曲軸是發(fā)動機的心臟，曲軸的質(zhì)量直接影響汽車整機的質(zhì)量。轎車用發(fā)動機曲軸軸頸通常采用中頻感應(yīng)淬火工藝，一汽集團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、法蘭及止推面進行表面處理，這種工藝已有二十余年的歷史。隨著科技的進步，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生產(chǎn)廠已經(jīng)開始對曲軸的圓角進行強化處理，這樣能極大地提高曲軸的使用壽命及轎車整機質(zhì)量。
按照傳統(tǒng)生產(chǎn)作業(yè)方式，曲軸不進行圓角淬火，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)負荷，而主軸頸和連桿頸還要承受強烈的摩擦。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，對曲軸圓角進行滾壓，對曲軸進行整體氮化等。試驗證明，圓角感應(yīng)淬火曲軸有z高的疲勞強度（996MPa），圓角滾壓曲軸疲勞強度次之（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，是提高曲軸疲勞強度z經(jīng)濟、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，提高曲軸的疲勞強度，彌補由于加長沖程造成的疲勞強度降低。
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行，試驗使用的設(shè)備為德國SMS公司生產(chǎn)的曲軸淬火機床（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），圓角淬火強化的單拐彎曲疲勞試驗結(jié)果如表7所示。圓角不淬火強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)動機廠
13581588593
