淺析曲軸淬火機(jī)的可靠性改進(jìn)

羅 豐

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

隨著小排量渦輪增壓汽油發(fā)動機(jī)的普及，對發(fā)動機(jī)核心部件——曲軸的加工提出了更高的要求，為了提高增壓發(fā)動機(jī)曲軸的耐磨性，曲軸生產(chǎn)普遍采用了表面淬火的制造工藝，使軸頸表面形成一層特殊的硬化層。表面淬火工藝對相應(yīng)的機(jī)床提出了更高的要求，但是在實(shí)際生產(chǎn)中，因?yàn)闄C(jī)床原因?qū)е碌膯栴}也屢見不鮮，提升曲軸感應(yīng)淬火機(jī)床的可靠性，對保證機(jī)床的開動率及零件質(zhì)量都有非常重要的意義。

1 感應(yīng)加熱表面淬火原理及零件工藝要求

1.1 感應(yīng)加熱淬火的原理及分類

將工件放在用空心銅管繞成的或者實(shí)體銅材機(jī)加工制成的感應(yīng)器內(nèi)，通入高頻交流電后，在工件表面形成同頻率的的感應(yīng)電流，將零件表面迅速加熱（幾秒鐘內(nèi)即可升溫800～1 000℃，心部仍接近室溫）后立即噴淬火液冷卻，使工件表面層淬硬，如圖1。

圖1 感應(yīng)加熱系統(tǒng)原理簡圖

根據(jù)零件熱處理工藝要求選擇頻率，頻率越高加熱的深度越淺：高頻（10 kHz以上）加熱的深度為0.5~2.5 mm，一般用于中小型零件的加熱，如小模數(shù)齒輪及中小軸類零件等；中頻（1~10 kHz）加熱深度為2~10 mm，一般用于直徑大的軸類和大中模數(shù)的齒輪加熱；工頻（50 Hz）加熱淬硬層深度為10~20 mm，一般用于較大尺寸零件的透熱，大直徑零件的表面淬火[1]。

1.2 曲軸產(chǎn)品表面感應(yīng)加熱和淬火工藝要求

某曲軸連趕頸總寬22.15 mm，表面感應(yīng)淬火后，要求總淬硬層深度不小于2 mm，有效淬火層深度最小1 mm，非淬火區(qū)域?qū)挾炔恍∮?3.6 mm，且淬硬區(qū)域不得到達(dá)溝槽邊緣；主軸頸總寬23.15 mm，表面感應(yīng)淬火后，要求總淬硬層深度不小于2 mm，有效淬火層深度最小1 mm，非淬火區(qū)域?qū)挾炔恍∮?4.75 mm，淬硬區(qū)域不得到達(dá)溝槽邊緣。見圖2和圖3。

圖2 連趕頸淬火工藝尺寸要求

圖3 主軸頸淬火工藝尺寸要求

美國Inductotherm公司感應(yīng)加熱淬火設(shè)備采用靜置式的加熱方法，即加熱及淬火過程工件和感應(yīng)器都保持靜止，如圖4所示；德國SMS-Elotherm公司的感應(yīng)加熱淬火設(shè)備采用騎跨式的方法，加熱過程中工件旋轉(zhuǎn)，感應(yīng)器也隨工件動作，兩者保持相對靜止，如圖5所示。由于淬火后硬化層金相組織、位置度要求，因此兩種機(jī)床的感應(yīng)電源、淬火液循環(huán)系統(tǒng)都必須有良好的穩(wěn)定性，機(jī)床定位工裝需要有很高的定位精度及良好的重復(fù)定位的穩(wěn)定性。

圖4Inductotherm機(jī)床托盤布局圖

圖5SMS-Elotherm機(jī)床加工布局圖

2 感應(yīng)淬火機(jī)床常見故障及原因分析

在實(shí)際生產(chǎn)中，機(jī)床的故障不可避免，如圖6和圖7分別是兩種感應(yīng)淬火機(jī)床運(yùn)行半年的故障統(tǒng)計。

從圖6中可以看出，采用靜置式方式加熱的Inductotherm機(jī)床有26%的故障是接地報警，對應(yīng)的原因主要是感應(yīng)器與工件接觸、接地檢測靈敏度設(shè)置不合理、來料工件上有鐵屑等；18%的故障為淬火區(qū)域?qū)挾炔粷M足工藝要求，對應(yīng)的原因主要是工件定位偏移、后工序磨削加工過程產(chǎn)生偏磨等；16%的故障為加熱參數(shù)不優(yōu)，包括加熱能量監(jiān)控范圍設(shè)置、淬火液流量監(jiān)控范圍設(shè)置、加熱能量的調(diào)整優(yōu)化等。

圖6Inductotherm機(jī)床故障分布圖

從圖7中可以看出，采用隨動方式加熱的SMSElotherm機(jī)床19%的故障主要故障是線圈接地報警，對應(yīng)的原因主要是感應(yīng)器頭部積碳，前工序加工斷屑不良導(dǎo)致鐵屑到達(dá)感應(yīng)淬火機(jī)床；16%的故障為淬火能量監(jiān)控報警，對應(yīng)的主要原因是感應(yīng)器故障、新感應(yīng)器參數(shù)監(jiān)控范圍設(shè)定不優(yōu)等；14%的故障為工件軸頸劃傷，主要原因是感應(yīng)器上定位塊與工件軸頸側(cè)壁干涉、感應(yīng)器上定位塊粘雜質(zhì)等。

