由于曲軸在裝配過程中，與軸互間的配合有一定要求，故對主軸頸跳動(dòng)要求較高，以免在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)生曲軸的“抱瓦”或“燒瓦”等質(zhì)量事故。曲軸是柴油機(jī)重要的零部件，它傳遞著汽車運(yùn)動(dòng)所必需的力和力矩。
我廠(云南內(nèi)燃機(jī)廠)曲軸長期以來一直存在著氮化后跳動(dòng)超差率(跳動(dòng)＞0.08mm的百分率)高(達(dá)20%～40%之多)的質(zhì)量問題。在開始的一段時(shí)間內(nèi)，多數(shù)人堅(jiān)持認(rèn)為，引起該質(zhì)量問題的主要是在曲軸的氮化或機(jī)加工階段。但是從機(jī)加工和氮化方面，我們通過提高加工要求(氮化前曲軸第三主軸頸的跳動(dòng)用國產(chǎn)設(shè)備加工控制在0.05mm以內(nèi)，國外設(shè)備則控制在0.03mm以內(nèi))、嚴(yán)格控制氮化工藝參數(shù)、嚴(yán)格校核氮化爐控溫儀表及嚴(yán)格工藝紀(jì)律檢查，均未解決此質(zhì)量問題。
1曲軸氮化后跳動(dòng)超差率高的原因
為尋找我廠曲軸氮化后跳動(dòng)超差率高的真正原因及解決措施，自1997年下半年起，我們先后作了上千根曲軸的多種對比工藝實(shí)驗(yàn)及全國同行業(yè)的大量調(diào)研工作。通過對這些工藝實(shí)驗(yàn)的結(jié)果及調(diào)研結(jié)果的綜合分析得出：引起我廠曲軸跳動(dòng)超差的真正原因是：曲軸在氮化前就存在著較大的鑄件內(nèi)應(yīng)力。
球鐵內(nèi)應(yīng)力大于灰鐵內(nèi)應(yīng)力，曲軸一經(jīng)氮化，在氮化溫度560～600℃下(本氮化溫度區(qū)正處于曲軸內(nèi)應(yīng)力釋放的定性溫度區(qū)域530～600℃內(nèi))，該內(nèi)應(yīng)力便會(huì)被釋放出來并進(jìn)行重新分布，從而造成曲軸的變形，即：氮化后曲軸跳動(dòng)超差。氮化工序只是鑄件內(nèi)應(yīng)力的一個(gè)體現(xiàn)場所，氮化后跳動(dòng)超差也僅是鑄件內(nèi)應(yīng)力在氮化階段重新分布的一種表現(xiàn)形式。因此，氮化工序只是曲軸氮化后跳動(dòng)超差的一個(gè)載體或一個(gè)外在因素，而引起曲軸氮化后跳動(dòng)超差的根本原因還在于曲軸在氮化前就存在著較大的鑄件內(nèi)應(yīng)力。
2曲軸氮化前內(nèi)應(yīng)力大的主要原因分析
我廠曲軸與錫柴曲軸主軸頸跳動(dòng)概況和生產(chǎn)工藝過程對比見表1和表2。
表1主軸頸跳動(dòng)概況對比
對比項(xiàng)目 曲軸主軸頸跳動(dòng)技術(shù)要求 氮化后曲軸主軸頸跳動(dòng)情況
氮化前 氮化后 合格率(≤0.08mm的百分率) 超差率(＞0.08mm的百分率) 超差最大值(mm) 超差曲軸處理方式
我廠曲軸 ≤0.05mm ≤0.08mm 60%～80% 20%～40% 0.85 熱校
錫柴曲軸 ≤0.04mm ≤0.08mm 95% 5% 0.25 熱校
表2工藝路線對比
生產(chǎn)廠家 工藝路線
我廠曲軸 鑄造-正火-回火-定性-機(jī)加工-氮化-拋光-裝配
錫柴曲軸 鑄造-正火-粗加工-定性-精加工-氮化-拋光-裝配
我廠曲軸采用與錫柴曲軸相同的熱處理方式，但氮化后其跳動(dòng)超差率仍然很高，并且跳動(dòng)超差的數(shù)值較大，這說明我廠曲軸在氮化前普遍存在著較大的鑄件內(nèi)應(yīng)力。經(jīng)分析，其主要原因是：
(1)曲軸正火冷卻不均勻
我廠曲軸的正火冷卻方式是采用霧冷，噴霧源單一且在某一固定方向上進(jìn)行噴霧，曲軸也固定地?cái)[放在地面上。這種噴霧方式在冷卻時(shí)極易造成曲軸向著噴霧源的一邊冷卻快，背向噴霧源的一邊則冷卻慢。由于曲軸的正火冷卻不均勻，便產(chǎn)生了硬度不均勻及珠光體含量不均勻，進(jìn)而造成較大的鑄件內(nèi)應(yīng)力。
