常州南車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)有限公司 （江蘇 203011） 陳文偉 潘曉松 曹昌懷

一、問(wèn)題的提出

我公司生產(chǎn)的GEVO凸輪軸（見(jiàn)圖1），材料相當(dāng)于67Cr（C含量不低于0.65%，Cr含量不低于0.60%，GE牌號(hào)為C50E83C）。該產(chǎn)品感應(yīng)淬火要求：各凸輪（圖1中標(biāo)有---處）全表面感應(yīng)淬火及回火處理，其表面硬度為60～64HRC，淬硬層深2～9mm，淬硬層硬度不低于50HRC（注：凸輪軸感應(yīng)淬火前進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，達(dá)到實(shí)物硬度269～325HBW，得到以回火索氏體為主的金相組織，晶粒度達(dá)到ASTM E 112的6級(jí)或更細(xì)。淬火前各凸輪車(chē)銑加工成形后不對(duì)凸輪兩側(cè)邊緣倒角）。

圖1 凸輪軸示意

對(duì)凸輪軸結(jié)構(gòu)與加工技術(shù)要求分析可見(jiàn)：

（1）供油凸輪的基圓、型線(xiàn)、形狀、寬度、淬火面積均明顯大于進(jìn)、排氣凸輪，若考慮共用同一感應(yīng)線(xiàn)圈，則增加感應(yīng)線(xiàn)圈匹配性的難度。

（2）各凸輪尺寸偏大，凹凸結(jié)構(gòu)變化大，加熱不易均勻，需要選用足夠大功率的設(shè)備。

（3）供油凸輪與排氣凸輪間距小，凸輪兩側(cè)為階梯軸，增加加熱功率易造成淬火過(guò)程中鄰近凸輪邊緣局部回火，導(dǎo)致硬度下降。

（4）由于加工限制，淬火前各凸輪邊緣未倒角，增加加熱功率易造成淬火加熱尖角效應(yīng)加劇，凸輪邊緣燒熔或開(kāi)裂傾向激增。

（5）由于型線(xiàn)為內(nèi)凹構(gòu)造，為保證層深與硬度，必須提高淬冷速度；而67Cr的成分已偏離感應(yīng)淬火首選的中碳鋼范圍，開(kāi)裂傾向大，增加了淬火冷卻介質(zhì)的選配難度。

一般采用不同的感應(yīng)線(xiàn)圈以增加線(xiàn)圈與不同凸輪之間的匹配度，將淬火部位邊緣倒角，調(diào)整操作避開(kāi)易于開(kāi)裂的尖角部位，限制淬火冷卻介質(zhì)的淬冷烈度等。然而，針對(duì)GEVO凸輪軸凸輪尺寸大、形狀差異大、凸輪之間尺寸臨近、淬硬層必須布滿(mǎn)凸輪全部型面（不允許避讓邊角部位），邊角無(wú)倒角加工等因素存在時(shí)，若感應(yīng)線(xiàn)圈僅適合某種凸輪，必將導(dǎo)致同一凸輪軸在整個(gè)淬火過(guò)程中配備多種感應(yīng)線(xiàn)圈并多次更換，不僅效率低下，而且頻繁更換操作，將難以避免批量生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量波動(dòng)。同時(shí)，淬火冷卻介質(zhì)的濃度提高，雖然控制了開(kāi)裂傾向，但限制了淬火硬度與有效淬硬層深度的提高。

由于產(chǎn)品批量與生產(chǎn)周期等要求，要求選用在不更換條件下，使用同一感應(yīng)線(xiàn)圈實(shí)現(xiàn)對(duì)不同凸輪的感應(yīng)淬火工藝。

二、熱處理工藝分析與實(shí)施

針對(duì)產(chǎn)品試生產(chǎn)初期連續(xù)發(fā)生的表面硬度低、有效淬硬層不均勻（同時(shí)存在層深達(dá)不到下限、產(chǎn)生軟點(diǎn)、軟帶等缺陷）、凸輪邊緣（特別是靠近最大升程部位）淬火開(kāi)裂等問(wèn)題，施行以下優(yōu)化。

1.感應(yīng)線(xiàn)圈

（1）線(xiàn)圈形狀 雖然凸輪的徑向截面在一定程度接近圓形，但考慮到基圓與型線(xiàn)的形狀差異，圓形線(xiàn)圈將加劇淬硬層在整個(gè)凸輪型面的不均勻（凸輪型線(xiàn)頂端相對(duì)于基圓更加外凸，淬硬層加厚，基圓與型線(xiàn)過(guò)渡部分明顯內(nèi)凹，淬硬層減?。?。選用可避開(kāi)型線(xiàn)頂端外凸部分以弱化尖角效應(yīng)，部分輪廓貼近凸輪內(nèi)凹型線(xiàn)以彌補(bǔ)磁力線(xiàn)發(fā)散的仿形線(xiàn)圈更為合理?？紤]到加工方便，線(xiàn)圈的仿形主要依據(jù)最大尺寸的供油凸輪外形，感應(yīng)線(xiàn)圈與凸輪間隙在取3～5mm的基礎(chǔ)上，分別作出避讓凸輪外凸部分與貼近內(nèi)凹部分后，對(duì)進(jìn)、排氣凸輪淬火時(shí)過(guò)大的線(xiàn)圈間隙依靠加熱操作的水平動(dòng)作調(diào)整彌補(bǔ)。

