16缸曲軸中頻感應淬火變形的系統解決方案 System Solution of Medium Frequency Induction Hardening Deformation of 16 Cylinder Crankshaft

張倉平 ZHANG Cang-ping 李二紅 LI Er-hong 張彥崗 ZHANG Yan-gang 王春草 WANG Chun-cao 張曉輝 ZHANG Xiao-hui

摘要：16缸曲軸中頻感應淬火變形是曲軸制造過程中的一個關鍵工藝難題，在科研試制中，通過對變形控制方法的認識，以降低自由狀態下曲軸感應淬火變形水平、維護曲軸結構變形規律為思路，提出了著眼曲軸制造全過程，系統的制定控制感應淬火變形的解決方案，突破了大長徑比曲軸的感應淬火變形工藝瓶頸，滿足了批產的需求。

Abstract： Medium frequency induction quenching deformation of 16 cylinder crankshaft is a key process problem in the manufacturing process of crankshaft. In the scientific research and trial production， through the understanding of deformation control methods， taking reducing the deformation level of crankshaft induction quenching in free state and maintaining the deformation law of crankshaft structure as the idea， this paper puts forward a solution to systematically formulate and control induction quenching deformation focusing on the whole process of crankshaft manufacturing， It breaks through the bottleneck of induction quenching deformation process of crankshaft with large aspect ratio and meets the demand of mass production.

關鍵詞：變形;控制;系統;改善

Key words： deformation;control;system;improve

中圖分類號：TF111? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）22-0102-03

0? 引言

曲軸是發動機的核心運動部件，惡劣的工況要求曲軸的表面具有較高的耐磨性和抗疲勞強度，而中頻感應淬火是一種應用比較廣泛的表面強化方法，它具有加熱范圍小、時間短、電效率高、性能穩定、變形小等優點，是曲軸表面強化處理的主流方法，中頻感應淬火必然會引起曲軸的變形，如果變形量過大，就會導致后續機械加工的余量不足，產生廢品，甚至成為工藝瓶頸，因此解決中頻感應淬火的變形問題是必須面對的工藝難題。

曲軸表面的中頻感應淬火分為兩種情況，一種是圓角不淬硬的，另一種是圓角淬硬的，在中頻感應淬火過程中，一般圓角不淬硬的變形小，而圓角淬硬的變形大，對于圓角不淬硬的曲軸，一方面由于感應淬火變形較小，通過淬火參數調節、曲軸受力狀態改善等常規方法，一般都可以將感應淬火變形控制在工藝要求的范圍內，另一方面，即使變形稍大也可以進行校正操作，將變形量校正到工藝要求的范圍內。

而對于圓角淬硬的曲軸則不同，除了感應淬火變形較大以外，為避免圓角部分開裂，都要求在淬硬的情況下不能進行校正操作，因此對于圓角淬硬的曲軸，對變形的控制較困難。

某型號16缸柴油機曲軸，長度2245mm、主軸頸?143mm、連桿頸?106mm，采用圓角中頻感應淬火進行表面強化，表面硬度49-53HRC。由于該曲軸要求圓角淬硬再加上本身長徑比較大，因此它的中頻感應淬火的變形量比較大，根據以往的科研試制數據，在自由狀態下感應淬火變形量為1mm-3mm之間，這種變形量遠超出工藝要求的范圍，從后續的機械加工工藝看，如果感應淬火后曲軸的變形量控制在0.7mm以內，再經過對中心孔的修正，基本可以滿足后續加工對余量的要求，因而0.7mm變形量是變形控制的最低要求，而現在國內最高水平是將感應淬火后的變形增加量控制在0.4mm以內，這一變形指標在控制上有一定的難度。

1? 常用感應淬火變形控制方法

曲軸的中頻感應淬火變形控制方法總結起來大體有以下幾種：

方法之一是調整法。它是通過對感應淬火參數的調及曲軸在感應淬火時的受力狀態的改善，來達到減小在曲軸感應淬火變形的目的。淬火參數調整主要是對加熱時間調整，確定它們的依據是零件對感應淬火層深度和機械性能的要求，而與感應器線圈的質量密切相關，固定的感應器可調整的時間范圍很窄;而對曲軸在淬火時受力狀態的調整，一般是保持曲軸與淬火機床主軸中心線水平，以及盡量取消或減小對曲軸施加的任何外力，使曲軸在加熱和冷卻時能自由伸縮。調整法是一種比較被動的變形調整，不能對感應淬火變形進行主動控制，但是調整法是一種基本的減小變形的方法，可以應用在所有曲軸的變形控制中。

