张仓平 ZHANG Cang-ping 李二红 LI Er-hong 张彦岗 ZHANG Yan-gang 王春草 WANG Chun-cao 张晓辉 ZHANG Xiao-hui

摘要：16缸曲轴中频感应淬火变形是曲轴制造过程中的一个关键工艺难题，在科研试制中，通过对变形控制方法的认识，以降低自由状态下曲轴感应淬火变形水平、维护曲轴结构变形规律为思路，提出了着眼曲轴制造全过程，系统的制定控制感应淬火变形的解决方案，突破了大长径比曲轴的感应淬火变形工艺瓶颈，满足了批产的需求。

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.

關键词：变形;控制;系统;改善

Key words： deformation;control;system;improve

中图分类号：TF111              文献标识码：A                    文章编号：1674-957X（2021）22-0102-03

0  引言

曲轴是发动机的核心运动部件，恶劣的工况要求曲轴的表面具有较高的耐磨性和抗疲劳强度，而中频感应淬火是一种应用比较广泛的表面强化方法，它具有加热范围小、时间短、电效率高、性能稳定、变形小等优点，是曲轴表面强化处理的主流方法，中频感应淬火必然会引起曲轴的变形，如果变形量过大，就会导致后续机械加工的余量不足，产生废品，甚至成为工艺瓶颈，因此解决中频感应淬火的变形问题是必须面对的工艺难题。

曲轴表面的中频感应淬火分为两种情况，一种是圆角不淬硬的，另一种是圆角淬硬的，在中频感应淬火过程中，一般圆角不淬硬的变形小，而圆角淬硬的变形大，对于圆角不淬硬的曲轴，一方面由于感应淬火变形较小，通过淬火参数调节、曲轴受力状态改善等常规方法，一般都可以将感应淬火变形控制在工艺要求的范围内，另一方面，即使变形稍大也可以进行校正操作，将变形量校正到工艺要求的范围内。

而对于圆角淬硬的曲轴则不同，除了感应淬火变形较大以外，为避免圆角部分开裂，都要求在淬硬的情况下不能进行校正操作，因此对于圆角淬硬的曲轴，对变形的控制较困难。

某型号16缸柴油机曲轴，长度2245mm、主轴颈ϕ143mm、连杆颈ϕ106mm，采用圆角中频感应淬火进行表面强化，表面硬度49-53HRC。由于该曲轴要求圆角淬硬再加上本身长径比较大，因此它的中频感应淬火的变形量比较大，根据以往的科研试制数据，在自由状态下感应淬火变形量为1mm-3mm之间，这种变形量远超出工艺要求的范围，从后续的机械加工工艺看，如果感应淬火后曲轴的变形量控制在0.7mm以内，再经过对中心孔的修正，基本可以满足后续加工对余量的要求，因而0.7mm变形量是变形控制的最低要求，而现在国内最高水平是将感应淬火后的变形增加量控制在0.4mm以内，这一变形指标在控制上有一定的难度。

1  常用感应淬火变形控制方法

曲轴的中频感应淬火变形控制方法总结起来大体有以下几种：

方法之一是调整法。它是通过对感应淬火参数的调及曲轴在感应淬火时的受力状态的改善，来达到减小在曲轴感应淬火变形的目的。淬火参数调整主要是对加热时间调整，确定它们的依据是零件对感应淬火层深度和机械性能的要求，而与感应器线圈的质量密切相关，固定的感应器可调整的时间范围很窄;而对曲轴在淬火时受力状态的调整，一般是保持曲轴与淬火机床主轴中心线水平，以及尽量取消或减小对曲轴施加的任何外力，使曲轴在加热和冷却时能自由伸缩。调整法是一种比较被动的变形调整，不能对感应淬火变形进行主动控制，但是调整法是一种基本的减小变形的方法，可以应用在所有曲轴的变形控制中。

方法之二是反变形法，它是在中频感应淬火之前进行，在圆角未淬硬的情况下，对曲轴主轴线进行一定的预变形，使它与感应淬火后的变形互相抵消，从而达到减小曲轴总变形的目的。因为反变形法是在中频感应淬火之前前进行，因此必须要掌握曲轴中频感应淬火的变形规律，准确掌握变形量的范围，以此来确定所要进行的反变形量，显而易见这种预判反变形量是比较困难的，同时误差也不可控，不能实时进行反变形量的调整，对于批量生产来说存在较大的风险。

