論曲軸加工過程中的強化技術

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工藝加以研究，對國內外的曲軸加工技術展望。

關鍵詞：曲軸；強化技術；曲軸加工

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

曲軸是活塞式發動機的關鍵零件之一，其質量的好壞將直接影響到發動機的可靠性和使用壽命。隨著科技的發展和社會的不斷進步，發動機逐漸朝著輕量化、結構簡單化及性能優質化的方向發展，這就對作為發動機主要承受負荷零件之一的曲軸的剛度和強度有了更高的要求。若曲軸的質量達不到要求，在長時間、高轉速的情況下，很容易出現斷裂或失效現象。因此，如何改進曲軸加工方法，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、調質鋼及非調質鋼。球墨鑄鋼具有較好的強度和塑性，切削性能良好，力學性能與調質鋼相差不大但成本遠低于調質鋼，故而被廣泛應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質鋼或者非調質鋼制造。

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下進行澆注的工藝方法。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量，廢品率及穩定性都略差一下，但是其生產適應性強，成本低，生產效率高，因而其應用最廣泛。

2 幾種常見的曲軸加工強化技術工藝

通常曲軸的材料為高碳鋼球墨鑄鐵，熱處理后的曲軸應具有較強的抗疲勞性，軸頸應就有較強的耐磨性，因此加工過程中必須對曲軸進行表面強化處理，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，應對曲軸進行拋光處理。

氣體軟氮化處理后，曲軸的表面會產生一層致密的化合物，使曲軸表面結構均勻，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系數。

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，在此過程中進行一系列化學反應使曲軸表面產生一層氮化膜，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，促進曲軸表面對氮元素的吸收，促進金屬表面產生化合物。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）的熔融鹽液中進行預處理，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，且毒性較大污染環境，因此應用并不廣泛。

2.2 圓角噴丸處理

曲軸在運動中力的大小和方向都會發生改變產生交變應力，其軸頸面變化轉接圓角處產生應力疲勞和應變疲勞，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，連續的向曲軸軸頸面噴射，曲軸表面產生較大的塑形變形，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接圓角處應力分布不均，曲軸在工作中極易產生應力腐蝕降低曲軸使用壽命。曲軸經過噴丸處理后，由于受到丸粒流的撞擊，曲軸表面的金屬晶格發生了扭曲，產生強化層，其內部存在較高的殘余壓應力，使曲軸在工作中對拉應力有很好的阻止作用，這種處理后有效的抑制應力腐蝕，提高疲勞壽命。

隨著圓角噴丸處理技術的不斷發展，用于改善和提高曲軸的應力疲勞和應變疲勞已成為主要研究方向，采用計算機控制系統對噴丸流程進行監控，可以根據曲軸的實際情況控制噴丸的速度和質量，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控制曲軸的轉速和轉角，伺服液壓系統控制壓力負載，對曲軸的圓角進行滾壓。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，對擺差數據進行分析得出還應在哪些軸頸或連桿頸處再進行滾壓，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力集中，提高曲軸的疲勞強度；滾壓過程中產生的殘余應力，可以抵消曲軸在工作中的拉應力；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 復合強化處理

復合強化處理是對曲軸采用多種處理工藝進行強化處理，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行復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 結語

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

參考文獻

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