李鴻飛

摘 要：本文首先闡述了曲軸的常用材料及鑄造工藝，然后對曲軸的幾種常見的加工強化技術(shù)工藝加以研究，對國內(nèi)外的曲軸加工技術(shù)展望。

關(guān)鍵詞：曲軸；強化技術(shù)；曲軸加工

中圖分類號：TG156 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）12-0060-02

曲軸是活塞式發(fā)動機的關(guān)鍵零件之一，其質(zhì)量的好壞將直接影響到發(fā)動機的可靠性和使用壽命。隨著科技的發(fā)展和社會的不斷進(jìn)步，發(fā)動機逐漸朝著輕量化、結(jié)構(gòu)簡單化及性能優(yōu)質(zhì)化的方向發(fā)展，這就對作為發(fā)動機主要承受負(fù)荷零件之一的曲軸的剛度和強度有了更高的要求。若曲軸的質(zhì)量達(dá)不到要求，在長時間、高轉(zhuǎn)速的情況下，很容易出現(xiàn)斷裂或失效現(xiàn)象。因此，如何改進(jìn)曲軸加工方法，強化曲軸性能就變得十分重要。

1 曲軸的材料選用及鑄造工藝

1.1 曲軸常用材料

曲軸的常用材料包括球墨鑄鋼、調(diào)質(zhì)鋼及非調(diào)質(zhì)鋼。球墨鑄鋼具有較好的強度和塑性，切削性能良好，力學(xué)性能與調(diào)質(zhì)鋼相差不大但成本遠(yuǎn)低于調(diào)質(zhì)鋼，故而被廣泛應(yīng)用與曲軸加工制造之中。我國的汽油機曲軸大多采用球墨鑄鐵制造，而柴油機曲軸則大多采用調(diào)質(zhì)鋼或者非調(diào)質(zhì)鋼制造。

1.2 曲軸的鑄造工藝

曲軸的鑄造工藝主要有殼型法鑄造工藝、鐵型覆沙法鑄造工藝及鐵型濕沙法鑄造工藝等。殼型法鑄造是指將覆膜砂制殼粘接在一起形成鑄型，并澆注由中頻感應(yīng)電爐熔化的鐵水形成鑄件的工藝方法。鐵型覆沙法鑄造是指在壁厚合適的鐵型內(nèi)腔上覆不同厚度的砂，使得同一鑄件不同壁厚部分由于覆沙層厚度的影響而具有相同的冷卻速度，使得凝固較為均衡。鐵型壁厚的確定既要考慮鑄件的剛度的強度，又要滿足熱平衡的需要。鐵型濕沙法鑄造是指制成砂型后直接在濕態(tài)下進(jìn)行澆注的工藝方法。與殼型法鑄造和鐵型覆沙法鑄造相比，鐵型濕沙法鑄造法鑄造出的曲軸質(zhì)量，廢品率及穩(wěn)定性都略差一下，但是其生產(chǎn)適應(yīng)性強，成本低，生產(chǎn)效率高，因而其應(yīng)用最廣泛。

2 幾種常見的曲軸加工強化技術(shù)工藝

通常曲軸的材料為高碳鋼球墨鑄鐵，熱處理后的曲軸應(yīng)具有較強的抗疲勞性，軸頸應(yīng)就有較強的耐磨性，因此加工過程中必須對曲軸進(jìn)行表面強化處理，消除曲軸的軸頸磨損和疲勞斷裂。針對不同材料、不同工況下的曲軸，應(yīng)采用不同的加工強化處理，使曲軸的硬度、抗疲勞強度、耐磨性等方面達(dá)到良好的處理效果。

曲軸表面處理方法較多，常見的處理方法歸納起來可以分為以下幾種：

2.1 氮化處理

曲軸的氮化處理包括氣體軟氮化、離子氮化、鹽浴氮化等，主要是提高曲軸表面的硬度、抗疲勞強度、耐磨性等，該方法適用于各種曲軸，但對于提高曲軸的抗疲勞強度有限。

氣體軟氮化并不是單一的滲氮或者滲碳的過程，而是以滲氮為主的氮碳共滲的過程，主要由氣體分解、原子吸收、原子擴散三個步驟組成，主要特點為滲速快、硬度高、熱處理畸變小，但滲層梯度陡，滲層薄，一般在0.5毫米以下。氣體軟氮化是保溫后直接淬火，溫度低于滲碳的溫度，一般在580℃左右。氣體軟氮化通常不會對曲軸的表面粗糙度造成影響，但是在淬火后進(jìn)行冷卻過程中，曲軸與空氣接觸會形成一層易脫落的薄氧化膜，該氧化膜脫落后會使曲軸生銹，降低曲軸的使用壽命，因此在曲軸軟氮化處理后，應(yīng)對曲軸進(jìn)行拋光處理。

氣體軟氮化處理后，曲軸的表面會產(chǎn)生一層致密的化合物，使曲軸表面結(jié)構(gòu)均勻，硬度加大，具有一定韌性，提高曲軸的耐磨性起主要作用；氮碳共滲層會形成具有很高硬度的化合物，提高曲軸表面的抗咬合摩擦力和耐磨性，該化合物還具有潤滑減摩作用，降低曲軸的摩擦系數(shù)系數(shù)。

