一种凸轮轴热处理工艺方法及组合感应器 |
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| 申请号 | CN202311668335.6 | 申请日 | 2023-12-06 | 公开(公告)号 | CN117904416A | 公开(公告)日 | 2024-04-19 |
| 申请人 | 中国石油天然气集团有限公司; 中国石油集团济柴动力有限公司; | 发明人 | 林立新; 柳鹏; 裴洪磊; 高曦; 吴广磊; 张笑康; 孙建钊; 王震; 姜群; 杨鑫; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及 凸轮 轴加工技术领域，尤其涉及一种 凸轮轴 热处理 工艺方法及组合感应器。凸轮轴热处理工艺方法，凸轮轴上具有依次排布的多个凸轮，热处理工艺方法包括：依次对多个所述凸轮进行中频淬火处理，上一个完成中频淬火处理的凸轮记为第一凸轮，当前中频淬火处理的凸轮记为第二凸轮，所述中频淬火处理包括加热阶段，在对当前中频淬火处理的第二凸轮进行加热前，向第一凸轮喷射 冷却液 进行降温。通过本发明解决了当前凸轮的中频淬火造成已淬火的相邻凸轮 退火 并导致凸轮边沿硬度大幅降低的问题，满足了技术要求，延长了凸轮轴的使用寿命，保证生产安全。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种凸轮轴热处理工艺方法，凸轮轴上具有依次排布的多个凸轮，其特征在于，热处理工艺方法包括： |
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| 说明书全文 | 一种凸轮轴热处理工艺方法及组合感应器技术领域背景技术[0002] 内燃机行业是机械工业中的一个十分重要的行业，内燃机的凸轮轴是柴油机零部件中的一个重要结构件，它的作用是控制气门的开启和闭合动作。凸轮轴在高速旋转时，凸轮表面受到循环应力的作用产生磨损，严重时会造成表层脱落，要求零件本体具有较高的耐磨性能和机械性能，因此需要对凸轮轴进行中频淬火。 [0003] 在凸轮与凸轮之间的距离太近的情况下，常规的中频淬火工艺方法加工的凸轮轴，满足不了技术要求，尤其是在凸轮的边沿，表面硬度和耐磨性会极大的降低，若是装机使用，则会明显减少凸轮轴使用寿命，严重时会引起质量安全事故。 发明内容[0005] 为了实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案： [0006] 一种凸轮轴热处理工艺方法，凸轮轴上具有依次排布的多个凸轮，热处理工艺方法包括：依次对多个所述凸轮进行中频淬火处理，上一个完成中频淬火处理的凸轮记为第一凸轮，当前中频淬火处理的凸轮记为第二凸轮，所述中频淬火处理包括加热阶段，在对当前中频淬火处理的第二凸轮进行加热前，向第一凸轮喷射冷却液进行降温。 [0007] 可选的，将待淬火的凸轮轴竖向摆放，按照从下到上的顺序依次对多个凸轮进行中频淬火处理，在对当前中频淬火处理的第二凸轮进行加热前，向下侧的第一凸轮喷射冷却液，使冷却液完全覆盖已中频完成的第一凸轮。 [0008] 可选的，所述中频淬火处理还包括喷淋冷却阶段，所述喷淋冷却阶段位于所述加热阶段后，且在加热阶段结束后预冷设定时间后再进行喷淋冷却阶段。 [0010] 可选的，在半精加工前进行正火处理使组织均匀化，在中频淬火处理后进行低温回火。 [0011] 可选的，冷却液采用浓度为2％的水基淬火液。 [0012] 本发明实施例还提供了一种凸轮轴组合感应器，利用如上所述的凸轮轴热处理工艺方法对凸轮轴进行热处理，凸轮轴组合感应器包括：感应线圈、第一喷头和第二喷头，所述感应线圈用于对凸轮进行加热，所述第一喷头和第二喷头均安装在所述感应线圈上，且第二喷头位于第一喷头的下侧。 [0013] 可选的，在所述感应线圈的下侧设置有辅助喷淋圈，所述第一喷头设置在所述感应线圈的外壁上，且沿感应线圈的径向布置；所述第二喷头设置在辅助喷淋圈的外壁上，且沿辅助喷淋圈的径向布置。 [0014] 可选的，所述第一喷头与第二喷头在竖直方向上的高度差，等于凸轮轴上相邻两凸轮的距离，其中，相邻两凸轮的距离是指第一凸轮上端面到第二凸轮上端面的距离。 [0016] 本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点： [0017] 本发明通过研究找出凸轮边沿硬度不足的原因在于，对并排的多个凸轮依次中频淬火时，在对当前凸轮加热的同时造成前一凸轮边沿退火。基于此，本发明通过在对当前凸轮中频淬火前，先向前一凸轮喷射冷却液，防止已经中频淬火处理后的前一凸轮再次升温，避免凸轮退火。解决了当前凸轮的中频淬火造成已淬火的相邻凸轮退火并导致凸轮边沿硬度大幅降低的问题，满足了技术要求，延长了凸轮轴的使用寿命，保证生产安全。 [0019] 为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。 [0020] 图1是凸轮轴结构示意图； [0021] 图2是本发明实施例提供的组合感应器俯视图； [0022] 图3是本发明实施例提供的组合感应器侧视图(其中，剖开了感应线圈的右侧)； [0023] 图中：1、感应线圈；2、第一喷头；3、第二喷头；4、辅助喷淋圈；5、支撑垫块； [0024] 为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。 具体实施方式[0025] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。 [0026] 内燃机行业是机械工业中的一个十分重要的行业。内燃机是汽车、农业机械、工程机械、船舶、内燃机车、地质和石油钻机、军用、通用机械、移动和备用电站等装备的主要配套动力。内燃机凸轮轴是柴油机零部件中的一个重要结构件，它的作用是控制气门的开启和闭合动作。凸轮轴在高速旋转时，凸轮表面受到循环应力的作用产生磨损，严重时会造成表层脱落，要求零件本体具有较高的耐磨性能和机械性能。 [0027] 如图1所示为175凸轮轴示意图，包括基圆和凸轮，在图1所示的凸轮轴中，具有四个基圆，两个基圆之间具有4个凸轮。中频淬火图纸要求表面硬度：凸轮部分59～63HRC，基圆部分≥55HRC；淬硬层深度：凸轮部分1.8～5.8mm，基圆部分1.8～3.8mm，材料为50钢。 [0028] 常规的中频淬火工艺方法满足不了技术要求，尤其是在凸轮的边沿，用里氏硬度计检测凸轮边沿后，大部分检测结果位于30‑40HRC范围，满足不了技术要求。表面硬度大幅度低于图纸要求的凸轮，耐磨性会极大的降低，若是装机使用，则会明显减少凸轮轴使用寿命，严重时会引起质量安全事故。 [0029] 通过对上述问题研究发现，凸轮边沿硬度低的原因在于：四个凸轮之间的间距较小(15mm左右)，常规中频淬火极易造成已淬火的相邻凸轮退火。由于相邻凸轮距离太近和集肤效应，磁感线会集中到相邻凸轮的表面，在金属表面产生感应电流，而在尖角效应的作用下，凸轮表面边沿处的电流密度更高，导致边沿处升温更快，温度超过180℃后，表面硬度就会下降，产生感应退火，导致凸轮边沿硬度大幅降低，为了满足175系列内燃机对凸轮轴力学性能和耐磨性能的特殊要求，提出一种凸轮轴中频淬火热处理工艺方法。 [0030] 本发明一实施例中提出了一种凸轮轴热处理工艺方法，热处理工艺方法包括：依次对多个所述凸轮进行中频淬火处理，上一个完成中频淬火处理的凸轮记为第一凸轮，当前中频淬火处理的凸轮记为第二凸轮，所述中频淬火处理包括加热阶段，在对当前中频淬火处理的第二凸轮进行加热前，向第一凸轮喷射冷却液进行降温。 [0031] 本发明通过在对当前凸轮中频淬火前，先向前一凸轮喷射冷却液，防止已经中频淬火处理后的前一凸轮再次升温，避免凸轮退火。解决了当前凸轮的中频淬火造成已淬火的相邻凸轮退火并导致凸轮边沿硬度大幅降低的问题，满足了技术要求，延长了凸轮轴的使用寿命，保证生产安全。 [0032] 具体的一种实施方式中，将待淬火的凸轮轴竖向摆放，按照从下到上的顺序依次对多个凸轮进行中频淬火处理，在对当前中频淬火处理的第二凸轮进行加热前，向下侧的第一凸轮喷射冷却液，使冷却液完全覆盖已中频完成的第一凸轮。通过将凸轮轴竖向摆放并按照从下到上的顺序进行中频淬火处理，这样当前中频淬火处理的第二凸轮位于上侧，已经中频淬火处理完的第一凸轮位于下侧，通过在感应线圈下侧增设喷射口即可，不会对当前的第二凸轮造成影响。 [0033] 进一步的，所述中频淬火处理还包括喷淋冷却阶段，所述喷淋冷却阶段位于所述加热阶段后，且在加热阶段结束后预冷设定时间后再进行喷淋冷却阶段。即将之前的“加热后立即喷淋冷却”优化为“加热后预冷3‑5秒再喷淋冷却”，减少了开裂倾向。在预冷后表面0.05mm‑0.1mm范围内的温度会略低于内部温度，且在淬火温度(奥氏体化温度)之上，同时 0.1mm小于0.3mm的加工余量，对后续加工无任何影响。通过预冷降低淬火温度不仅有利于减小凸轮表面的温度差，还能降低表面到心部的温度梯度，有利于应力状态的改变，提升表面疲劳强度。 [0034] 完整的凸轮轴加工工艺包括： [0035] 毛坯→机加工(粗车凸轮外形)→正火→机加工(半精加工到中频前尺寸)→中频淬火→低温回火(170℃，保温3h)。 [0036] 通过分析175凸轮轴图纸技术要求，工艺技术难度很大：凸轮部位表面硬度要求高，正常处理既很难达到又易造成淬裂。 [0037] 本实施中凸轮轴在进行中频淬火处理前进行半精加工，在半精加工时，对凸轮边沿进行2mm倒角处理，冷却液采用浓度为2％的水基淬火液，水基淬火液为AQ225型水基淬火液，通过外购获得。通过对凸轮边沿进行倒角，减少感应电流的集肤效应，降低开裂倾向；同时调试配制浓度2％的AQ225水基淬火液，进一步减少凸轮淬裂倾向。 [0038] 通过辅助喷淋避免了相邻凸轮发生感应退火，因此制定工艺方案时可以忽略加热过程对已中频淬火的凸轮的影响，可以一定程度上提高当前凸轮的加热时间，使凸轮加热更均匀、凸轮表面电流透入深度的范围内的温度更高，更高的奥氏体化温度可以提高材料本身的淬透性，使凸轮淬火后的硬度和均匀性得到小幅提升。通过本实施例热处理的凸轮轴中频淬火后，凸轮部位表面硬度达到60HRC以上，同时避免淬裂。 [0039] 基于上述热处理工艺方法，并根据凸轮形状尺寸和具体技术要求，设计制造了凸轮轴组合感应器，如图2所示，包括：感应线圈1、第一喷头2和第二喷头3，所述第一喷头2和第二喷头3均安装在所述感应线圈1上，且第二喷头3位于第一喷头2的下侧。所述感应线圈1通交流电后产生交变磁场用于对凸轮进行加热，第一喷头2用于向当前凸轮(即第二凸轮)喷射冷却液，开始时间是加热阶段后，第二喷头3用于向前一凸轮(即第一凸轮)喷射冷却液，开始时间是在当前凸轮加热前并一直持续到当前凸轮加热结束。 [0040] 具体的，在所述感应线圈1的下侧设置有辅助喷淋圈4，如图3所示，所述第一喷头2设置在所述感应线圈1的外壁上，且沿感应线圈1的径向布置；所述第二喷头3设置在辅助喷淋圈4的外壁上，且沿辅助喷淋圈4的径向布置。所述第一喷头2与第二喷头3在竖直方向上的高度差，等于凸轮轴上相邻两凸轮的距离，其中，相邻两凸轮的距离是指第一凸轮上端面到第二凸轮上端面的距离。 [0041] 配合立式机床，从低到高，依次对每一段的4个凸轮进行中频加热并喷淋冷却，工艺方案改进后，在感应器定位到即将加热的凸轮位置时，第二喷头正好定位到刚中频淬火完成的凸轮，冷却液完全覆盖已完工的凸轮，防止温度升高，从而避免发生感应退火。 [0042] 辅助喷淋圈4固定在感应线圈1底侧，相比于分体式更加牢固，不会因拆卸或长时间使用导致辅助喷淋圈4与感应线圈1之间的间距变大，从而起不到保护作用。在感应圈和辅助喷淋圈4之间用聚四氟乙烯支撑垫块5间隔固定，防止电磁短路。 [0043] 改造立式淬火机床，在淬火液调压回路管道口加装喷水冷却装置连接第二喷头3，用阀门控制保护液流量大小。第一喷头2连接主喷淋，喷淋时间由程序控制，第二喷头3连接辅助喷淋，通过压力阀门手动调节流量，使淬火液能覆盖相邻凸轮的外表面，在整个凸轮轴中频完成前，保持喷淋状态不停止。 [0044] 通过上述感应器及处理工艺处理的凸轮轴，凸轮淬硬层深平均4.70mm，表面硬度62HRC；基圆淬硬层深3.80mm，表面硬度61HRC，符合图纸工艺技术要求。通过以上工艺方案生产的175系列内燃机凸轮轴的质量稳定，使用寿命长，且加工过程相对简单，有利于大规模生产。 |
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