曲軸是發(fā)動機(jī)的心臟，曲軸的質(zhì)量直接影響汽車整機(jī)的質(zhì)量。轎車用發(fā)動機(jī)曲軸軸頸通常采用中頻感應(yīng)淬火工藝，一汽集團(tuán)在曲軸表面熱處理上主要采用旋轉(zhuǎn)淬火技術(shù)，對主軸頸、連桿頸、法蘭及止推面進(jìn)行表面處理，這種工藝已有二十余年的歷史。隨著科技的進(jìn)步，人們對曲軸熱處理的要求也越來越高，現(xiàn)在多數(shù)知名的汽車及柴油機(jī)生產(chǎn)廠已經(jīng)開始對曲軸的圓角進(jìn)行強(qiáng)化處理，這樣能極大地提高曲軸的使用壽命及轎車整機(jī)質(zhì)量。
按照傳統(tǒng)生產(chǎn)作業(yè)方式，曲軸不進(jìn)行圓角淬火，但是曲軸的破壞方式恰恰就是從圓角處斷裂，是z薄弱的部位，也是曲軸受力z大的部位。曲軸工作時所受到的力是相當(dāng)復(fù)雜的，主軸頸、連桿頸和曲柄臂受力情況各不相同，但主要承受反復(fù)彎曲和扭轉(zhuǎn)負(fù)荷，而主軸頸和連桿頸還要承受強(qiáng)烈的摩擦。曲軸的損壞形式主要是疲勞引起的斷裂和軸頸的磨損，因此提高曲軸疲勞強(qiáng)度是擺在我們面前的任務(wù)。
曲軸斷裂多為疲勞斷裂，而疲勞源位于曲軸受力z大的連桿頸下止點R圓角處，故曲軸軸頸經(jīng)過感應(yīng)淬火后，可以提高軸頸硬度，增加其耐磨性，且軸頸圓角淬火后，曲軸的疲勞強(qiáng)度大幅提高，從而其疲勞斷裂的可能性大幅減小。另外，曲軸毛坯經(jīng)去應(yīng)力退火，有效地消除了鍛造過程產(chǎn)生的應(yīng)力，使得其后冷加工應(yīng)力減小，淬火前應(yīng)力得到釋放，淬火后變形量也大幅減小。
提高曲軸疲勞強(qiáng)度有兩種方法：一是選取不同的材料，如用合金材料取代45鋼；二是采用不同的工藝，如對45鋼曲軸采用圓角感應(yīng)淬火，對曲軸圓角進(jìn)行滾壓，對曲軸進(jìn)行整體氮化等。試驗證明，圓角感應(yīng)淬火曲軸有z高的疲勞強(qiáng)度（996MPa），圓角滾壓曲軸疲勞強(qiáng)度次之（890MPa），氮化曲軸第三（720MPa）。采用圓角滾壓的方法，配套設(shè)備投資較大，需2000多萬元；采用氮化的方法，效率低，公司沒有生產(chǎn)設(shè)備及能力；針對公司設(shè)備的實際情況，采用曲軸圓角感應(yīng)淬火的方法，只需增加感應(yīng)器及工藝，投入z小，見效z快，是提高曲軸疲勞強(qiáng)度z經(jīng)濟(jì)、有效的方法。下面對一種曲軸軸頸圓角淬火工藝加以介紹。
曲軸熱處理工藝現(xiàn)狀
曲軸主要承受交變的彎曲-扭轉(zhuǎn)載荷和一定的沖擊載荷，軸頸表面還受到磨損。曲軸在使用過程中的主要失效方式有疲勞斷裂和軸頸表面的嚴(yán)重磨損兩種。其中疲勞斷裂多數(shù)是軸頸與曲柄過渡圓角處產(chǎn)生疲勞裂紋，隨后向曲柄深處發(fā)展造成曲軸斷裂，其次是軸頸中部的油道內(nèi)壁產(chǎn)生裂紋，發(fā)展為曲柄處斷裂。
曲軸鍛造工藝：圓棒加熱到溫，鍛打成形、去飛邊、扭曲拐、整形、調(diào)質(zhì)、校直、去應(yīng)力。曲軸冷加工工藝，采用以銑代磨，軸頸表面有銑痕；銑完之后有校直工序，要求擺差在0.2mm以內(nèi)，絕大多數(shù)都要經(jīng)過校直，校直前擺差分布不均，多數(shù)在0.3～0.4mm。本項目研究的目的就是通過曲軸圓角感應(yīng)淬火處理，提高曲軸的疲勞強(qiáng)度，彌補(bǔ)由于加長沖程造成的疲勞強(qiáng)度降低。
感應(yīng)淬火工藝試驗
1. 方案制定
首先確定圖1曲軸作為試驗對象，其在工作中承受的載荷比普通曲軸要大，軸頸強(qiáng)化后的變形量也比普通曲軸要大，準(zhǔn)備10～20根鍛造后的曲軸毛坯用于試驗。試驗方案如表1所示。