圖7SMS-Elotherm機(jī)床故障分布圖

作為增壓發(fā)動機(jī)曲軸生產(chǎn)的核心設(shè)備，無論是采用靜置式加熱還是采用隨動式加熱的感應(yīng)淬火機(jī)床，其開動率及穩(wěn)定性都會影響整條生產(chǎn)線的輸出。

Inductotherm機(jī)床加熱時工件不動，就對上半個感應(yīng)器和下半個感應(yīng)器及工件的相對位置度要求非常高，但機(jī)床連桿頸加熱工位采用V型塊及彈性銷配合，V型塊支撐已經(jīng)加熱完成的主軸頸，彈性銷驅(qū)動工件做徑向定位，由于加熱后的主軸頸表面粗糙程度不一，彈性銷需要克服的摩擦力也就不穩(wěn)定，對工件徑向定位有較大影響，從而影響機(jī)床的接地檢測；后工序磨削連趕頸時，存在偏磨的可能性，若發(fā)生偏磨，會把硬化層磨削掉，從而導(dǎo)致實(shí)測淬火區(qū)域?qū)挾绕』蛘卟缓细駟栴}。

SMS-Elotherm機(jī)床采用隨動加熱方式，感應(yīng)器與工件之間靠感應(yīng)器上安裝的導(dǎo)向塊定位，相對位置可以保持穩(wěn)定，但是由于導(dǎo)向塊與工件之間持續(xù)摩擦，淬火積碳會在感應(yīng)器頭部慢慢累積、硬化，最終容易導(dǎo)致接地報警；當(dāng)導(dǎo)向塊粘附雜質(zhì)時，也很容易劃傷在加熱過程中軟化的軸頸表面；感應(yīng)器在非加工過程，需要上升到安全高度，加工時下降到軸頸表面，這個過程中，當(dāng)感應(yīng)器軸向位置和工件軸向位置不重合時，易導(dǎo)致感應(yīng)器上的導(dǎo)向塊劃傷工件油領(lǐng)的問題。

無論靜置式或者隨動式的感應(yīng)加熱淬火機(jī)床，對前工序來料的要求都是比較高的，尤其是車車?yán)瓩C(jī)床的斷屑情況需要得到保證，若有鐵屑纏繞在軸頸上，容易導(dǎo)致接地報警或者加熱過程打火、燒壞感應(yīng)器的問題。另外，機(jī)床新的感應(yīng)器使用時，需要采用新的與之匹配的各項(xiàng)監(jiān)控參數(shù)，如淬火液流量監(jiān)控上下限、能量監(jiān)控上下限等，防止持續(xù)加工過程監(jiān)控誤報警。

3 改進(jìn)方向

針對Inductotherm感應(yīng)加熱淬火機(jī)床定位精度要求高的特點(diǎn)，可以將V型塊支撐部位進(jìn)行優(yōu)化，將原來的支撐加熱過的主軸頸表面改為支撐曲軸的油封和芯軸（非熱處理表面），如圖8、圖9，同時，采用專用測力儀來制定并量化彈性銷彈力調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)，這樣工件的徑向定位可以得到保證，由于定位不穩(wěn)定導(dǎo)致的接地報警問題將得到很大抑制；針對工裝夾具臟或者磨損導(dǎo)致的工件定位整體偏移問題，制定對應(yīng)的PM（預(yù)防性維修作業(yè)）內(nèi)容，定期清潔定位工裝并檢測工裝的磨損情況，形成工裝更換的經(jīng)驗(yàn)值；針對后工序磨削導(dǎo)致的連趕頸淬火寬度不合格問題，在磨削工位增加對應(yīng)的的位置度測量要求，防止連趕頸偏磨導(dǎo)致的淬火區(qū)域?qū)挾炔缓细駟栴}。

圖8 工件支撐改進(jìn)前

圖9 工件支撐改進(jìn)后

針對SMS-Elotherm機(jī)床感應(yīng)器頭部積碳導(dǎo)致的接地報警問題，制定感應(yīng)器定期保潔作業(yè)，重點(diǎn)對感應(yīng)器頭部和導(dǎo)向塊進(jìn)行深度清潔，可以大大抑制接地報警發(fā)生。

針對兩種感應(yīng)加熱淬火機(jī)床都會出現(xiàn)的因前工序（車車?yán)瓩C(jī)床）斷屑不好而導(dǎo)致的接地報警、線圈打火問題，通過優(yōu)化刀片斷屑槽及加工參數(shù)，使工件表面無鐵屑?xì)埩?，問題將得到徹底解決。而針對加熱過程監(jiān)控參數(shù)誤報警問題，在新的感應(yīng)器調(diào)試加工過程中，需要做極限驗(yàn)證，得到滿足工藝要求的電源能量極限值、淬火液流量極限值，作為批量生產(chǎn)時的監(jiān)控數(shù)據(jù)，將徹底解決實(shí)際運(yùn)行過程的監(jiān)控誤報警問題。

通過上述改進(jìn)，Inductotherm感應(yīng)加熱淬火機(jī)床的故障率預(yù)計將從7.6%降低到4.2%，SMS-Elotherm感應(yīng)加熱機(jī)床的故障率預(yù)計將從10.9%降低到2.4%，如圖10所示，顯著提高了設(shè)備的可靠性。

圖10 改進(jìn)后預(yù)計故障率趨勢