氣門淬硬層深度硬度重復性差原因和解決方法一例

■ 周小偉

1. 問題的引出

某型氣門桿端帽形淬火時出現(xiàn)淬硬層硬度和深度重復性差的現(xiàn)象。淬火要求如附圖所示。檢查氣門材料成分、調(diào)質(zhì)硬度、尺寸等與表面淬火結(jié)果有關的指標未發(fā)現(xiàn)異常，工藝方法也未改變，于是主要從設備方面分析改進。

2. 工藝設備簡介和原因分析

淬火工藝為空冷、沖擊淬火，加熱時間0.55s左右，使用導磁體。加熱電源為200kHz的MOSFET逆變電源，功率通過調(diào)節(jié)工頻整流晶閘管的導通角來改變直流電壓實現(xiàn)。直流電壓采用閉環(huán)PI調(diào)節(jié)，加熱電源直接由低壓電網(wǎng)供電，淬火機床為雙工位機床。工件在感應器中的位置由氣缸活塞運行的兩個極限位置確定。此位置的檢測由T5101行程開關執(zhí)行，再通過控制繼電器的動作把檢測結(jié)果傳遞到控制淬火過程的PLC中。淬火加熱時間由PLC控制（PLC接有HMI）。感應器與電源的冷卻外配水冷機。導磁體的冷卻還使用了壓縮空氣空冷，壓縮空氣供應與氣動回路用氣供給共用主氣管。

淬火后淬硬層深度和硬度不一致的原因往往是多種多樣的，我們認為與設備及環(huán)境等方面相關的有以下幾個問題。

首先，我們檢查加熱電源的供電電壓是否穩(wěn)定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，早晨上班時，也是取樣時，供電電壓是不太穩(wěn)定的，但變化一般不超過4%；中午和晚上電源供電電壓會高10%以上。電壓偏移均超過2.5%的可接受范圍。然而，即使在供電電壓穩(wěn)定的時段內(nèi)仍然有淬硬層深度、硬度重復性差的情況。由此可見，供電電壓變化只是原因之一而不是全部原因。

其次，加熱時氣門在感應器中的位置嚴重影響加熱功率，進而影響到淬硬層深度和硬度。本臺設備中用普通的行程開關檢測氣門是否到達感應器中的加熱位置，檢測誤差可能達到2mm。尤其調(diào)整不恰當時更易造成較大誤差。有時氣門未到位（檢測不準）就加熱或者氣門未停穩(wěn)（穩(wěn)定時間太短）就加熱。這些情況將嚴重影響加熱功率的重復性，最終影響到淬硬層深度和硬度。試驗發(fā)現(xiàn)這是淬硬層深度、硬度重復性差的主要原因。

淬火要求圖例

再次，由于整個加熱時間很短，加熱時間不大的偏差對加熱溫度就有較大的影響，尤其影響內(nèi)部溫度，最終影響淬硬層深度。試驗證明，時間相差0.01s時淬硬層深度差異可達0.1～0.4mm，因此時間控制誤差對最終淬硬層深度甚至硬度也有較大影響 。PLC定時的重復性受到其本身定時精度、工作速度和掃描時間等多方面的影響是比較低的。

最后，由于導磁體距工件很近、居里溫度又較低（180℃左右），加熱時容易超溫失磁。如冷卻不足或不穩(wěn)定，其導磁性將不穩(wěn)定，因而導磁體的冷卻也影響到淬硬層深度、硬度的重復性。

3. 改進方案

針對上述原因，采取一系列的綜合措施來解決淬硬層深度、硬度重復性差的問題。對于電網(wǎng)電壓的影響，采取增加補償式穩(wěn)壓電源（穩(wěn)壓精度可達1%）來降低電網(wǎng)電壓變化的影響，使加熱電源的供電電壓變化（重復性）小于1.5%。對氣門加熱時的位置問題，改進位置檢測元件，將原T5101行程開關改成DWDD-605接近開關并采用較薄的感應塊。位置檢測重復精度可控制在0.01mm以內(nèi)。修改PLC程序，確保氣缸運行到加熱位置穩(wěn)定后才加熱。檢測到氣門到位后再延時一段時間才開始加熱。加熱過程中檢測到氣門不在加熱位置則停止加熱并報警。對于加熱時間控制的改進，采用了外加精密時間繼電器H5CX取代PLC時間控制進行外部控制。時間控制精度可達0.01s以下。

對于導磁體的冷卻問題，調(diào)低冷卻水溫度的同時調(diào)小冷水機（冷卻感應器和電源的電氣元器件）的水溫控制偏差并加強運行監(jiān)視；增加導磁體專用壓縮空氣冷卻氣管。此冷卻氣體不但冷卻導磁體，還對氣門桿端的冷卻起一定的作用，因此其穩(wěn)定性是很重要的。實際上，當前述影響因素只是單一存在時不一定導致產(chǎn)品不合格，怕的是疊加影響，因此對各單一影響因素要從嚴控制。

4. 改進效果

通過改進，明顯發(fā)生了下列變化。過去那種常工作約2h后加熱溫度明顯降低（看火色即可知），從而使淬硬層深度變淺甚至硬度降低的現(xiàn)象沒有了。實際上，工作一段時間后，冷卻水溫上升，加熱時導磁體冷卻變差，其溫升增高，溫度可能超過居里點。過去那種到了中午或晚上加熱溫度顯著升高到必須調(diào)整參數(shù)才能保證產(chǎn)品合格的現(xiàn)象沒有了。這實際上是安裝了穩(wěn)壓電源后基本消除了電網(wǎng)電壓變化對加熱的影響。只要氣缸因機械卡阻、壓縮空氣壓力不穩(wěn)等原因不能精確到達并穩(wěn)定停在工作點，就不會開始加熱或中途停止加熱并報警。這些措施消除了前述問題引起的淬硬層深度和硬度重復性差的現(xiàn)象。

[1] 周小偉. 氣門沖擊淬火硬度一致性差原因分析[J].《內(nèi)燃機與配件》，2011（11）：30.

[2] 巫莉，等. 電氣控制與PLC應用 [M]. 北京：中國電力出版社，2010.