（2）線(xiàn)圈匝數(shù) 雖然凸輪具有一定寬度，考慮較高的設(shè)備功率，仍然采用單匝線(xiàn)圈。先對(duì)凸輪寬度方向的中間部位加熱。在線(xiàn)圈具有一定寬度的條件下，尖角效應(yīng)將在一定程度上推進(jìn)渦流向凸輪兩側(cè)邊緣分布，因此可以限定單匝線(xiàn)圈的寬度，使電流更集中在中間部位，邊緣低溫部位則采用垂直點(diǎn)動(dòng)加熱彌補(bǔ)。同時(shí)，線(xiàn)圈寬度與匝數(shù)的限定可以避免磁力線(xiàn)外溢，減少對(duì)鄰近已淬火的凸輪回火。

（3）線(xiàn)圈結(jié)構(gòu) 感應(yīng)線(xiàn)圈在供油凸輪型線(xiàn)的基礎(chǔ)上，內(nèi)徑與凸輪的間隙增加3～5mm后，可通過(guò)兩側(cè)法蘭邊。利用這一尺寸特點(diǎn)，采用仿形一體式線(xiàn)圈，比開(kāi)合式線(xiàn)圈操作簡(jiǎn)單，同時(shí)也避免了后者反復(fù)使用后接觸不良。感應(yīng)線(xiàn)圈使用標(biāo)準(zhǔn)連接板與機(jī)床可靠連接，具有裝夾操作方便，自動(dòng)、精確定位于淬火工位的功能。

感應(yīng)線(xiàn)圈的形狀和尺寸見(jiàn)圖2。

2.設(shè)備選型

為保證加熱效率，同時(shí)避免功率過(guò)低造成電磁場(chǎng)對(duì)非加熱部位的干擾，以截面最大的供油凸輪為依據(jù)，分析設(shè)備加熱功率。

加熱功率可通過(guò)式（1）、式（2）計(jì)算

式中 SL——凸輪表面積；

L——凸輪型線(xiàn)總長(zhǎng)度；

R——凸輪半徑（考慮基圓與型線(xiàn)的最大半徑之和）；

H——凸輪高度（cm）。

代入數(shù)值得：SL＝3.14×（8.5+11.13）×3

＝184.92cm2

式中 PL——凸輪所需功率；

Po——比功率，取1.0kW/cm2。

代入數(shù)值得：PL＝1.0×184.92=184.92kW

設(shè)備額定功率可通過(guò)式（3）計(jì)算

式中 PE——設(shè)備的額定功率；

ηp——淬火變壓器效率，一般取0.8；ηg——淬火感應(yīng)線(xiàn)圈效率，一般取0.8。

代入數(shù)值得：PE＝184.92/（0.8×0.8）＝288.94kW

考慮加熱過(guò)程瞬間的高溫狀態(tài)，加熱頻率可通過(guò)式（4）計(jì)算

式中 DS——淬硬層深度。

代入數(shù)值得：f＝60000/2×2＝15kHz

據(jù)此選擇設(shè)備電源功率320kW，頻率范圍10～25kHz。

3.淬火冷卻介質(zhì)

67Cr成分中 C含量與Cr含量促進(jìn)奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖右移，易淬硬的同時(shí)也增加了淬裂傾向，若想淬火冷卻介質(zhì)在奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖鼻子附近的冷速更大，需控制淬火冷卻介質(zhì)的冷卻特性。經(jīng)過(guò)比較，選擇聚合物水溶性淬火液AQ251。不同濃度AQ251與水的冷卻速度值對(duì)比見(jiàn)表1，不同濃度AQ251與水的冷卻特性曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

表1 不同濃度AQ251與水的冷卻速度值對(duì)比

由表1可見(jiàn)，10%以上的AQ251在冷卻至300℃冷速明顯低于水的冷卻速度，大大減小了零件的變形和開(kāi)裂傾向，同時(shí)保持了期望相對(duì)較高的最大冷速（見(jiàn)圖3）。

圖3 不同濃度AQ251與水的冷卻特性曲線(xiàn)

對(duì)不同濃度的AQ251進(jìn)行比較，在15%的濃度下表面硬度60.5～62.0HRC，差值在2HRC之內(nèi)，硬度值偏技術(shù)要求下限；在10%的濃度下表面硬度61.5～64.0HRC，基本穩(wěn)定在62～63HRC，一般差值2.5HRC之內(nèi)，硬度值偏向上限值。工藝試驗(yàn)表明，較低濃度的淬火冷卻介質(zhì)在冷卻第二階段的快速冷卻提高了凸輪的淬硬性，冷卻第三階段的緩冷速度減少了凸輪的開(kāi)裂傾向，促進(jìn)淬硬的同時(shí)，也有助于有效淬硬層深度的實(shí)現(xiàn)。因此，現(xiàn)場(chǎng)操作濃度范圍控制在10%～12.5%。

