摘 要：通過上千根曲軸的多種對比工藝實驗及全國同行業的大量調研，找出了曲軸第三主軸頸跳動超差的原因，從而提出了解決措施。
關鍵詞：曲軸第三主軸頸跳動；鑄件內應力；正火；定性
分類號：TG162.7 文獻標識碼：B
文章編號：1001-2265（2000） 02-0039-03
曲軸是柴油機重要的零部件，它傳遞著汽車運動所必需的力和力矩。由于曲軸在裝配過程中，與軸互間的配合有一定要求，故對主軸頸跳動要求較高，以免在發動機運行時發生曲軸的“抱瓦”或“燒瓦”等質量事故。
我廠（云南內燃機廠）曲軸長期以來一直存在著氮化后跳動超差率（跳動＞0.08mm的百分率）高（達20%～40%之多）的質量問題。在開始的一段時間內，多數人堅持認為，引起該質量問題的主要是在曲軸的氮化或機加工階段。但是從機加工和氮化方面，我們通過提高加工要求（氮化前曲軸第三主軸頸的跳動用國產設備加工控制在0.05mm以內，國外設備則控制在0.03mm以內）、嚴格控制氮化工藝參數、嚴格校核氮化爐控溫儀表及嚴格工藝紀律檢查，均未解決此質量問題。
1 曲軸氮化后跳動超差率高的原因
為尋找我廠曲軸氮化后跳動超差率高的真正原因及解決措施，自1997年下半年起，我們先后作了上千根曲軸的多種對比工藝實驗及全國同行業的大量調研工作。通過對這些工藝實驗的結果及調研結果的綜合分析得出：引起我廠曲軸跳動超差的真正原因是：曲軸在氮化前就存在著較大的鑄件內應力。
球鐵內應力大于灰鐵內應力，曲軸一經氮化，在氮化溫度560～600℃下（本氮化溫度區正處于曲軸內應力釋放的定性溫度區域530～600℃內），該內應力便會被釋放出來并進行重新分布，從而造成曲軸的變形，即：氮化后曲軸跳動超差。氮化工序只是鑄件內應力的一個體現場所，氮化后跳動超差也僅是鑄件內應力在氮化階段重新分布的一種表現形式。因此，氮化工序只是曲軸氮化后跳動超差的一個載體或一個外在因素，而引起曲軸氮化后跳動超差的根本原因還在于曲軸在氮化前就存在著較大的鑄件內應力。
2 曲軸氮化前內應力大的主要原因分析
我廠曲軸與錫柴曲軸主軸頸跳動概況和生產工藝過程對比見表1和表2。
表1 主軸頸跳動概況對比
對比項目
曲軸主軸頸跳動
技術要求
氮化后曲軸主軸頸跳動情況
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）
超差曲軸
處理方式
我廠曲軸
≤0.05mm
≤0.08mm
60%～80%
20%～40%
0.85
熱校
錫柴曲軸
≤0.04mm
≤0.08mm
95%
5%
0.25
熱校
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生產廠家
工 藝 路 線
我廠曲軸
鑄造-正火-回火-定性-機加工-氮化-拋光-裝配
錫柴曲軸
鑄造-正火-粗加工-定性-精加工-氮化-拋光-裝配
我廠曲軸采用與錫柴曲軸相同的熱處理方式，但氮化后其跳動超差率仍然很高，并且跳動超差的數值較大，這說明我廠曲軸在氮化前普遍存在著較大的鑄件內應力。經分析，其主要原因是：
?。?）曲軸正火冷卻不均勻
我廠曲軸的正火冷卻方式是采用霧冷，噴霧源單一且在某一固定方向上進行噴霧，曲軸也固定地擺放在地面上。這種噴霧方式在冷卻時極易造成曲軸向著噴霧源的一邊冷卻快，背向噴霧源的一邊則冷卻慢。由于曲軸的正火冷卻不均勻，便產生了硬度不均勻及珠光體含量不均勻，進而造成較大的鑄件內應力。
?、僭谌粘５那S生產中，無論定性與否，其本體硬度都在HB170～250的范圍內，均偏低或達不到圖紙要求（圖紙要求為HB240～320）。在抽檢中還多次發現，同一根曲軸上有硬度嚴重不均勻的現象，有的曲軸僅大頭端面硬度差就達HB60～80；
?、谥楣怏w含量也發現有嚴重不均勻的現象。例如：在一次疲勞試驗的取樣中發現，同一曲軸的同一截面上，其珠光體含量相差30%之多。
（2）曲軸的定性設備加熱不均勻
我廠曲軸的定性是無架碼放在臺架上，用反射爐直接加熱，控溫點僅有一處，溫度的顯示值不能表示曲軸堆內的實際溫度，實踐中也多次出現定性過燒的情況。由于溫度無法準確控制，該工序消除內應力也就處于無法控制的狀態。
下面分別將錫柴曲軸的正火設備、定性設備和我廠曲軸的正火設備、定性設備加以對比分析：
?、馘a柴曲軸的正火設備和定性設備的分析