離子氮化是將曲軸放置在低于2MPa下的含氮氣的低真空中，利用陽極與陰極（曲軸）產(chǎn)生的電離氣體，電離出的正離子撞擊曲軸表面使之溫度升高，在此過程中進(jìn)行一系列化學(xué)反應(yīng)使曲軸表面產(chǎn)生一層氮化膜，提高曲軸表面的耐磨性、抗腐蝕性和抗疲勞強度。在離子氮化過程中沖入二氧化碳可以起到催化劑作用，提高氮離子的利用率，促進(jìn)曲軸表面對氮元素的吸收，促進(jìn)金屬表面產(chǎn)生化合物。對于球磨鑄鐵曲軸，離子氮化是增強曲軸表面強度的首選工藝，其表面形成的化合層和氮化層效果良好，增強曲軸的耐磨性和疲勞強度，且不影響其表面粗糙度，是值得推廣的表面強化工藝。

鹽浴氮化的工作原理是將曲軸在鈉鹽混合物（NaCN、Na2CO3、NaCNO）和鉀鹽混合物（KCN、K2CO3、KCNO）的熔融鹽液中進(jìn)行預(yù)處理，使金屬表面能夠滲入多種元素，表面形成由多種元素組成的致密的復(fù)合化合物，曲軸表面的耐磨性、抗腐蝕性和抗疲勞強度大幅度提高。由于鹽浴氮化的成本較高，且毒性較大污染環(huán)境，因此應(yīng)用并不廣泛。

2.2 圓角噴丸處理

曲軸在運動中力的大小和方向都會發(fā)生改變產(chǎn)生交變應(yīng)力，其軸頸面變化轉(zhuǎn)接圓角處產(chǎn)生應(yīng)力疲勞和應(yīng)變疲勞，對曲軸的危害極大，因此通過圓角噴丸處理來改變曲軸軸頸面抗疲勞性能。圓角噴丸處理的機理是利用直徑一致的具有一定強度的丸粒，通過高速氣流形成丸粒流，連續(xù)的向曲軸軸頸面噴射，曲軸表面產(chǎn)生較大的塑形變形，使曲軸形成冷作硬化層。由于曲軸在機械加工過程中，在切削力的作用下曲軸表面特別是曲軸軸頸轉(zhuǎn)接圓角處應(yīng)力分布不均，曲軸在工作中極易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕降低曲軸使用壽命。曲軸經(jīng)過噴丸處理后，由于受到丸粒流的撞擊，曲軸表面的金屬晶格發(fā)生了扭曲，產(chǎn)生強化層，其內(nèi)部存在較高的殘余壓應(yīng)力，使曲軸在工作中對拉應(yīng)力有很好的阻止作用，這種處理后有效的抑制應(yīng)力腐蝕，提高疲勞壽命。

隨著圓角噴丸處理技術(shù)的不斷發(fā)展，用于改善和提高曲軸的應(yīng)力疲勞和應(yīng)變疲勞已成為主要研究方向，采用計算機控制系統(tǒng)對噴丸流程進(jìn)行監(jiān)控，可以根據(jù)曲軸的實際情況控制噴丸的速度和質(zhì)量，能提高疲勞強度的20%～40%，從而大大提高曲軸的抗疲勞壽命。

2.3 圓角滾壓處理

圓角滾壓的原理是在曲軸的軸頸和連桿頸的圓角處，利用滾輪碾壓使圓角處產(chǎn)生塑性變形，其工藝主要分為曲軸圓角滾壓和曲軸液壓校正。圓角滾壓時由伺服傳動系統(tǒng)控制曲軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，伺服液壓系統(tǒng)控制壓力負(fù)載，對曲軸的圓角進(jìn)行滾壓。液壓校正首先要檢測曲軸的彎曲變形量和相位方向，然后用傳感器檢測曲軸軸頸處的擺差，對擺差數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出還應(yīng)在哪些軸頸或連桿頸處再進(jìn)行滾壓，消除曲軸彎曲。

圓角滾壓的特點有曲軸的圓角處形成致密層，提高曲軸的硬度和機械強度；降低曲軸圓角處的粗糙度，大大減小圓角處的應(yīng)力集中，提高曲軸的疲勞強度；滾壓過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，可以抵消曲軸在工作中的拉應(yīng)力；可控制軸頸和連桿頸滾壓壓力，同一軸頸圓角在不同角度上的壓力也可控；可一次完成曲軸所有圓角滾壓，提高生產(chǎn)效率。

2.4 軸頸淬火

曲軸軸頸淬火是為了提高曲軸軸頸表面的硬度、耐磨性和抗疲勞強度。首先對鑄件加熱到臨界溫度以上，并保溫一定時間，使鑄體轉(zhuǎn)化為均勻的奧氏體，然后快速冷卻到臨界冷卻溫度以下，得到馬氏體或貝氏體組織。在保證鑄件奧氏體化的提前下，淬火溫度盡量不要太高，防止其殘余奧氏體量增加，降低鑄件韌性。保溫時間不宜過長，以避免奧氏體晶粒粗化。

2.5 復(fù)合強化處理

復(fù)合強化處理是對曲軸采用多種處理工藝進(jìn)行強化處理，例如曲軸圓角滾壓加軸頸淬火處理，圓角滾壓加離子氮化進(jìn)行復(fù)合強化等可以大幅提高曲軸的抗疲勞強度，是曲軸強化的必然趨勢。

3 結(jié)語

汽車動力系統(tǒng)正在經(jīng)歷一場能源革命，汽車發(fā)動機的制造技術(shù)也正在朝著高效率、大規(guī)模、低成本和柔性化的方向發(fā)展。曲軸作為發(fā)動機的重要零件之一，其發(fā)展趨勢應(yīng)能滿足發(fā)動機的需求，未來，曲軸制造技術(shù)將朝著高效加工的方向繼續(xù)努力，多品種、小批量的復(fù)合加工技術(shù)同樣也是曲軸的未來發(fā)展方向之一。對曲軸加工過程中的強化技術(shù)加以研究，能更好的應(yīng)對不斷變化的市場需求。

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