方法之二是反變形法，它是在中頻感應淬火之前進行，在圓角未淬硬的情況下，對曲軸主軸線進行一定的預變形，使它與感應淬火后的變形互相抵消，從而達到減小曲軸總變形的目的。因為反變形法是在中頻感應淬火之前前進行，因此必須要掌握曲軸中頻感應淬火的變形規律，準確掌握變形量的范圍，以此來確定所要進行的反變形量，顯而易見這種預判反變形量是比較困難的，同時誤差也不可控，不能實時進行反變形量的調整，對于批量生產來說存在較大的風險。

方法之三是固持法，它是在中頻感應淬火之后的低溫回火時進行，類似于尺寸熱固定，根據感應淬火后曲軸的變形情況，在低溫回火時對曲軸施加一個不大的反變形作用力，并在低溫回火全過程中保持這種作用力，使曲軸緩慢產生一定量的反向變形。

實際上在科研試制中發現，在圓角已經淬硬的情況下，采用固持法對曲軸的變形效果很微小，幾乎可以忽略不計，因此它一般應用在曲軸的主軸頸和連桿軸頸分批進行感應淬火的情況下，比如先將連桿軸頸感應淬火，在淬主軸頸之前要先對連桿軸頸進行低溫回火，此時應用固持法能對曲軸變形起一定的作用，原理上它不是對已淬硬的圓角產生變形作用，而是對未淬火的圓角產生變形作用。

方法之四是淬火過程同步變形控制法，這是在曲軸和科研試制中發明的一種新型的變形控制方法，它是在感應淬火過程中與感應加熱同步進行的，它的感應淬火工作方式如圖1所示。

曲軸1被水平放置在感淬火夾具上，5個滾輪支撐及壓緊部件2分別間隔安置在主1、主3、主5、主7、主9五個主軸頸上，在感應淬火時可以進行壓緊和松開操作;感應淬火夾具和可移動支架4固定連接，可以進行左右移動和高低調整，以保證曲軸主軸線與機床主軸線同軸;機床的三爪卡盤夾緊曲軸最左端并帶動曲軸旋轉，感應加熱器3的半圓線圓對曲軸的未放置滾輪支撐及壓緊部件4的軸頸進行感應淬火。

這種方法的變形控制原理是：當軸頸在加熱時，隨著溫度的升高材料的屈服強度會顯著降低，此時通過一定方式施加外力，更容易實現對圓角部位的變形，圓角部位的變形引起曲臂向外擴張，進而導致曲軸主軸線產生變形，由于與軸頸相連的曲臂的相位角各不相同，因而不同軸頸感應淬火使主軸線的變形方向也各不相同，根據所掌握的曲軸結構變形規律，通過對不同軸頸的操作，或施加壓力或不施加壓力，就能實現對主軸線變形方向和大小的控制。由于這種變形控制方法是與感應淬火同步進行的，因而它能根據變形大小實時進行調整。

以上幾種感應淬火變形控制方法通常情況下都是幾種組合使用，我們現在使用的方法是調整法、固持法、及淬火過程同步控制方法這三種方法的組合。

因為曲軸材料具有較高的屈服強度，使它產生變形十分困難，每種方法所能實現的變形控制范圍是有限的，一般不超過0.5mm，甚至更小，即便是幾種方法組合使用，對于變形較大的大長徑比曲軸來說，也不能完全使變形控制在工藝要求的范圍內，有一部分仍然無法控制，也就是說，單純的變形控制并不能完全解決感應淬火的問題。

2? 曲軸狀態的改善

在過去科研攻關中曾用到反變形法控制曲軸的中頻感應淬火變形，由于對曲軸感應淬火變形規律沒有完全掌握，控制效果不理想，在近期的科研攻關中采用的感應淬火同步變形控制方法時也發現，如果曲軸主軸線的高點位置偏離某一位置時，變形控制效果就不理想，這些情況提示我們曲軸感應淬火的變形控制還要考慮其它方面的因素，即曲軸狀態的改善。

曲軸變形包括變形大小和變形方向，從變形大小來說，如果曲軸在自由狀態下進行感應淬火的變形太大，例如變形量超過2mm，因為以上所述的每一種變形控制方法的可調控范圍都不大，那么運用它們進行控制變形的結果可能無法達到工藝的要求;從變形方向來說，它代表著曲軸感應淬火的結構變形規律，無論是反變形法，還是感應淬火同步控制法，都是基于曲軸的結構變形規律，如果這種規律被破壞，也就無法實現變形控制。所以曲軸的狀態改善包括兩方面，一方面，改善曲軸狀態使它在自由狀態下進行感應淬火的變形盡可能的小，另一方，改善曲軸狀態使它能按照本身具有的結構變形規律變形，兩方面都具備了，才有可能使曲軸感應淬火變形可靠受控。

