大長徑比12缸發動機凸輪軸中頻淬火研究

劉敬平 張冬梅

（焦作大學機電工程學院 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交變應力的作用下，磨損非常嚴重，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缸發動機凸輪軸是為博杜安M26柴油發動機系列產品中的12缸機配套開發的新產品。該凸輪軸要求采用中頻淬火，來提高軸頸與凸輪的疲勞強度和耐磨性。

二、零件的材料和技術要求

大長徑比12缸發動機凸輪軸（長1454 mm）零件（結構圖略）。材料為 CF53鋼，主要化學成分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、中頻淬火感應器的設計

表面中頻淬火是利用凸輪軸表層產生感應電流使工件快速加熱，在水、油等淬火介質作用下使晶粒細化，促使表面硬化的一種表面硬化方法。具有加熱速度快，生產效率高，工件氧化脫碳少、淬火變形小，易于實現機械化、自動化等優點。其工藝過程為：工件→感應加熱器→淬火溫度→水淬、油淬（晶粒細化）→回火。

中頻淬火感應器是感應加熱電路中的主要元件之一，它關系到零件淬火質量和熱處理的生產效率。常用凸輪軸表面中頻淬火的感應器有兩種結構，一種是圓環形，一種是仿形，如圖1所示。

圖1 中頻淬火感應器

采用圓形和桃形感應器中頻加熱時，凸輪桃尖部位硬化層深度不均勻，裂紋較多，不能滿足技術要求。其原因是表面中頻淬火時，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，造成淬火后殘余應力在工件桃尖處形成拉應力峰值并位于淬硬層內側，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器時，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，避免出現裂紋，使其符合質量的要求，設計一個如圖2所示葫蘆形的感應器。在進行淬火時，凸輪的基圓中心與3個定位片的中心同軸，在感應器中旋轉加熱，由于特殊的感應器形狀及導磁體鑲嵌方式，感應器基本上只有2/3有效圈對凸輪桃尖部位進行加熱，在120°范圍內，感應電流很小，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，在進行中頻淬火時，會產生相互影響，即下一個凸輪淬火時，會對前一個凸輪進行加熱，使其產生退火，從而影響淬火后各凸輪及軸頸的表面硬度及內在組織的質量。

為了消除淬火時的相互影響，保證淬火后各凸輪及軸頸的表面硬度及內在組織的質量，設計了如圖3所示的噴水裝置。在淬火感應器的感應圈有效圈側邊設有環形腔，環形腔兩側對稱設有進水管，環形腔內環表面周圈間隔均勻設置有出水孔及噴嘴。在進行淬火時，冷卻水從進水管進入環形腔并從出水孔及噴嘴上噴出，對工件側邊不需淬火的部位進行冷卻，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圈有效圈裝上硅鋼片導磁體，對相鄰的兩側的凸輪起到了屏蔽作用，克服了感應回火軟化現象。

圖2 用于凸輪淬火的葫蘆形感應器

四、淬火介質的選擇

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

在實際生產中，通過對多種淬火介質的使用結果進行對比，最終選用好富頓有限公司生產的AQ251作為該凸輪軸淬火介質。AQ251是水溶性淬火介質，冷卻速度介于油、水之間，可通過調節濃度來調節冷卻速度，是中碳鋼和中碳低合金鋼感應淬火比較理想的淬火劑。

在生產實踐中，通過對不同濃度的AQ251進行冷卻結果進行對比，表明濃度為7.5%～8.5%的AQ251淬火劑用于該凸輪軸感應淬火，可獲得比較好的產品質量。

AQ251使用過程中應注意淬火液濃度的變化，通過測定其冷卻速度來調整淬火液的濃度，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、結論

大長徑比12缸發動機凸輪軸已經在博杜安M26柴油發動機系列產品中的12缸機中使用，產品使用性能優良，具有足夠的強度、剛性、韌性和耐磨性，各項技術指標均符合主機配套的要求。