錫柴曲軸氮化后跳動超差率低，與其使用的正火設備和定性設備緊密相關。它使用的正火設備為連續式正火爐，該爐分四個溫度控制區域，工件加熱均勻，溫控嚴格。在加熱后的冷卻過程中，曲軸被懸掛于爐內，四周可進行噴霧或吹風，整個冷卻過程非常均勻。為消除鑄件內應力和機加工應力，錫柴在粗加工后的定性處理中，又采用專用的連續式定性電阻爐。該爐分六個溫度控制區，溫度為600℃。定性曲軸每6件分兩層（少量），由小車送進爐一次（生產節拍為每半小時運行一車）。該爐特點是：定性加熱溫度均勻，溫控嚴格，工件受熱也均勻，能夠較為徹底地減少或消除鑄件內應力和機加工應力，以達定性的目的。
?、谖覐S曲軸的正火設備和定性設備的分析
我廠曲軸的正火設備自今年五月份以來改用電爐加熱，加熱較為均勻。定性設備則為反射爐，其加熱方式是通過燃燒煙煤進行加熱，加熱的均勻程度絕大部分取決于人為的操作。反射爐爐膛較大，一爐可定性800～900件曲軸，但其測溫系統卻只有一個溫區，用一支熱電偶進行測溫，因此，在這種反射爐中用這種測溫系統測出的溫度只能代表爐內熱電偶附近的溫度，不能代表整個爐內工件的受熱溫度。顯然，溫度難以控制是造成加熱不均勻的一個重要原因。另外，值得一提的是，我廠曲軸的定性通常一爐定800～900件，且曲軸在爐內的放置方式是堆放，這樣，工件在定性時受熱就更加不均勻，同時還會造成曲軸在熱態下的互相擠壓等不良現象，增加了曲軸的變形趨勢。
#p#分頁標題#e#3 解決措施
從我廠工藝實際和理論分析，我們認為：曲軸的正火冷卻階段由于冷卻介質與工件接觸不均勻，造成冷卻過程中工件各部位的冷卻速度不均勻，進而造成較大的鑄件內應力；曲軸的定性加熱不均勻，難以進行嚴格的溫度控制，又將造成曲軸的定性失控，不能徹底消除鑄件內應力，這是我廠曲軸第三主軸頸跳動超差的根本原因所在。
若我廠曲軸的生產仍按正火+定性+氮化工序進行。那么，要解決氮化后跳動超差率高的問題，同時又要滿足我廠的生產綱領，關鍵是要解決如下兩個問題：
?。?）解決曲軸正火階段的質量問題
在保證曲軸的硬度、珠光體含量合乎圖紙設計要求的同時，應力求使曲軸具有較為均勻的正火冷卻過程，使獲得的硬度及珠光體含量也較均勻，從而，使曲軸在正火階段形成的內應力較小且分布較均勻。
（2）解決曲軸的定性工序質量問題
定性工序是減少或消除鑄件內應力較為關鍵的一道工序。由于設備上的原因及曲軸在爐內的放置方式上的原因，我廠曲軸幾乎沒有起到“定性”的作用。因此，要解決我廠曲軸的定性質量問題，就必須從定性設備及工件在爐內的放置方式入手。定性設備必須滿足爐內工件受熱均勻，溫度控制系統能真實地反映爐內工件的溫度變化情況。經參考錫柴使用的專用連續式定性電阻爐，從“溫控一定要均勻，工件受熱一定要均勻，擺放一定要合理，同時提高定性溫度使之略高于氮化溫度”這一思路去解決定性設備的選用。現階段，必須改變大量曲軸在爐內的堆放及互相擠壓的放置方式，這可從工裝上加以考慮。另外，在定性設備及工裝得以解決的情況下，我們認為曲軸的定性工序放在粗加工后進行較為合適。
找準引起我廠曲軸氮化后跳動超差率高的原因后，在現有設備的情況下，我們通過工藝實驗 （4100QB摻銅曲軸采用“風冷”的正火冷卻方式及電爐回火工藝方案）尋求行之有效的解決措施。該工藝實驗思路為：先將曲軸在鑄造時加入適量的銅進行合金化，使其在形成鑄態曲軸時，就可使其組織形成大量的珠光體（約70%～75%左右），在隨后的正火階段冷卻過程中，采用冷卻速度較慢、易控制的較均勻的風冷。這樣，既滿足了曲軸組織的珠光體含量，又滿足了曲軸正火的冷卻過程中形成較小的鑄件內應力。這些較小鑄件內應力在隨后的電爐定性回火中，由于溫度均勻易控（600℃，略高于氮化溫度590℃），回火中曲軸相互隔離無擠壓，內應力得以充分釋放和均勻再分布，從而達到消除殘余鑄件內應力的目的。該工藝實驗最后結果較為理想，146件實驗曲軸經氮化后其第三主軸頸跳動超差率為：5.36%，該數值是關于第三主軸頸跳動實驗以來最為理想的一次，它為解決我廠曲軸長期以來一直存在的問題提供了有力的理論依據和實驗數據。
另外，由于曲軸在氮化階段不可避免地會因鑄件內應力的釋放和重新分布造成曲軸變形。這種曲軸變形在采用氮化工藝后（氮化工藝必須放在曲軸加工工序的最后一道工序），因無法得到修正而成為永久的變形。為此建議：對于曲軸疲勞強度的強化處理采用中頻淬火+圓角滾壓工藝進行處理，這樣，在最后的精磨階段可適當修正曲軸在前工序帶來的變形。這種工藝方法目前已在一些大型汽車廠家如一汽、二汽、神農汽車廠和天津夏利汽車廠等得到廣泛的應用。
還有，對于跳動在0.30mm以下的已超差的曲軸，在購買的定性回火電爐到廠之前，我們采用熱校正的辦法來加以利用。這些熱校超差曲軸經切片取樣進行金相分析和疲勞試驗，均能達到設計技術要求。
（工藝實驗結果及分析略）
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