PM泵凸輪軸磨削裂紋控制方法的探討

童景琳 鐘莉娟 王志增

(①河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南焦作454003;②信陽師范學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院，河南信陽464000;③一拖(洛陽)燃油噴射有限公司，河南洛陽471039)

凸輪軸是柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)直列式噴油泵中的核心性能元件，通過凸輪軸的旋轉(zhuǎn)，噴油泵高壓腔產(chǎn)生很高的泵端壓力，同時(shí)凸輪軸自身也承受了較大的載荷，磨削裂紋使凸輪軸在使用過程中容易產(chǎn)生早期磨損，甚至出現(xiàn)碳層剝落，直接影響噴油泵的耐久性和可靠性。一拖(洛陽)燃油噴射公司生產(chǎn)的PM泵，使用中經(jīng)常在凸輪軸凸輪升程表面出現(xiàn)磨削裂紋，技術(shù)人員經(jīng)過多次的工藝改進(jìn)，有效控制了凸輪軸凸輪磨削裂紋的產(chǎn)生。本文從熱處理質(zhì)量和機(jī)械加工工藝兩方面闡述精磨凸輪過程中產(chǎn)生的磨削裂紋的原因，并提出了預(yù)防措施。

1 凸輪軸的技術(shù)要求及加工工藝

一拖(洛陽)燃油噴射公司生產(chǎn)的凸輪軸(圖1)其所用的材料為20CrMo或20CrMnTi，淬火硬度要求為58～63 HRC，凸輪工作表面滲碳深度0.8～1.2 mm，凸輪滲碳層表面含碳量應(yīng)不低于共析成分。凸輪工作表面顯微組織應(yīng)為細(xì)針狀馬氏體+碳化物+少量殘留奧氏體，碳化物級別為1～4級合格，馬氏體與殘留奧氏體為1～4級合格［1-2］。凸輪軸的加工工藝路線為:鍛造→正火→機(jī)械粗加工→滲碳→高溫回火→去碳機(jī)械半精加工→淬火→低溫回火→噴砂→機(jī)械精加工→磁力探傷裂紋→去磁。凸輪從半精加工到精加工留有單邊0.4 mm的加工余量。

2 磨削裂紋狀況

如果鍛件材料沒有缺陷，凸輪基圓表面一般沒有裂紋。通過磁力探傷觀察及金相觀察，磨削裂紋只出現(xiàn)在凸輪的升程面上，深度較淺，且深度基本一致。較輕的磨削裂紋垂直于或接近垂直于磨削方向的平行線，為規(guī)則排列的條狀裂紋，長度約為3～6 mm，深度大致為0.03～0.15 mm，寬度為0.001～0.01 mm，如圖2。

3 原因分析

磨削時(shí)工件表面的溫度可能高達(dá)820～840℃或更高。淬火鋼的組織是馬氏體和一定數(shù)量的殘余奧氏體，處于膨脹狀態(tài)，如果將其表面快速加熱至100℃左右并迅速冷卻時(shí)，必然產(chǎn)生收縮，這種收縮僅發(fā)生在表面，其基體仍處于膨脹狀態(tài)，從而使表面層承受拉應(yīng)力而產(chǎn)生微裂紋;當(dāng)溫度升至300℃時(shí)，表面再次產(chǎn)生收縮，再次生成裂紋。馬氏體的膨脹收縮隨著鋼含碳量的增加而增大，故碳素工具鋼和滲碳淬火鋼產(chǎn)生磨削裂紋尤為嚴(yán)重。

另外，如果在磨削時(shí)冷卻不充分，淬火鋼的殘余奧氏體在磨削時(shí)受磨削熱的影響即發(fā)生分解，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，這種新生的馬氏體集于表面，引起工件局部體積膨脹，使表面層產(chǎn)生附加的組織應(yīng)力，再加上磨削所形成的熱量使工件表面的溫度升高極快，這種組織應(yīng)力和熱應(yīng)力的迭加就可能導(dǎo)致磨削表面出現(xiàn)磨削裂紋。此外，新生的馬氏體脆性較大，磨削也容易加速磨削裂紋的產(chǎn)生。另一方面，磨床上磨削工件時(shí)，工件既受壓力，又受拉力，在兩力的共同作用下形成磨削裂紋。由此可見，磨削裂紋很可能是磨削熱和磨削力共同作用的結(jié)果。

