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曲軸軸頸圓角淬火工藝
 
曲軸軸頸圓角淬火工藝

概述

 
曲軸是發動機的心臟,曲軸的質量直接影響汽車整機的質量。轎車用發動機曲軸軸頸通常采用中頻感應淬火工藝,一汽集團在曲軸表面熱處理上主要采用旋轉淬火技術,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,現在多數知名的汽車及柴油機生產廠已經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量。
 
按照傳統生產作業方式,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,是最薄弱的部位,也是曲軸受力最大的部位。曲軸工作時所受到的力是相當復雜的,主軸頸、連桿頸和曲柄臂受力情況各不相同,但主要承受反復彎曲和扭轉負荷,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首要任務。
 
曲軸斷裂多為疲勞斷裂,而疲勞源位于曲軸受力最大的連桿頸下止點R圓角處,故曲軸軸頸經過感應淬火后,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,曲軸毛坯經去應力退火,有效地消除了鍛造過程產生的應力,使得其后冷加工應力減小,淬火前應力得到釋放,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,圓角感應淬火曲軸有最高的疲勞強度(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,公司沒有生產設備及能力;針對公司設備的實際情況,采用曲軸圓角感應淬火的方法,只需增加感應器及工藝,投入最小,見效最快,是提高曲軸疲勞強度最經濟、有效的方法。下面對一種曲軸軸頸圓角淬火工藝加以介紹。
 
 
曲軸熱處理工藝現狀
 
曲軸主要承受交變的彎曲-扭轉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。其中疲勞斷裂多數是軸頸與曲柄過渡圓角處產生疲勞裂紋,隨后向曲柄深處發展造成曲軸斷裂,其次是軸頸中部的油道內壁產生裂紋,發展為曲柄處斷裂。
 
我公司所生產的曲軸的結構如圖1所示,所用材料為TL124(鑄鐵)/ TL1438(鑄鋼)。
 
曲軸鍛造工藝:圓棒加熱到溫,鍛打成形、去飛邊、扭曲拐、整形、調質、校直、去應力。
 
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,絕大多數都要經過校直,校直前擺差分布不均,多數在0.3~0.4mm。
 
本項目研究的目的就是通過曲軸圓角感應淬火處理,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  曲軸結構
 
 
經過分析、討論,確定優選方案1,并對實施方案1產生的結果進行分析,包括硬度、淬硬層、金相組織、疲勞試驗數據,通過對金相組織的變化進行分析,尋找引起變形的應力源,制定去除應力的方法,確定最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,在井式爐中去應力處理。
 
(2)感應器設計制造
根據曲軸產品圖及相關熱處理技術要求,設計曲軸圓角淬火感應器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、連桿頸淬火感應器
 
圖3  法蘭淬火感應器
 
需指出的是,主軸頸和連桿頸淬火感應器的內徑尺寸及開檔尺寸(寬度)是不同的,產品直徑不同,導致感應器不同(結構一致),感應器設計的間隙也不一樣(依據加熱效率、設備功率大小而定)。
 
(3)圓角淬火試驗
試驗在一汽公司曲軸車間進行,試驗使用的設備為德國SMS公司生產的曲軸淬火機床(Elotherm Verfahren),采用的工藝參數如表3所示。使用的淬火冷卻介質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如表4所示。
 
 
 
(4)變形測量( 圓角淬火 )
曲軸毛坯經560℃、6h懸掛去應力退火后,用曲軸毛坯專用測量規測量其變形,結果如表5所示,圓角不淬火后變形量測量結果如表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果如表7所示。圓角不淬火強化單拐彎曲疲勞試驗結果如表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
 
結果分析
 
(1)根據曲軸淬火后切樣照片,分析淬硬層分布情況,可以看出,第一主軸頸(其上的裂紋經分析為線切割應力裂紋,與淬火無關)淬硬層深度滿足要求,帶寬稍寬;第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;第三主軸頸也存在同樣問題,需要減少爬高處的功率分配。根據分析結果,提出在感應器的結構上更改方案,主要是調整感應器有效圈與曲軸需加熱部位的間隙,調整導磁體的分布,完善加熱效果。
 
(2)根據試拐的疲勞數據,按照QC/T637—2000標準,計算圓角未感應淬火曲軸的彎矩疲勞極限。
 
(3)由統計計算結果可知,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。
 
 
結語
 
(1)曲軸毛坯經560℃、6h懸掛去應力退火,再經冷加工、感應淬火后,通過變形量測量,要比原工藝進行冷加工變形量要小很多,甚至不經校直就可以進入精磨加工。
 
(2)為控制變形及得到均勻的淬硬層,調整了頂尖的擺差;另外恢復了電源在連桿頸上、下止點的功率分配功能,也解決了連桿頸上止點處斜油孔出現淬火裂紋的問題。
 
(3)通過疲勞試驗得知,經過圓角強化的曲軸,相對圓角不強化的曲軸,疲勞強度大幅提高,其提高程度與圓角處的淬硬層深度和表面質量密切相關。按存活率為99.9%的彎矩疲勞極限M-1計算,為圓角不淬火的2.1倍,對延長曲軸乃至柴油機的使用壽命,防止曲軸斷裂,起到決定性的作用。
 

作者:趙海潮

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