①在日常的曲軸生產(chǎn)中，無論定性與否，其本體硬度都在HB170～250的范圍內(nèi)，均偏低或達(dá)不到圖紙要求(圖紙要求為HB240～320)。在抽檢中還多次發(fā)現(xiàn)，同一根曲軸上有硬度嚴(yán)重不均勻的現(xiàn)象，有的曲軸僅大頭端面硬度差就達(dá)HB60～80；
②珠光體含量也發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重不均勻的現(xiàn)象。例如：在一次疲勞試驗(yàn)的取樣中發(fā)現(xiàn)，同一曲軸的同一截面上，其珠光體含量相差30%之多。
(2)曲軸的定性設(shè)備加熱不均勻
我廠曲軸的定性是無架碼放在臺(tái)架上，用反射爐直接加熱，控溫點(diǎn)僅有一處，溫度的顯示值不能表示曲軸堆內(nèi)的實(shí)際溫度，實(shí)踐中也多次出現(xiàn)定性過燒的情況。由于溫度無法準(zhǔn)確控制，該工序消除內(nèi)應(yīng)力也就處于無法控制的狀態(tài)。
下面分別將錫柴曲軸的正火設(shè)備、定性設(shè)備和我廠曲軸的正火設(shè)備、定性設(shè)備加以對比分析：
①錫柴曲軸的正火設(shè)備和定性設(shè)備的分析
錫柴曲軸氮化后跳動(dòng)超差率低，與其使用的正火設(shè)備和定性設(shè)備緊密相關(guān)。它使用的正火設(shè)備為連續(xù)式正火爐，該爐分四個(gè)溫度控制區(qū)域，工件加熱均勻，溫控嚴(yán)格。在加熱后的冷卻過程中，曲軸被懸掛于爐內(nèi)，四周可進(jìn)行噴霧或吹風(fēng)，整個(gè)冷卻過程非常均勻。為消除鑄件內(nèi)應(yīng)力和機(jī)加工應(yīng)力，錫柴在粗加工后的定性處理中，又采用專用的連續(xù)式定性電阻爐。該爐分六個(gè)溫度控制區(qū)，溫度為600℃。定性曲軸每6件分兩層(少量)，由小車送進(jìn)爐一次(生產(chǎn)節(jié)拍為每半小時(shí)運(yùn)行一車)。該爐特點(diǎn)是：定性加熱溫度均勻，溫控嚴(yán)格，工件受熱也均勻，能夠較為徹底地減少或消除鑄件內(nèi)應(yīng)力和機(jī)加工應(yīng)力，以達(dá)定性的目的。
②我廠曲軸的正火設(shè)備和定性設(shè)備的分析
我廠曲軸的正火設(shè)備自今年五月份以來改用電爐加熱，加熱較為均勻。定性設(shè)備則為反射爐，其加熱方式是通過燃燒煙煤進(jìn)行加熱，加熱的均勻程度絕大部分取決于人為的操作。反射爐爐膛較大，一爐可定性800～900件曲軸，但其測溫系統(tǒng)卻只有一個(gè)溫區(qū)，用一支熱電偶進(jìn)行測溫，因此，在這種反射爐中用這種測溫系統(tǒng)測出的溫度只能代表爐內(nèi)熱電偶附近的溫度，不能代表整個(gè)爐內(nèi)工件的受熱溫度。顯然，溫度難以控制是造成加熱不均勻的一個(gè)重要原因。另外，值得一提的是，我廠曲軸的定性通常一爐定800～900件，且曲軸在爐內(nèi)的放置方式是堆放，這樣，工件在定性時(shí)受熱就更加不均勻，同時(shí)還會(huì)造成曲軸在熱態(tài)下的互相擠壓等不良現(xiàn)象，增加了曲軸的變形趨勢。
3解決措施
從我廠工藝實(shí)際和理論分析，我們認(rèn)為：曲軸的正火冷卻階段由于冷卻介質(zhì)與工件接觸不均勻，造成冷卻過程中工件各部位的冷卻速度不均勻，進(jìn)而造成較大的鑄件內(nèi)應(yīng)力；曲軸的定性加熱不均勻，難以進(jìn)行嚴(yán)格的溫度控制，又將造成曲軸的定性失控，不能徹底消除鑄件內(nèi)應(yīng)力，這是我廠曲軸第三主軸頸跳動(dòng)超差的根本原因所在。
若我廠曲軸的生產(chǎn)仍按正火+定性+氮化工序進(jìn)行。那么，要解決氮化后跳動(dòng)超差率高的問題，同時(shí)又要滿足我廠的生產(chǎn)綱領(lǐng)，關(guān)鍵是要解決如下兩個(gè)問題：
