劉敬平 張冬梅

（焦作大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 河南焦作）

一、引言

凸輪軸在工作中受到周期變化的交變載荷作用，工作應(yīng)力主要集中在凸輪和軸頸上，尤其是凸輪外形在滾輪的往復(fù)交變應(yīng)力的作用下，磨損非常嚴(yán)重，為了保證凸輪軸具有足夠的使用壽命壽命，通常采用表面處理的方法，使凸輪軸工作表面具有足夠的硬度和耐磨性，其中表面中頻淬火是最常用的一種方法。大長徑比12缸發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸是為博杜安M26柴油發(fā)動(dòng)機(jī)系列產(chǎn)品中的12缸機(jī)配套開發(fā)的新產(chǎn)品。該凸輪軸要求采用中頻淬火，來提高軸頸與凸輪的疲勞強(qiáng)度和耐磨性。

二、零件的材料和技術(shù)要求

大長徑比12缸發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸（長1454 mm）零件（結(jié)構(gòu)圖略）。材料為 CF53鋼，主要化學(xué)成分C，0.50～0.57；S，0.010～0.025；Si，0.15～0.35；Mn，0.50～0.80；P，≤0.035。凸輪要求采用中頻淬火處理，凸輪范圍硬度59～63HRC，淬硬層深度（550HV3）=1.5～4 mm；基圓硬度≥55 HRC，淬硬層深度（475 HV3）=1.5～3 mm。

三、中頻淬火感應(yīng)器的設(shè)計(jì)

表面中頻淬火是利用凸輪軸表層產(chǎn)生感應(yīng)電流使工件快速加熱，在水、油等淬火介質(zhì)作用下使晶粒細(xì)化，促使表面硬化的一種表面硬化方法。具有加熱速度快，生產(chǎn)效率高，工件氧化脫碳少、淬火變形小，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。其工藝過程為：工件→感應(yīng)加熱器→淬火溫度→水淬、油淬（晶粒細(xì)化）→回火。

中頻淬火感應(yīng)器是感應(yīng)加熱電路中的主要元件之一，它關(guān)系到零件淬火質(zhì)量和熱處理的生產(chǎn)效率。常用凸輪軸表面中頻淬火的感應(yīng)器有兩種結(jié)構(gòu)，一種是圓環(huán)形，一種是仿形，如圖1所示。

圖1 中頻淬火感應(yīng)器

采用圓形和桃形感應(yīng)器中頻加熱時(shí)，凸輪桃尖部位硬化層深度不均勻，裂紋較多，不能滿足技術(shù)要求。其原因是表面中頻淬火時(shí)，桃尖部位溫度偏高，各部位溫差大，冷卻后，淬硬層組織不均勻，造成淬火后殘余應(yīng)力在工件桃尖處形成拉應(yīng)力峰值并位于淬硬層內(nèi)側(cè)，從而造成工件淬裂，效果不佳。

為了減小使用圓形和桃形感應(yīng)器時(shí)，凸輪桃尖部分的硬化層深度差別，控制桃尖部分中頻淬火后淬硬層深度，避免出現(xiàn)裂紋，使其符合質(zhì)量的要求，設(shè)計(jì)一個(gè)如圖2所示葫蘆形的感應(yīng)器。在進(jìn)行淬火時(shí)，凸輪的基圓中心與3個(gè)定位片的中心同軸，在感應(yīng)器中旋轉(zhuǎn)加熱，由于特殊的感應(yīng)器形狀及導(dǎo)磁體鑲嵌方式，感應(yīng)器基本上只有2/3有效圈對(duì)凸輪桃尖部位進(jìn)行加熱，在120°范圍內(nèi)，感應(yīng)電流很小，有效地降低凸輪桃尖部分的硬化層深度，有利于凸輪桃尖部分加熱溫度的均勻化。凸輪軸中頻淬火采用葫蘆形的感應(yīng)器，工件淬火組織均勻，基本消除了桃尖處淬火裂紋，工件成品合格率達(dá)95%以上，取得很好效果。

另外該凸輪軸的凸輪排列密集，間距＜8 mm，在進(jìn)行中頻淬火時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相互影響，即下一個(gè)凸輪淬火時(shí)，會(huì)對(duì)前一個(gè)凸輪進(jìn)行加熱，使其產(chǎn)生退火，從而影響淬火后各凸輪及軸頸的表面硬度及內(nèi)在組織的質(zhì)量。

為了消除淬火時(shí)的相互影響，保證淬火后各凸輪及軸頸的表面硬度及內(nèi)在組織的質(zhì)量，設(shè)計(jì)了如圖3所示的噴水裝置。在淬火感應(yīng)器的感應(yīng)圈有效圈側(cè)邊設(shè)有環(huán)形腔，環(huán)形腔兩側(cè)對(duì)稱設(shè)有進(jìn)水管，環(huán)形腔內(nèi)環(huán)表面周圈間隔均勻設(shè)置有出水孔及噴嘴。在進(jìn)行淬火時(shí)，冷卻水從進(jìn)水管進(jìn)入環(huán)形腔并從出水孔及噴嘴上噴出，對(duì)工件側(cè)邊不需淬火的部位進(jìn)行冷卻，防止該部分過熱保證加工工件不同部位的表面性能。

另外，還在在淬凸輪的感應(yīng)圈有效圈裝上硅鋼片導(dǎo)磁體，對(duì)相鄰的兩側(cè)的凸輪起到了屏蔽作用，克服了感應(yīng)回火軟化現(xiàn)象。

圖2 用于凸輪淬火的葫蘆形感應(yīng)器

四、淬火介質(zhì)的選擇

淬火冷卻是中頻淬火的關(guān)鍵工序，在整個(gè)淬火過程中，淬火介質(zhì)的選擇至關(guān)重要，正確選擇和合理使用淬火介質(zhì)，是保證淬火質(zhì)量的關(guān)鍵之一。淬火介質(zhì)最常用的是淬火油和水基淬火劑。對(duì)于碳鋼宜采用水或水基淬火介質(zhì)。

在實(shí)際生產(chǎn)中，通過對(duì)多種淬火介質(zhì)的使用結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，最終選用好富頓有限公司生產(chǎn)的AQ251作為該凸輪軸淬火介質(zhì)。AQ251是水溶性淬火介質(zhì)，冷卻速度介于油、水之間，可通過調(diào)節(jié)濃度來調(diào)節(jié)冷卻速度，是中碳鋼和中碳低合金鋼感應(yīng)淬火比較理想的淬火劑。

在生產(chǎn)實(shí)踐中，通過對(duì)不同濃度的AQ251進(jìn)行冷卻結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，表明濃度為7.5%～8.5%的AQ251淬火劑用于該凸輪軸感應(yīng)淬火，可獲得比較好的產(chǎn)品質(zhì)量。

AQ251使用過程中應(yīng)注意淬火液濃度的變化，通過測(cè)定其冷卻速度來調(diào)整淬火液的濃度，從而使其與新配制淬火液具有相同的冷卻性能，避免工件淬裂。

圖3 噴水裝置

五、結(jié)論

大長徑比12缸發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸已經(jīng)在博杜安M26柴油發(fā)動(dòng)機(jī)系列產(chǎn)品中的12缸機(jī)中使用，產(chǎn)品使用性能優(yōu)良，具有足夠的強(qiáng)度、剛性、韌性和耐磨性，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合主機(jī)配套的要求。