方法之三是固持法，它是在中频感应淬火之后的低温回火时进行，类似于尺寸热固定，根据感应淬火后曲轴的变形情况，在低温回火时对曲轴施加一个不大的反变形作用力，并在低温回火全过程中保持这种作用力，使曲轴缓慢产生一定量的反向变形。

实际上在科研试制中发现，在圆角已经淬硬的情况下，采用固持法对曲轴的变形效果很微小，几乎可以忽略不计，因此它一般应用在曲轴的主轴颈和连杆轴颈分批进行感应淬火的情况下，比如先将连杆轴颈感应淬火，在淬主轴颈之前要先对连杆轴颈进行低温回火，此时应用固持法能对曲轴变形起一定的作用，原理上它不是对已淬硬的圆角产生变形作用，而是对未淬火的圆角产生变形作用。

方法之四是淬火过程同步变形控制法，这是在曲轴和科研试制中发明的一种新型的变形控制方法，它是在感应淬火过程中与感应加热同步进行的，它的感应淬火工作方式如图1所示。

曲轴1被水平放置在感淬火夹具上，5个滚轮支撑及压紧部件2分别间隔安置在主1、主3、主5、主7、主9五个主轴颈上，在感应淬火时可以进行压紧和松开操作;感应淬火夹具和可移动支架4固定连接，可以进行左右移动和高低调整，以保证曲轴主轴线与机床主轴线同轴;机床的三爪卡盘夹紧曲轴最左端并带动曲轴旋转，感应加热器3的半圆线圆对曲轴的未放置滚轮支撑及压紧部件4的轴颈进行感应淬火。

这种方法的变形控制原理是：当轴颈在加热时，随着温度的升高材料的屈服强度会显著降低，此时通过一定方式施加外力，更容易实现对圆角部位的变形，圆角部位的变形引起曲臂向外扩张，进而导致曲轴主轴线产生变形，由于与轴颈相连的曲臂的相位角各不相同，因而不同轴颈感应淬火使主轴线的变形方向也各不相同，根据所掌握的曲轴结构变形规律，通过对不同轴颈的操作，或施加压力或不施加压力，就能实现对主轴线变形方向和大小的控制。由于这种变形控制方法是与感应淬火同步进行的，因而它能根据变形大小实时进行调整。

以上几种感应淬火变形控制方法通常情况下都是几种组合使用，我们现在使用的方法是调整法、固持法、及淬火过程同步控制方法这三种方法的组合。

因为曲轴材料具有较高的屈服强度，使它产生变形十分困难，每种方法所能实现的变形控制范围是有限的，一般不超过0.5mm，甚至更小，即便是几种方法组合使用，对于变形较大的大长径比曲轴来说，也不能完全使变形控制在工艺要求的范围内，有一部分仍然无法控制，也就是说，单纯的变形控制并不能完全解决感应淬火的问题。

2  曲轴状态的改善

在过去科研攻关中曾用到反变形法控制曲轴的中频感应淬火变形，由于对曲轴感应淬火变形规律没有完全掌握，控制效果不理想，在近期的科研攻关中采用的感应淬火同步变形控制方法时也发现，如果曲轴主轴线的高点位置偏离某一位置时，变形控制效果就不理想，这些情况提示我们曲轴感应淬火的变形控制还要考虑其它方面的因素，即曲轴状态的改善。

曲轴变形包括变形大小和变形方向，从变形大小来说，如果曲轴在自由状态下进行感应淬火的变形太大，例如变形量超过2mm，因为以上所述的每一种变形控制方法的可调控范围都不大，那么运用它们进行控制变形的结果可能无法达到工艺的要求;从变形方向来说，它代表着曲轴感应淬火的结构变形规律，无论是反变形法，还是感应淬火同步控制法，都是基于曲轴的结构变形规律，如果这种规律被破坏，也就无法实现变形控制。所以曲轴的状态改善包括两方面，一方面，改善曲轴状态使它在自由状态下进行感应淬火的变形尽可能的小，另一方，改善曲轴状态使它能按照本身具有的结构变形规律变形，两方面都具备了，才有可能使曲轴感应淬火变形可靠受控。

影响曲轴自由状态下的感应淬火变形大小的因素主要有感应淬火参数、感应淬火时曲轴的受力、曲轴重力、感应加热部位的结构、曲轴感应淬火前机加变形量及曲轴淬火前的应力状态等，其中影响较大的就是曲轴淬火前的应力状态，如果曲轴存在较大的残余应力，以及不平衡的内应力分布，那么在感应淬火时的变形就会变大，残余内应力和前面的机械加工有关，而不平衡内应力则主要和前面工序的校直有关，通常要经过高温时效处理进行残余应力消除及内应力平衡。