(1)解決曲軸正火階段的質(zhì)量問題
在保證曲軸的硬度、珠光體含量合乎圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求的同時(shí)，應(yīng)力求使曲軸具有較為均勻的正火冷卻過程，使獲得的硬度及珠光體含量也較均勻，從而，使曲軸在正火階段形成的內(nèi)應(yīng)力較小且分布較均勻。
(2)解決曲軸的定性工序質(zhì)量問題
定性工序是減少或消除鑄件內(nèi)應(yīng)力較為關(guān)鍵的一道工序。由于設(shè)備上的原因及曲軸在爐內(nèi)的放置方式上的原因，我廠曲軸幾乎沒有起到“定性”的作用。因此，要解決我廠曲軸的定性質(zhì)量問題，就必須從定性設(shè)備及工件在爐內(nèi)的放置方式入手。定性設(shè)備必須滿足爐內(nèi)工件受熱均勻，溫度控制系統(tǒng)能真實(shí)地反映爐內(nèi)工件的溫度變化情況。經(jīng)參考錫柴使用的專用連續(xù)式定性電阻爐，從“溫控一定要均勻，工件受熱一定要均勻，擺放一定要合理，同時(shí)提高定性溫度使之略高于氮化溫度”這一思路去解決定性設(shè)備的選用?，F(xiàn)階段，必須改變大量曲軸在爐內(nèi)的堆放及互相擠壓的放置方式，這可從工裝上加以考慮。另外，在定性設(shè)備及工裝得以解決的情況下，我們認(rèn)為曲軸的定性工序放在粗加工后進(jìn)行較為合適。
找準(zhǔn)引起我廠曲軸氮化后跳動(dòng)超差率高的原因后，在現(xiàn)有設(shè)備的情況下，我們通過工藝實(shí)驗(yàn)(4100QB摻銅曲軸采用“風(fēng)冷”的正火冷卻方式及電爐回火工藝方案)尋求行之有效的解決措施。該工藝實(shí)驗(yàn)思路為：先將曲軸在鑄造時(shí)加入適量的銅進(jìn)行合金化，使其在形成鑄態(tài)曲軸時(shí)，就可使其組織形成大量的珠光體(約70%～75%左右)，在隨后的正火階段冷卻過程中，采用冷卻速度較慢、易控制的較均勻的風(fēng)冷。這樣，既滿足了曲軸組織的珠光體含量，又滿足了曲軸正火的冷卻過程中形成較小的鑄件內(nèi)應(yīng)力。這些較小鑄件內(nèi)應(yīng)力在隨后的電爐定性回火中，由于溫度均勻易控(600℃，略高于氮化溫度590℃)，回火中曲軸相互隔離無擠壓，內(nèi)應(yīng)力得以充分釋放和均勻再分布，從而達(dá)到消除殘余鑄件內(nèi)應(yīng)力的目的。該工藝實(shí)驗(yàn)最后結(jié)果較為理想，146件實(shí)驗(yàn)曲軸經(jīng)氮化后其第三主軸頸跳動(dòng)超差率為：5.36%，該數(shù)值是關(guān)于第三主軸頸跳動(dòng)實(shí)驗(yàn)以來最為理想的一次，它為解決我廠曲軸長期以來一直存在的問題提供了有力的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
另外，由于曲軸在氮化階段不可避免地會(huì)因鑄件內(nèi)應(yīng)力的釋放和重新分布造成曲軸變形。這種曲軸變形在采用氮化工藝后(氮化工藝必須放在曲軸加工工序的最后一道工序)，因無法得到修正而成為永久的變形。為此建議：對于曲軸疲勞強(qiáng)度的強(qiáng)化處理采用中頻淬火+圓角滾壓工藝進(jìn)行處理，這樣，在最后的精磨階段可適當(dāng)修正曲軸在前工序帶來的變形。這種工藝方法目前已在一些大型汽車廠家如一汽、二汽、神農(nóng)汽車廠和天津夏利汽車廠等得到廣泛的應(yīng)用。
還有，對于跳動(dòng)在0.30mm以下的已超差的曲軸，在購買的定性回火電爐到廠之前，我們采用熱校正的辦法來加以利用。這些熱校超差曲軸經(jīng)切片取樣進(jìn)行金相分析和疲勞試驗(yàn)，均能達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)要求。
（轉(zhuǎn)載）
