凸轮轴感应加热淬火设备和工艺
东风汽车公司发动机厂(十堰市 442049)
赵显恕
发表于《金属热处理》1998年第11期
汽油机凸轮轴感应加热表面淬火有两种工艺方法，一种是逐个凸轮加热冷却，另一种是全部凸轮同时加热冷却。目前国内生产厂家都采用前一种，一方面，由于受到设备条件的限制，另一方面这种工艺方法更适合于多品种小批量的生产方式。我厂利用卧式淬火机床配国内新开发的大功率可控硅中频电源，对EQ491发动机铸铁凸轮轴的8个凸轮一次感应加热淬火，满足了产品图纸的技术质量要求。
1 凸轮轴表面淬火的技术要求
EQ491发动机凸轮轴的材料为铬钼合金铸铁，其化学成分如表1。
表1 铬钼合金铸铁的化学成分 w（%）
| C |
Si |
Mn |
S |
P |
Cr |
Mo |
| 3.36 |
2.34 |
0.87 |
0.12 |
0.053 |
0.87 |
0.39 |
铬钼合金铸铁凸轮轴加热前的金相组织如图1a、b所示，为B型石墨+细珠光体+网状碳化物。
凸轮毛坯在铸态进行感应加热淬火，淬火的技术要求是表面硬度50-60HRC，桃尖硬化层深度为4.6mm-10.0mm，基圆硬化层深度为1.5mm-8.0mm。
2 感应加热淬火设备
用于EQ491发动机凸轮轴感应加热淬火的设备是卧式淬火机床和可控硅中频装置。
卧式淬火机床的结构如图2所示，主要由装料辊1、托架5等组成，其中尾架9和头架10由同一长活塞杆带动，沿两平行的圆导轨左右移动，其作用是将推杆4送来的工件送入和退出感应器3，托架5将受热后的工件传递到滚筒7的顶尖位置，滚筒上对称分布着4对顶尖，图示为其中一对顶尖的待工位置，当它顶住工件后带动工件自转，同时滚筒转动90°，将工件送入淬火介质。当第2对处于待工位置的顶尖顶住下—受热工件后，滚筒再转动90°，第1对顶尖松开，工件落在运输机6上，运输机将它提出液面并送往下道工序。
用于加热的感应器如图3所示，由8个有效圈并联而成，有效圈通水冷却。
机床侧边安装有热交换器，用于降低淬火介质的温度。淬火介质通过高压泵在淬火介质箱与热交换器之间循环，经过 热交换器冷却后的淬火介质以0.4MPa的压力在淬火介质箱中向加热后的工件喷出。
工件在机床内的传递由活塞油缸实现。 淬火机床的全部动作由FX2-128MR PC机控制，当手动调至总零位灯亮时，自动循环工作开始。
3 感应加热淬火工艺
淬火机床的结构确定后，8个凸轮感应加热淬火的工艺方法随之确定了，这一工艺方法就是工件进入感应器中，一次通电加热，工件退出感应器后转入淬火介质，浸液冷却淬火。淬火所采用的工艺参数如表2。
表2 凸轮轴感应加热淬火工艺参数
| 电 参 数 |
时间参数/s |
淬火介质 |
| 直流电压/V |
直流电流/A |
中频电压/V |
有效功率/kW |
电容量/uF |
变压器匝比 |
中频电频率/kHz |
加热 |
预冷 |
浓度（%） |
温度/℃ |
搅动泵出口压力/MPa |
| 380 |
800 |
620 |
350 |
180 |
18/1 |
3.7 |
13 |
2 |
11 |
10-40 |
0.4 |
淬火后的工件露出液面时要有一定的余热，以便利用余热回火，消除淬火应力。控制工件出液温度高低的方法有两种，一种是调整工件在淬火介质中的停留时间，可以通过改变运输机6间歇运动时间的长短来实现。另一种方法是改变淬火介质的浓度。我们使用的淬火剂是今禹8-20水溶性淬火剂，其冷却能力随浓度的提高而下降。
4 感应加热淬火质量
8个凸轮一次感应加热浸液冷却后，硬化层的深度和淬火硬度如表3。从表3可以看出两项指标都达到产品图的技术要求。从凸轮淬火部位剖面图中可以看出，硬化层均匀，位置正确。
表3 凸轮轴淬火硬度、硬化层深度
| 凸轮序号 |
淬火硬度 HRC |
硬化层深度/mm |
| 尖部 |
基圆 |
| 1 |
51 53.5 55 |
7.8 |
5.7 |
| 2 |
52 54 54 |
7.2 |
6.0 |
| 3 |
55 55.5 53 |
10.0 |
6.5 |
| 4 |
53 53 56 |
7.5 |
6.4 |
| 5 |
50 51 52.5 |
9.6 |
7.3 |
| 6 |
56 55 56 |
10.3 |
7.5 |
| 7 |
54 52 54 |
10.8 |
7.7 |
| 8 |
52 50 52 |
9.5 |
7.0 |
凸轮轴淬火后，径向跳动增加值经测试为0.15mm，可以不经校直满足下道工序的要求。淬火介质的温度在l0℃-40℃范国内，淬火后的凸轮经荧光探伤检查无淬火裂纹。
5 结论
(1)凸轮轴卧式淬火机床配用大功率的可控硅中频电源可以实现汽油机凸轮轴一次感应加热，浸液冷却，余热回火的工艺方法。不仅淬火质量稳定，面且自动化程度高，有利于大批量生产。
(2)采用今禹8-20水溶性淬火剂，可以控制工件在低温阶段的冷却速度，即使淬火介质的温度为10℃，合金铸铁凸轮轴淬火也不产生淬火裂纹，这是用自来水冷却达不到的。
(3)用紫钢板焊接的8个并联有效圈感应器不仅结构简单，而且安装可靠，使用寿命长。