云内4100QB曲轴第三主轴颈跳动超差的剖析及解决措施

摘　要：通过上千根曲轴的多种对比工艺实验及全国同行业的大量调研，找出了曲轴第三主轴颈跳动超差的原因，从而提出了解决措施。
关键词：曲轴第三主轴颈跳动；铸件内应力；正火；定性
分类号：TG162.7　文献标识码：B
文章编号：1001-2265(2000)　02-0039-03

　　曲轴是柴油机重要的零部件，它传递着汽车运动所必需的力和力矩。由于曲轴在装配过程中，与轴互间的配合有一定要求，故对主轴颈跳动要求较高，以免在发动机运行时发生曲轴的“抱瓦”或“烧瓦”等质量事故。
　　我厂(云南内燃机厂)曲轴长期以来一直存在着氮化后跳动超差率(跳动＞0.08mm的百分率)高(达20%～40%之多)的质量问题。在开始的一段时间内，多数人坚持认为，引起该质量问题的主要是在曲轴的氮化或机加工阶段。但是从机加工和氮化方面，我们通过提高加工要求(氮化前曲轴第三主轴颈的跳动用国产设备加工控制在0.05mm以内，国外设备则控制在0.03mm以内)、严格控制氮化工艺参数、严格校核氮化炉控温仪表及严格工艺纪律检查，均未解决此质量问题。)

1　曲轴氮化后跳动超差率高的原因

　　为寻找我厂曲轴氮化后跳动超差率高的真正原因及解决措施，自1997年下半年起，我们先后作了上千根曲轴的多种对比工艺实验及全国同行业的大量调研工作。通过对这些工艺实验的结果及调研结果的综合分析得出：引起我厂曲轴跳动超差的真正原因是：曲轴在氮化前就存在着较大的铸件内应力。
　　球铁内应力大于灰铁内应力，曲轴一经氮化，在氮化温度560～600℃下(本氮化温度区正处于曲轴内应力释放的定性温度区域530～600℃内)，该内应力便会被释放出来并进行重新分布，从而造成曲轴的变形，即：氮化后曲轴跳动超差。氮化工序只是铸件内应力的一个体现场所，氮化后跳动超差也仅是铸件内应力在氮化阶段重新分布的一种表现形式。因此，氮化工序只是曲轴氮化后跳动超差的一个载体或一个外在因素，而引起曲轴氮化后跳动超差的根本原因还在于曲轴在氮化前就存在着较大的铸件内应力。

2　曲轴氮化前内应力大的主要原因分析

　　我厂曲轴与锡柴曲轴主轴颈跳动概况和生产工艺过程对比见表1和表2。

表1　主轴颈跳动概况对比

对比项目曲轴主轴颈跳动

技术要求氮化后曲轴主轴颈跳动情况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

最大值

(mm)超差曲轴

处理方式我厂曲轴≤0.05mm≤0.08mm60%～80%20%～40%0.85热校锡柴曲轴≤0.04mm≤0.08mm95%5%0.25热校

表2　工艺路线对比

生产厂家工　艺　路　线我厂曲轴铸造-正火-回火-定性-机加工-氮化-抛光-装配锡柴曲轴铸造-正火-粗加工-定性-精加工-氮化-抛光-装配

　　我厂曲轴采用与锡柴曲轴相同的热处理方式，但氮化后其跳动超差率仍然很高，并且跳动超差的数值较大，这说明我厂曲轴在氮化前普遍存在着较大的铸件内应力。经分析，其主要原因是：

　　(1)曲轴正火冷却不均匀

　　我厂曲轴的正火冷却方式是采用雾冷，喷雾源单一且在某一固定方向上进行喷雾，曲轴也固定地摆放在地面上。这种喷雾方式在冷却时极易造成曲轴向着喷雾源的一边冷却快，背向喷雾源的一边则冷却慢。由于曲轴的正火冷却不均匀，便产生了硬度不均匀及珠光体含量不均匀，进而造成较大的铸件内应力。

　　①在日常的曲轴生产中，无论定性与否，其本体硬度都在HB170～250的范围内，均偏低或达不到图纸要求(图纸要求为HB240～320)。在抽检中还多次发现，同一根曲轴上有硬度严重不均匀的现象，有的曲轴仅大头端面硬度差就达HB60～80；

　　②珠光体含量也发现有严重不均匀的现象。例如：在一次疲劳试验的取样中发现，同一曲轴的同一截面上，其珠光体含量相差30%之多。

　　(2)曲轴的定性设备加热不均匀

　　我厂曲轴的定性是无架码放在台架上，用反射炉直接加热，控温点仅有一处，温度的显示值不能表示曲轴堆内的实际温度，实践中也多次出现定性过烧的情况。由于温度无法准确控制，该工序消除内应力也就处于无法控制的状态。

　　下面分别将锡柴曲轴的正火设备、定性设备和我厂曲轴的正火设备、定性设备加以对比分析：

　　①锡柴曲轴的正火设备和定性设备的分析

　　锡柴曲轴氮化后跳动超差率低，与其使用的正火设备和定性设备紧密相关。它使用的正火设备为连续式正火炉，该炉分四个温度控制区域，工件加热均匀，温控严格。在加热后的冷却过程中，曲轴被悬挂于炉内，四周可进行喷雾或吹风，整个冷却过程非常均匀。为消除铸件内应力和机加工应力，锡柴在粗加工后的定性处理中，又采用专用的连续式定性电阻炉。该炉分六个温度控制区，温度为600℃。定性曲轴每6件分两层(少量)，由小车送进炉一次(生产节拍为每半小时运行一车)。该炉特点是：定性加热温度均匀，温控严格，工件受热也均匀，能够较为彻底地减少或消除铸件内应力和机加工应力，以达定性的目的。

