè)可根據(jù)零件的批量、大小及生產(chǎn)現(xiàn)狀，結(jié)合毛坯的產(chǎn)品質(zhì)量、鍛造精度等級、設(shè)備加工能力等因素，對上述工藝進(jìn)行局部調(diào)整，以提高零件的加工精度與質(zhì)量。

3 熱加工工藝

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

熱處理設(shè)備選用愛協(xié)林多用爐生產(chǎn)線，裝爐量200件/爐；淬火溫度860℃，保溫2h，淬火冷卻介質(zhì)選用好富頓HQG快速淬火油，冷卻30min?；鼗饻囟?80℃，保溫2.5h后出爐水冷。

4 熱加工關(guān)鍵項(xiàng)點(diǎn)

4.1 毛坯控制

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

1）主軸承螺栓的材料牌號，以及基體強(qiáng)度、硬度和金相組織等要求，嚴(yán)格按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行。

2）主軸承螺栓的基本尺寸及重量偏差等要求，嚴(yán)格按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或圖樣要求執(zhí)行。

3）主軸承螺栓的鍛造缺陷、外觀質(zhì)量及修整嚴(yán)格按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

4.2 熱處理質(zhì)量控制

（1）存在的問題 隨著熱處理設(shè)備的發(fā)展，主軸承螺栓可在多用爐中進(jìn)行淬火，其特點(diǎn)為：生產(chǎn)半自動化，出裝爐之外的工序不需要人工干預(yù)，計(jì)算機(jī)全程監(jiān)控；加熱過程中向爐內(nèi)通入甲醇、丙酮，并通過氧探頭和控制系統(tǒng)實(shí)時收集、處理數(shù)據(jù)，將爐內(nèi)碳勢維持在0.42%，與零件的碳含量相同，使?fàn)t內(nèi)氣氛可以保護(hù)螺栓表面不發(fā)生氧化、脫碳現(xiàn)象，避免產(chǎn)生相關(guān)質(zhì)量問題。

但在傳統(tǒng)熱處理工藝下，主軸承螺栓調(diào)質(zhì)處理后的性能常有波動，不僅對發(fā)動機(jī)質(zhì)量構(gòu)成威脅，還會因返工而造成生產(chǎn)成本的提高；此外，主軸承螺栓調(diào)質(zhì)處理后產(chǎn)生的彎曲變形，會給后續(xù)的機(jī)械加工造成一定困難。

（2）原因分析 雖然原材料經(jīng)過嚴(yán)格的理化檢測合格后才能投產(chǎn)，但是不同批次的原材料，其主要化學(xué)成分（見表1）在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)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(wěn)定性，從而造成有些爐次調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能和硬度超差，導(dǎo)致返工處理。

表1 42CrMoA鋼原材料主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

主軸承螺栓屬于軸類零件，調(diào)質(zhì)處理時的裝爐方式是采用橫放在料筐內(nèi)，料筐內(nèi)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(xué)性能的穩(wěn)定性，并產(chǎn)生淬火畸變[2]。

（3）工藝改進(jìn) 根據(jù)主軸承螺栓的尺寸、形狀特點(diǎn)，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(wěn)定性，為后續(xù)機(jī)加工提供方便。為實(shí)現(xiàn)調(diào)質(zhì)過程中主軸承螺栓保持垂直狀態(tài)，我們選用Q235鋼，設(shè)計(jì)、制作了多用爐專用調(diào)質(zhì)工裝，雖在耐用性上不及耐熱鋼，但是價格低廉，結(jié)構(gòu)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(jīng)濟(jì)效益更好。

裝筐前，首先將工裝置于料筐內(nèi)，再將主軸承螺栓垂直碼放（見圖1）。工藝調(diào)整后，產(chǎn)品質(zhì)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(jù)該批次原材料的具體化學(xué)成分，確定合適的熱處理工藝參數(shù)，從而為獲得穩(wěn)定的力學(xué)性能提供有力支持。連續(xù)生產(chǎn)50爐次無1爐返工，抽查理化報告顯示，抗拉強(qiáng)度的浮動值不超過30MPa。表面硬度穩(wěn)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(yán)格執(zhí)行首爐檢測制，首爐調(diào)質(zhì)后必須經(jīng)理化檢測合格后才能繼續(xù)生產(chǎn)。為了保證首爐檢測制的嚴(yán)格執(zhí)行，除對操作者、檢驗(yàn)員進(jìn)行必要的質(zhì)量意識教育及檢測方法培訓(xùn)外，還在工藝規(guī)程上作了明確的規(guī)定，并在日常工藝紀(jì)律檢查中納入必查項(xiàng)點(diǎn)。這樣可以根據(jù)首爐的理化檢測結(jié)果，為該批次的后續(xù)生產(chǎn)確定更加合適的工藝參數(shù)，從而有效地確保其力學(xué)性能的穩(wěn)定性，降低返工率。

5 結(jié)束語

根據(jù)原材料的化學(xué)成分及時調(diào)整工藝參數(shù)，合理設(shè)計(jì)、使用工裝，優(yōu)化螺栓裝爐方式并嚴(yán)格執(zhí)行首爐制，且作為日常質(zhì)量管理的重要項(xiàng)點(diǎn)。按年度平均返工率3.1%及45000余件生產(chǎn)當(dāng)量計(jì)算，平均每年可減少返工7爐，節(jié)約費(fèi)用 1.5萬余元。

主軸承螺栓結(jié)構(gòu)較為簡單，廠家可根據(jù)企業(yè)實(shí)際狀況和發(fā)展需求，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，考慮采用自動化程度高的數(shù)控機(jī)床、多用爐生產(chǎn)線等先進(jìn)的技術(shù)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(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。