更重要的是曲轴结构变形规律的影响因素，最主要的有锻造、调质处理变形、及加工过程中的各种校直。整体模锻件合理的金属纤维流向、调质处理时小的变形都有利于保持曲轴的结构变形规律，而极具破坏性的是制造过程中的校直，它是产生不平衡内应力的重要因素，它不仅使感应淬火变形变大而且能改变变形方向，甚至使变形方向变得杂乱无章。校直的根源还是变形过大，变形过大不能满足加工工艺要求就会进行校直操作。

因此，曲轴的感应淬火变形控制，不仅要在感应淬火时进行变形控制，还要在曲轴加工的全过程进行变形控制，包括减小调质处理的变形以及减小机械加工中的各种变形，只有曲轴的状态得到改善，即自由状态下感应淬火变形在较低水平、曲轴的结构变形规律不被破坏，这种状态下才能进一步实现变形控制。

3  曲轴感应淬火对后续加工的影响

曲轴中频感应淬火是曲轴制造过程中的一个重要环节，通过变形控制，不仅要满足后续磨削余量的要求，还要考虑对后续加工的影响。

曲轴在感应淬火后的机械加工工序大体包括孔系加工和轴颈精磨两部份，最关键的是轴颈磨削加工，感应淬火对后续加工影响体现在以下二个方面：

其一是孔系加工。

通常情况下孔系的加工都放在感应淬火之前进行，但有时由于感应淬火变形控制的需要，会调整到感应淬火后进行，如果有这种调整，那么要对孔系加工引起主轴线的变形要进行评估，并采取必要的措施和方法，使之产生的变形不会使主轴线的变形量再增加，如果无法做到这一点，那么感应淬火变形控制中的结构调整措施就不能进行。

其二是曲轴的直线尺寸。

感应淬火过程中强烈的冷却过程，使轴颈表在产生收缩，其结果是曲轴的直线尺寸会变短，因此要对这种尺寸的收缩量进行评估，对磨削的轴向加工余量是否有影响，并在感应淬火前进行合理的补偿。

4  控制感应淬火变形的系统解决方案

通过以上的分析，使我们认识到曲轴中频感应淬火的变形控制并非仅仅是某一个工序某一个点的變形控制，它与曲轴的整个制造过程都是相关的，因此解决感应淬火变形问题，必须着眼全局，系统地制定相应的解决方案。16缸曲轴感应淬火变形控制方案主要从三方面进行制定：

第一方面，曲轴状态改善。主要包括锻造采用整体模锻、减小调质处理变形、减小械加工变形、消除校正操和、高温时效平衡应力分布;

第二方面，感应淬火变形控制。主要包括变形单元结构改变、加工工艺调整、淬火参数调整、淬火过程同步变形控制、固持法变形控制;

第三方面，消除感应淬火对后续加工的影响。主要包括消除孔系加工变形影响、直线尺寸补偿。

通过曲轴状态的改善使曲轴不仅保持它的结构变形规律，而且使自由状态下感应淬火的变形能保持在较低水平，在此前提下，应用各种变形控制方法，使曲轴感应淬火变形控制在较小范围内，并采取措施消除了以后续加工不利的影响。

通过对一个批次9根曲轴的连椟感应淬火，曲轴主轴线的最大变形量见表1。

从数据看，感应淬火后有6根轴的跳动进入0.4mm以内，其余两根加工余最小于0.7mm，也能满足机加工要求，后面的孔系加工和磨削加工也能顺利进行不受影响。总体结果符合预期，说明制定的加工方案正确可行，可以在下一步的批量生产中进一步应用。

5  结语

曲轴感应淬火变形控制不仅需要具体的变形控制方法，还要有系统解决问题的全局观，做好曲轴加工过程的每一步，最后的结果往往就是水到渠成。这种解决问题的方法不仅成功攻克了16缸曲轴的感应淬火变形问题，为16缸曲轴的批量生产消除了瓶颈，同时也为其它类似产品做好了技术储备。

参考文献：

[1]杨金凤，王春焱.机床夹具及应用[M].北京：北京理工大学出版社，2011.

[2]王先逵.机械加工工艺手册[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3]卢秉恒.机械制造技术基础[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4]王贵斗.金属材料与热处理[M].北京：机械工业出版社，2015.