　　②我厂曲轴的正火设备和定性设备的分析

　　我厂曲轴的正火设备自今年五月份以来改用电炉加热，加热较为均匀。定性设备则为反射炉，其加热方式是通过燃烧烟煤进行加热，加热的均匀程度绝大部分取决于人为的操作。反射炉炉膛较大，一炉可定性800～900件曲轴，但其测温系统却只有一个温区，用一支热电偶进行测温，因此，在这种反射炉中用这种测温系统测出的温度只能代表炉内热电偶附近的温度，不能代表整个炉内工件的受热温度。显然，温度难以控制是造成加热不均匀的一个重要原因。另外，值得一提的是，我厂曲轴的定性通常一炉定800～900件，且曲轴在炉内的放置方式是堆放，这样，工件在定性时受热就更加不均匀，同时还会造成曲轴在热态下的互相挤压等不良现象，增加了曲轴的变形趋势。

3　解决措施

　　从我厂工艺实际和理论分析，我们认为：曲轴的正火冷却阶段由于冷却介质与工件接触不均匀，造成冷却过程中工件各部位的冷却速度不均匀，进而造成较大的铸件内应力；曲轴的定性加热不均匀，难以进行严格的温度控制，又将造成曲轴的定性失控，不能彻底消除铸件内应力，这是我厂曲轴第三主轴颈跳动超差的根本原因所在。
　　若我厂曲轴的生产仍按正火+定性+氮化工序进行。那么，要解决氮化后跳动超差率高的问题，同时又要满足我厂的生产纲领，关键是要解决如下两个问题：
　　(1)解决曲轴正火阶段的质量问题
　　在保证曲轴的硬度、珠光体含量合乎图纸设计要求的同时，应力求使曲轴具有较为均匀的正火冷却过程，使获得的硬度及珠光体含量也较均匀，从而，使曲轴在正火阶段形成的内应力较小且分布较均匀。
　　(2)解决曲轴的定性工序质量问题
　　定性工序是减少或消除铸件内应力较为关键的一道工序。由于设备上的原因及曲轴在炉内的放置方式上的原因，我厂曲轴几乎没有起到“定性”的作用。因此，要解决我厂曲轴的定性质量问题，就必须从定性设备及工件在炉内的放置方式入手。定性设备必须满足炉内工件受热均匀，温度控制系统能真实地反映炉内工件的温度变化情况。经参考锡柴使用的专用连续式定性电阻炉，从“温控一定要均匀，工件受热一定要均匀，摆放一定要合理，同时提高定性温度使之略高于氮化温度”这一思路去解决定性设备的选用。现阶段，必须改变大量曲轴在炉内的堆放及互相挤压的放置方式，这可从工装上加以考虑。另外，在定性设备及工装得以解决的情况下，我们认为曲轴的定性工序放在粗加工后进行较为合适。
　　找准引起我厂曲轴氮化后跳动超差率高的原因后，在现有设备的情况下，我们通过工艺实验(4100QB掺铜曲轴采用“风冷”的正火冷却方式及电炉回火工艺方案)寻求行之有效的解决措施。该工艺实验思路为：先将曲轴在铸造时加入适量的铜进行合金化，使其在形成铸态曲轴时，就可使其组织形成大量的珠光体(约70%～75%左右)，在随后的正火阶段冷却过程中，采用冷却速度较慢、易控制的较均匀的风冷。这样，既满足了曲轴组织的珠光体含量，又满足了曲轴正火的冷却过程中形成较小的铸件内应力。这些较小铸件内应力在随后的电炉定性回火中，由于温度均匀易控(600℃，略高于氮化温度590℃)，回火中曲轴相互隔离无挤压，内应力得以充分释放和均匀再分布，从而达到消除残余铸件内应力的目的。该工艺实验最后结果较为理想，146件实验曲轴经氮化后其第三主轴颈跳动超差率为：5.36%，该数值是关于第三主轴颈跳动实验以来最为理想的一次，它为解决我厂曲轴长期以来一直存在的问题提供了有力的理论依据和实验数据。
　　另外，由于曲轴在氮化阶段不可避免地会因铸件内应力的释放和重新分布造成曲轴变形。这种曲轴变形在采用氮化工艺后(氮化工艺必须放在曲轴加工工序的最后一道工序)，因无法得到修正而成为永久的变形。为此建议：对于曲轴疲劳强度的强化处理采用中频淬火+圆角滚压工艺进行处理，这样，在最后的精磨阶段可适当修正曲轴在前工序带来的变形。这种工艺方法目前已在一些大型汽车厂家如一汽、二汽、神农汽车厂和天津夏利汽车厂等得到广泛的应用。
　　还有，对于跳动在0.30mm以下的已超差的曲轴，在购买的定性回火电炉到厂之前，我们采用热校正的办法来加以利用。这些热校超差曲轴经切片取样进行金相分析和疲劳试验，均能达到设计技术要求。
(工艺实验结果及分析略)