4 控制措施

根據(jù)原因分析，在加工過程中，采取有針對性的措施進(jìn)行控制，并獲得了較好的效果。

4.1 熱處理

由于每一根成品凸輪軸要經(jīng)過正火、滲碳、高溫回火、淬火、低溫回火5次關(guān)鍵的熱處理工序，每一次熱處理顯微組織中碳化物的形態(tài)、分布都會(huì)影響磨削裂紋的生成，如果碳化物數(shù)量較多，形狀呈大塊狀或網(wǎng)狀，分布不均或集聚存在時(shí)，將明顯地分割金屬的基體，降低其強(qiáng)度。尤其當(dāng)以網(wǎng)狀析出時(shí)，則會(huì)嚴(yán)重地削弱晶間結(jié)合力，降低金屬熱傳導(dǎo)系數(shù)，加劇磨削裂紋生成。如果碳化物細(xì)小、均勻分布，則有利于分散磨削應(yīng)力，從而減少生成磨削裂紋的機(jī)率。根據(jù)多年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對熱處理的主要工序提出具體要求(表1)。

4.1.1 正火

正火的主要目的是降低毛坯硬度，細(xì)化晶粒，以便進(jìn)行切削加工;消除殘余應(yīng)力，以防止鋼件的變形、開裂;改善組織以提高鋼件的機(jī)械性能;為最終的熱處理作好金相組織上的準(zhǔn)備［3］。為防止磨削裂紋的產(chǎn)生，正火組織必須為均勻塊狀珠光體+鐵素體級別達(dá)到1～4級。

表1 凸輪軸熱處理主要工序

4.1.2 滲碳

滲碳的主要目的是使工件表面獲得碳濃度為0.8%～0.9%的滲碳層，通過后續(xù)熱處理使表面得到馬氏體組織，以得到高硬度和耐磨性的硬化層。為防止磨削裂紋的產(chǎn)生，滲碳后的碳化物級別要嚴(yán)格控制在1～4級，滲碳層深度應(yīng)控制在1.6～2.0 mm(凸輪軸產(chǎn)品圖凸輪工作表面滲碳深度0.8～1.2 mm)，如滲碳層過深不僅會(huì)產(chǎn)生磨削裂紋，而且降低生產(chǎn)效率、增大工件變形量。

4.1.3 淬火

淬火的主要目的是獲得馬氏體組織，提高硬度和耐磨性。凸輪軸淬火溫度應(yīng)采用(830±10)℃以得到細(xì)針狀馬氏體組織。淬火溫度若高于840℃，淬火后會(huì)得到粗針狀馬氏體和較多殘余奧氏體，不僅增大組織應(yīng)力、工件變形量，而且增加磨削裂紋敏感性。

4.1.4 回火

回火的主要目的是降低鋼中的殘余應(yīng)力和脆性，得到高的硬度和耐磨性。凸輪軸的回火溫度應(yīng)控制在(240±10)℃，這樣使凸輪軸表面回火硬度控制在產(chǎn)品圖要求的下限硬度58～60 HRC，既滿足了圖紙要求又可減少磨削裂紋的產(chǎn)生。行業(yè)經(jīng)驗(yàn)證明，當(dāng)?shù)吞己辖痄摷庸さ耐馆嗇S滲碳淬火回火后，其硬度高于61 HRC時(shí)，磨削加工時(shí)，在其升程面容易出現(xiàn)磨削裂紋。

4.2 機(jī)械加工

正確選用砂輪，選擇合理的磨削用量及改善冷卻條件等對降低磨削裂紋的產(chǎn)生具有重要作用。因此對機(jī)械加工工序提出具體工藝方法如下。

4.2.1 恒磨除率磨削

在凸輪軸以恒轉(zhuǎn)速進(jìn)行磨削時(shí)，由于凸輪輪廓升程的不斷變化，凸輪輪廓各點(diǎn)的線速度也不斷變化，引起磨削的不均勻，磨削過程中金屬磨除率隨著凸輪輪廓面曲線變化而變化，按“基圓—升程—桃尖—頂圓—回程—基圓”的順序，金屬磨除率變化規(guī)律為，當(dāng)凸輪升程面磨削時(shí)，凸輪磨削點(diǎn)處的瞬時(shí)線速度和加速度會(huì)瞬時(shí)增大，磨削力增大使磨削溫度升高，從而引起凸輪升程面出現(xiàn)磨削裂紋。采用變速恒磨除率控制，使工件在不同的磨削點(diǎn)處，工件轉(zhuǎn)速不同，磨削點(diǎn)處凸輪輪廓的線速度基本保持不變，以保證在磨削凸輪一周的過程中，金屬磨除率基本保持不變，磨削力變化不大，由此可減少凸輪升程面的磨削裂紋。為控制凸輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)變速恒磨除率控制磨削加工凸輪，選用德國埃瑪克公司生產(chǎn)的全數(shù)控凸輪磨床(KOPP-SN204)，方便地實(shí)現(xiàn)了恒磨除率磨削，與采用靠模生產(chǎn)的凸輪磨床相比，凸輪軸的磨削裂紋有明顯降低。