影響曲軸自由狀態下的感應淬火變形大小的因素主要有感應淬火參數、感應淬火時曲軸的受力、曲軸重力、感應加熱部位的結構、曲軸感應淬火前機加變形量及曲軸淬火前的應力狀態等，其中影響較大的就是曲軸淬火前的應力狀態，如果曲軸存在較大的殘余應力，以及不平衡的內應力分布，那么在感應淬火時的變形就會變大，殘余內應力和前面的機械加工有關，而不平衡內應力則主要和前面工序的校直有關，通常要經過高溫時效處理進行殘余應力消除及內應力平衡。

更重要的是曲軸結構變形規律的影響因素，最主要的有鍛造、調質處理變形、及加工過程中的各種校直。整體模鍛件合理的金屬纖維流向、調質處理時小的變形都有利于保持曲軸的結構變形規律，而極具破壞性的是制造過程中的校直，它是產生不平衡內應力的重要因素，它不僅使感應淬火變形變大而且能改變變形方向，甚至使變形方向變得雜亂無章。校直的根源還是變形過大，變形過大不能滿足加工工藝要求就會進行校直操作。

因此，曲軸的感應淬火變形控制，不僅要在感應淬火時進行變形控制，還要在曲軸加工的全過程進行變形控制，包括減小調質處理的變形以及減小機械加工中的各種變形，只有曲軸的狀態得到改善，即自由狀態下感應淬火變形在較低水平、曲軸的結構變形規律不被破壞，這種狀態下才能進一步實現變形控制。

3? 曲軸感應淬火對后續加工的影響

曲軸中頻感應淬火是曲軸制造過程中的一個重要環節，通過變形控制，不僅要滿足后續磨削余量的要求，還要考慮對后續加工的影響。

曲軸在感應淬火后的機械加工工序大體包括孔系加工和軸頸精磨兩部份，最關鍵的是軸頸磨削加工，感應淬火對后續加工影響體現在以下二個方面：

其一是孔系加工。

通常情況下孔系的加工都放在感應淬火之前進行，但有時由于感應淬火變形控制的需要，會調整到感應淬火后進行，如果有這種調整，那么要對孔系加工引起主軸線的變形要進行評估，并采取必要的措施和方法，使之產生的變形不會使主軸線的變形量再增加，如果無法做到這一點，那么感應淬火變形控制中的結構調整措施就不能進行。

其二是曲軸的直線尺寸。

感應淬火過程中強烈的冷卻過程，使軸頸表在產生收縮，其結果是曲軸的直線尺寸會變短，因此要對這種尺寸的收縮量進行評估，對磨削的軸向加工余量是否有影響，并在感應淬火前進行合理的補償。

4? 控制感應淬火變形的系統解決方案

通過以上的分析，使我們認識到曲軸中頻感應淬火的變形控制并非僅僅是某一個工序某一個點的變形控制，它與曲軸的整個制造過程都是相關的，因此解決感應淬火變形問題，必須著眼全局，系統地制定相應的解決方案。16缸曲軸感應淬火變形控制方案主要從三方面進行制定：

第一方面，曲軸狀態改善。主要包括鍛造采用整體模鍛、減小調質處理變形、減小械加工變形、消除校正操和、高溫時效平衡應力分布;

第二方面，感應淬火變形控制。主要包括變形單元結構改變、加工工藝調整、淬火參數調整、淬火過程同步變形控制、固持法變形控制;

第三方面，消除感應淬火對后續加工的影響。主要包括消除孔系加工變形影響、直線尺寸補償。

通過曲軸狀態的改善使曲軸不僅保持它的結構變形規律，而且使自由狀態下感應淬火的變形能保持在較低水平，在此前提下，應用各種變形控制方法，使曲軸感應淬火變形控制在較小范圍內，并采取措施消除了以后續加工不利的影響。

通過對一個批次9根曲軸的連櫝感應淬火，曲軸主軸線的最大變形量見表1。

從數據看，感應淬火后有6根軸的跳動進入0.4mm以內，其余兩根加工余最小于0.7mm，也能滿足機加工要求，后面的孔系加工和磨削加工也能順利進行不受影響?？傮w結果符合預期，說明制定的加工方案正確可行，可以在下一步的批量生產中進一步應用。

5? 結語

曲軸感應淬火變形控制不僅需要具體的變形控制方法，還要有系統解決問題的全局觀，做好曲軸加工過程的每一步，最后的結果往往就是水到渠成。這種解決問題的方法不僅成功攻克了16缸曲軸的感應淬火變形問題，為16缸曲軸的批量生產消除了瓶頸，同時也為其它類似產品做好了技術儲備。

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