4.熱處理規(guī)范

（1）加熱方式 仿形感應(yīng)線(xiàn)圈采用1/2供油凸輪高度，從而限制了其對(duì)供油凸輪的加熱區(qū)域，先在凸輪高度的1/2處采用同時(shí)加熱，形成類(lèi)似凸透鏡形狀的加熱區(qū)，此時(shí)凸輪寬度的1/2處最厚，向凸輪兩端面縮減呈弧線(xiàn)狀，形成不均勻的加熱層。對(duì)凸輪寬度兩側(cè)未加熱到的邊緣，隨后采用連續(xù)加熱法進(jìn)行補(bǔ)充加熱，保持加熱區(qū)奧氏體化。線(xiàn)圈在凸輪兩側(cè)邊緣處短暫停頓，利用尖角效應(yīng)快速加熱未加熱到溫的區(qū)域。如此可往復(fù)多次點(diǎn)加熱，促進(jìn)溫度在凸輪軸向型面的均勻化。

進(jìn)、排氣凸輪同時(shí)加熱。感應(yīng)線(xiàn)圈設(shè)計(jì)時(shí)以供油凸輪基圓為基圓，尺寸偏大（見(jiàn)圖2）。若采用中心定位，感應(yīng)線(xiàn)圈與凸輪間隙過(guò)大，凸輪無(wú)法被加熱。利用淬火機(jī)床在Y、C軸可調(diào)來(lái)控制凸輪與感應(yīng)線(xiàn)圈的有效間隙。感應(yīng)線(xiàn)圈偏心后只能單側(cè)加熱局部表面。故需往復(fù)多次水平移動(dòng)感應(yīng)線(xiàn)圈做環(huán)凸輪表面加熱，形成凸輪徑向均勻加熱層。

值得一提的是，由于不同部位對(duì)電磁場(chǎng)的效用差異，在整個(gè)加熱過(guò)程中，需要通過(guò)設(shè)備設(shè)置控制不同階段的功率輸出。

（2）冷卻方式 分析表明，奧氏體化后進(jìn)行預(yù)冷，將淬冷時(shí)表面溫度控制在略低于理想淬火溫度的范圍，利用熱量擴(kuò)散與輻射的效果，能進(jìn)一步促進(jìn)凸輪軸向與徑向表面溫度的均勻化。由于降低最表面部位的淬冷溫度（距表面小于0.05mm的尺度范圍內(nèi)，硬度會(huì)略低于內(nèi)層），有效減小了開(kāi)裂傾向。對(duì)各個(gè)凸輪加熱后，空冷預(yù)冷0.5s再進(jìn)行淬火，溫度的均勻化有助于不同凸輪共用同一圓形噴淋圈完成淬火操作，簡(jiǎn)化設(shè)備結(jié)構(gòu)與操作。經(jīng)多次檢測(cè)，經(jīng)過(guò)空冷預(yù)冷后凸輪各部位有效淬硬層深度差值均≤1mm，同時(shí)消除了凸輪邊緣開(kāi)裂現(xiàn)象。

（3）操作方法 上述加熱—冷卻規(guī)范采用程控方式保證實(shí)施，淬火過(guò)程只需上下裝卸工件，不需中間調(diào)整或更換操作，所有動(dòng)作在選擇程序后一鍵完成。現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)節(jié)拍可達(dá)到＜4min/根。

三、實(shí)施效果

連續(xù)批量生產(chǎn)，某批凸輪軸抽檢實(shí)物解剖后，各凸輪表面硬度、有效淬硬層深度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2（表中“中心”為凸輪型面中心線(xiàn)部位的解剖數(shù)據(jù)；“左3mm處”為凸輪型面離左側(cè)邊緣3mm處的解剖數(shù)據(jù)；“右3mm處”為凸輪型面離右側(cè)邊緣3mm處的解剖數(shù)據(jù)）。

表2 各凸輪解剖檢測(cè)結(jié)果

可見(jiàn)，采用依照最大凸輪型面設(shè)計(jì)仿形感應(yīng)線(xiàn)圈，同時(shí)綜合采用同時(shí)—連續(xù)加熱相結(jié)合的加熱規(guī)范，進(jìn)行適當(dāng)預(yù)熱—預(yù)冷，采用控制濃度范圍的介質(zhì)淬冷，可將凸輪淬火過(guò)程中的常見(jiàn)質(zhì)量缺陷有效消除，得到穩(wěn)定可靠的更為均勻的凸輪表面硬度和淬硬層。經(jīng)階段生產(chǎn)證明，設(shè)備工裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，操作便捷高效，滿(mǎn)足批量生產(chǎn)質(zhì)量要求。

（20121213）