4.2.2 高速磨削

提高砂輪的工作線速度可明顯提高磨削效率和磨削比，減小磨削力，從而減少磨削裂紋的產(chǎn)生。為實(shí)現(xiàn)高速磨削，選用陶瓷CBN砂輪磨削凸輪軸，砂輪線速度達(dá)到100 m/s，德國埃瑪克公司生產(chǎn)的全數(shù)控凸輪磨床主軸和整機(jī)具有很高的剛性和良好的抗振性，能夠保證磨削工件的精度和表面質(zhì)量。

4.2.3 保持良好的砂輪狀態(tài)

磨削裂紋產(chǎn)生的基本原因是磨削熱。一般而言，選用硬度較軟、粒度較粗的砂輪進(jìn)行磨削，可以有效降低磨削熱，但如果粒度太粗，會(huì)影響工件的表面粗糙度。實(shí)驗(yàn)表明，采用這種加工方法，需增加砂帶拋光工序，生產(chǎn)效率較低。若選用粒度較為鋒利的砂輪，及時(shí)清除砂輪表面積屑，減小背吃刀量，增加磨削次數(shù)，降低工作臺速度，同樣可有效減少磨削熱量。為此，要選擇合適的砂輪修整時(shí)間和修整器的速度，保證砂輪工作時(shí)既不要太鈍，也不要太鋒利。

4.2.4 粗磨和精磨分開

凸輪表面含碳量越高導(dǎo)熱性越差，通過二次裝夾可減少磨削熱積聚，適當(dāng)消除磨削應(yīng)力。一次磨削選用粒度較粗的軟砂輪磨削，去余量0.2 mm，主要去除過共析層，以減少磨削熱的產(chǎn)生。二次磨削時(shí)磨削余量已較小，基本為共析層，熱傳導(dǎo)能力明顯提高，磨削裂紋會(huì)顯著降低。按照粗精分開原則，兩次磨削分別在兩臺磨床上進(jìn)行粗磨和精磨，是一種比較理想的方法。但需注意，必須保證裝夾定位準(zhǔn)確可靠，否則會(huì)造成工件不能完全磨成型，產(chǎn)生廢品。

4.2.5 增加工件時(shí)效時(shí)間

剛出爐的工件，待工件自然冷卻后(冷卻到常溫)才能進(jìn)行磨削。如果在時(shí)間允許的情況下，讓工件自然時(shí)效1～2個(gè)月，消除應(yīng)力后再進(jìn)行磨削，這樣會(huì)大大減少磨削裂紋的產(chǎn)生。

4.2.6 保持潔凈磨削

磨削液中的砂粒，磨屑等雜質(zhì)，不僅對凸輪軸的精度、粗糙度有不利影響，而且會(huì)破壞潤滑膜，成為裂紋源。因此必須將磨削液中的雜質(zhì)過濾清除。一般采取的措施為，一是磨削液定期更換，二是磨削液要采用過濾措施。在實(shí)驗(yàn)中，磨削液使用磁性過濾器、渦旋分離器及濾紙三級過濾系統(tǒng)進(jìn)行凈化處理，基本消除了磨削液的不良影響。

4.2.7 使用高壓大流量磨削液

采用較大壓力和流量的冷卻液裝置，磨削時(shí)能將足夠的磨削液送入磨削區(qū)，進(jìn)行高效的潤滑、冷卻和清洗，將熱量帶走，降低磨削區(qū)的溫度，并避免砂輪堵塞。

5 結(jié)語

影響磨削裂紋產(chǎn)生的因素雖然很多，但最基本的因素是磨削熱和磨削應(yīng)力，在工件熱處理和磨削工藝方面綜合考慮，采取有效措施控制磨削熱和磨削應(yīng)力，就可以有效地防止磨削裂紋的產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)表明，在熱處理和磨削工藝方面，采取上述措施后，廢品率由原來的10%降低到2%，大大提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

［1］史美堂.金屬材料與熱處理［M］.上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，1990.

［2］柴油機(jī)燃油系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)匯編［S］.無錫油泵油嘴研究所，1996.

［3］鄧東密，鄧杰.柴油機(jī)噴油系統(tǒng)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，1996.