摘 要:通過上千根曲軸的多種對比工藝實驗及全國同行業(yè)的大量調(diào)研,找出了曲軸第三主軸頸跳動超差的原因,從而提出了解決措施。
關鍵詞:曲軸第三主軸頸跳動;鑄件內(nèi)應力;正火;定性
分類號:tg162.7 文獻標識碼:b
文章編號:1001-2265(2000) 02-0039-03
曲軸是柴油機重要的零部件,它傳遞著汽車運動所必需的力和力矩。由于曲軸在裝配過程中,與軸互間的配合有一定要求,故對主軸頸跳動要求較高,以免在發(fā)動機運行時發(fā)生曲軸的“抱瓦”或“燒瓦”等質(zhì)量事故。
我廠(云南內(nèi)燃機廠)曲軸長期以來一直存在著氮化后跳動超差率(跳動>0.08mm的百分率)高(達20%~40%之多)的質(zhì)量問題。在開始的一段時間內(nèi),多數(shù)人堅持認為,引起該質(zhì)量問題的主要是在曲軸的氮化或機加工階段。但是從機加工和氮化方面,我們通過提高加工要求(氮化前曲軸第三主軸頸的跳動用國產(chǎn)設備加工控制在0.05mm以內(nèi),國外設備則控制在0.03mm以內(nèi))、嚴格控制氮化工藝參數(shù)、嚴格校核氮化爐控溫儀表及嚴格工藝紀律檢查,均未解決此質(zhì)量問題。
1 曲軸氮化后跳動超差率高的原因
為尋找我廠曲軸氮化后跳動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驗及全國同行業(yè)的大量調(diào)研工作。通過對這些工藝實驗的結(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)應力。
球鐵內(nèi)應力大于灰鐵內(nèi)應力,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)應力釋放的定性溫度區(qū)域530~600℃內(nèi)),該內(nèi)應力便會被釋放出來并進行重新分布,從而造成曲軸的變形,即:氮化后曲軸跳動超差。氮化工序只是鑄件內(nèi)應力的一個體現(xiàn)場所,氮化后跳動超差也僅是鑄件內(nèi)應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超差的一個載體或一個外在因素,而引起曲軸氮化后跳動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)應力。
2 曲軸氮化前內(nèi)應力大的主要原因分析
我廠曲軸與錫柴曲軸主軸頸跳動概況和生產(chǎn)工藝過程對比見表1和表2。
表1 主軸頸跳動概況對比
對比項目 曲軸主軸頸跳動
技術(shù)要求 氮化后曲軸主軸頸跳動情況
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
zui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,但氮化后其跳動超差率仍然很高,并且跳動超差的數(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行噴霧,曲軸也固定地擺放在地面上。這種噴霧方式在冷卻時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,進而造成較大的鑄件內(nèi)應力。
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重不均勻的現(xiàn)象,有的曲軸僅大頭端面硬度差就達hb60~80;
②珠光體含量也發(fā)現(xiàn)有嚴重不均勻的現(xiàn)象。例如:在一次疲勞試驗的取樣中發(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)曲軸的定性設備加熱不均勻
我廠曲軸的定性是無架碼放在臺架上,用反射爐直接加熱,控溫點僅有一處,溫度的顯示值不能表示曲軸堆內(nèi)的實際溫度,實踐中也多次出現(xiàn)定性過燒的情況。由于溫度無法準確控制,該工序消除內(nèi)應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備、定性設備和我廠曲軸的正火設備、定性設備加以對比分析:
①錫柴曲軸的正火設備和定性設備的分析
錫柴曲軸氮化后跳動超差率低,與其使用的正火設備和定性設備緊密相關。它使用的正火設備為連續(xù)式正火爐,該爐分四個溫度控制區(qū)域,工件加熱均勻,溫控嚴格。在加熱后的冷卻過程中,曲軸被懸掛于爐內(nèi),四周可進行噴霧或吹風,整個冷卻過程非常均勻。為消除鑄件內(nèi)應力和機加工應力,錫柴在粗加工后的定性處理中,又采用的連續(xù)式定性電阻爐。該爐分六個溫度控制區(qū),溫度為600℃。定性曲軸每6件分兩層(少量),由小車送進爐一次(生產(chǎn)節(jié)拍為每半小時運行一車)。該爐特點是:定性加熱溫度均勻,溫控嚴格,工件受熱也均勻,能夠較為*地減少或消除鑄件內(nèi)應力和機加工應力,以達定性的目的。
②我廠曲軸的正火設備和定性設備的分析
我廠曲軸的正火設備自今年五月份以來改用電爐加熱,加熱較為均勻。定性設備則為反射爐,其加熱方式是通過燃燒煙煤進行加熱,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)卻只有一個溫區(qū),用一支熱電偶進行測溫,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,工件在定性時受熱就更加不均勻,同時還會造成曲軸在熱態(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
從我廠工藝實際和理論分析,我們認為: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,進而造成較大的鑄件內(nèi)應力;曲軸的定性加熱不均勻,難以進行嚴格的溫度控制,又將造成曲軸的定性失控,不能*消除鑄件內(nèi)應力,這是我廠曲軸第三主軸頸跳動超差的根本原因所在。
若我廠曲軸的生產(chǎn)仍按正火+定性+氮化工序進行。那么,要解決氮化后跳動超差率高的問題,同時又要滿足我廠的生產(chǎn)綱領,關鍵是要解決如下兩個問題:
(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設計要求的同時,應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)應力較為關鍵的一道工序。由于設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,就必須從定性設備及工件在爐內(nèi)的放置方式入手。定性設備必須滿足爐內(nèi)工件受熱均勻,溫度控制系統(tǒng)能真實地反映爐內(nèi)工件的溫度變化情況。經(jīng)參考錫柴使用的連續(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,在定性設備及工裝得以解決的情況下,我們認為曲軸的定性工序放在粗加工后進行較為合適。
找準引起我廠曲軸氮化后跳動超差率高的原因后,在現(xiàn)有設備的情況下,我們通過工藝實驗 (4100qb摻銅曲軸采用“風冷”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。該工藝實驗思路為:先將曲軸在鑄造時加入適量的銅進行合金化,使其在形成鑄態(tài)曲軸時,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)應力。這些較小鑄件內(nèi)應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)應力得以充分釋放和均勻再分布,從而達到消除殘余鑄件內(nèi)應力的目的。該工藝實驗zui后結(jié)果較為理想,146件實驗曲軸經(jīng)氮化后其第三主軸頸跳動超差率為:5.36%,該數(shù)值是關于第三主軸頸跳動實驗以來zui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)和實驗數(shù)據(jù)。
另外,由于曲軸在氮化階段不可避免地會因鑄件內(nèi)應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zui后一道工序),因無法得到修正而成為*的變形。為此建議:對于曲軸疲勞強度的強化處理采用中頻淬火+圓角滾壓工藝進行處理,這樣,在zui后的精磨階段可適當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用。
還有,對于跳動在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)切片取樣進行金相分析和疲勞試驗,均能達到設計技術(shù)要求。
(工藝實驗結(jié)果及分析略)
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