圖1 曲軸結(jié)構(gòu)
經(jīng)過分析、討論，確定優(yōu)選方案1，并對實施方案1產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行分析，包括硬度、淬硬層、金相組織、疲勞試驗數(shù)據(jù)，通過對金相組織的變化進(jìn)行分析，尋找引起變形的應(yīng)力源，制定去除應(yīng)力的方法，確定Z佳曲軸圓角強(qiáng)化工藝。
2. 變形控制
變形控制方法如表2所示。
3. 方案實施
（1） 曲軸毛坯懸掛去應(yīng)力
按方案1，將20根EA211曲軸毛坯按560℃、6h垂直懸掛工藝，在井式爐中去應(yīng)力處理。
（2）感應(yīng)器設(shè)計制造
根據(jù)曲軸產(chǎn)品圖及相關(guān)熱處理技術(shù)要求，設(shè)計曲軸圓角淬火感應(yīng)器3套，包括主軸頸、連桿頸及法蘭三種類型，如圖2、圖3所示。
圖2 主軸頸、連桿頸淬火感應(yīng)器
圖3 法蘭淬火感應(yīng)器
需指出的是，主軸頸和連桿頸淬火感應(yīng)器的內(nèi)徑尺寸及開檔尺寸（寬度）是不同的，產(chǎn)品直徑不同，導(dǎo)致感應(yīng)器不同（結(jié)構(gòu)一致），感應(yīng)器設(shè)計的間隙也不一樣（依據(jù)加熱效率、設(shè)備功率大小而定）。
（3）圓角淬火試驗
試驗在一汽公司曲軸車間進(jìn)行，試驗使用的設(shè)備為德國SMS公司生產(chǎn)的曲軸淬火機(jī)床（Elotherm Verfahren），采用的工藝參數(shù)如表3所示。使用的淬火冷卻介質(zhì)為好富頓水溶性淬火劑AQ251, 防銹劑AQ211。配比：3%～5%。圓角不淬火工藝參數(shù)如表4所示。
（4）變形測量（ 圓角淬火 ）
曲軸毛坯經(jīng)560℃、6h懸掛去應(yīng)力退火后，用曲軸毛坯專用測量規(guī)測量其變形，結(jié)果如表5所示，圓角不淬火后變形量測量結(jié)果如表6所示。
（5）疲勞試驗
曲軸軸頸淬火疲勞試驗采用單拐曲拐（見圖4），圓角淬火強(qiáng)化的單拐彎曲疲勞試驗結(jié)果如表7所示。圓角不淬火強(qiáng)化單拐彎曲疲勞試驗結(jié)果如表8所示。
圖4 單拐曲拐
（6）金相檢驗
圓角不淬火和淬火切樣如圖5、圖6所示。
圖5 圓角不淬火切樣
圖6 圓角不淬火切樣
結(jié)果分析
（1）根據(jù)曲軸淬火后切樣照片，分析淬硬層分布情況，可以看出，d一主軸頸（其上的裂紋經(jīng)分析為線切割應(yīng)力裂紋，與淬火無關(guān)）淬硬層深度滿足要求，帶寬稍寬；d二連桿頸上止點爬高處有過熱傾向，需要減少此處的功率分配；d三主軸頸也存在同樣問題，需要減少爬高處的功率分配。根據(jù)分析結(jié)果，提出在感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)上更改方案，主要是調(diào)整感應(yīng)器有效圈與曲軸需加熱部位的間隙，調(diào)整導(dǎo)磁體的分布，完善加熱效果。
（2）根據(jù)試拐的疲勞數(shù)據(jù)，按照QC/T637—2000標(biāo)準(zhǔn)，計算圓角未感應(yīng)淬火曲軸的彎矩疲勞極限。
（3）由統(tǒng)計計算結(jié)果可知，所得M-1滿足置信度為95%、相對誤差≤5%的要求，其存活率為50%的彎矩疲勞極限M-1（50%）= 1358.333N·m；其存活率為99.9%%的彎矩疲勞極限M-1（99.9%）= 1161.682 N·m。
作者：趙海潮
單位：一汽大眾汽車有限公司成都發(fā)動機(jī)廠
13581588593
