1、1 河南科技学院 2007 届本科毕业论文（设计） 论文题目：摩托车凸轮轴生产制造工艺研究 学生姓名： 吴慧超 所在院系： 机电学院 所学专业：机电技术教育 导师姓名： 李达敏 完成时间：2009 年 5 月 20 日 2 摘 要 本文通过大量质量缺陷分析、工艺分析并结合已有的工艺试验结果。 对摩 托车凸轮轴生产过程中各种缺陷及其产生原因进行了分析讨论，找出了影响凸 轮轴最终性能和使用寿命的因素，并提出了对工艺的重点和难点控制措施。 结果表明，在现行工艺下，影响凸轮轴最终性能及使用寿命的因素是凸轮轴 凸轮表面硬度及表面显微组织中残余共晶碳化物的数量。控制凸轮轴坯件化学 成分中硅含量是控制凸轮轴
2、坯件高温石墨化退火后残余共晶碳化物数量的关键 因素，而采用调质热处理工 艺代替凸轮轴低温退火，能有效避免凸轮轴高频淬火 后的硬度不足、过热、过烧等质量缺陷的产生。 关键词：凸轮轴，质量缺陷，工艺重点及难点，调质 3 Motorcycle Camshaft Manufacturing Technology Abstract This study is according defect analysis of quality, technology analysis and the result of the craft test .analyzing and discussing about t
3、he reason which caused varies defect in the production of motors camshafts, found out the factor which affected the ultimate performance and life-span, and bring forward the methods for control point and crux of the technology. Result show, under present processing, the factors which affecting the u
4、ltimate performance and life-span are the surface hardness of cam and quantity of remaining eutectic carbide in surface microstructure .the key to control the quantity of remaining eutectic carbide after high-temperature graphitization annealing is control the silicon quantity in the chemical indegr
5、ient of blank .it can efficiently to avoid the lack of hardness ,overheat and oversinter after camshafts high-frequency quenching, with the.employing of quench and high-temperature temper instead camshafts low- temperature annealing. Keywords :Camshaft, The defect of quality ,The Craft point and cru
6、x , Temper 4 目 录 1 绪论 .1 1.1 凸轮轴工作概况 2 1.2 凸轮轴生产制造工艺 2 1.3 几种摩托车凸轮轴生产工艺比较 3 1.4 工艺控制的背景及预期效果和意义 4 2 影响凸轮轴坯件成品率的主要缺陷及对凸轮轴坯件性能指标的影响 4 2.1 KTZ65002 可锻铸铁凸轮轴坯件现行生产工艺流程 .4 2.2 凸轮轴毛坯主要缺陷 4 2.3 现行工艺条件下凸轮轴坯件的主要缺陷 .7 2.4 坯件主要缺陷对凸轮轴坯件性能指标的影响 7 2.5.1 坯件缺陷对机械加工性能的影响 .8 2.5.2 凸轮轴坯件缺陷对最终热处理性能的影响 .9 3 凸轮轴成品主要缺陷 .10
7、 3.1 凸轮轴总成生产流程图 10 3.2 凸轮轴成品结构尺寸图 11 3.3 成品凸轮轴主要缺陷 11 3.3.1 宏观及性能指标缺陷。 11 3.3.2 显微组织缺陷 .11 3.3.3 现行工艺条件下成品凸轮轴主要缺陷数学统计分析 .12 4 影响凸轮轴工作寿命的主要性能指标和缺陷分析 .13 4.1 凸轮轴工作寿命评价指标 .13 4.2 影响凸轮轴工作寿命的主要性能指标 .13 5 4.2.1 凸轮表面硬度对凸轮轴工作寿命的影响 13 4.2.2 凸轮轴表面粗糙度对凸轮工作寿命的影响 13 4.2.3 凸轮轴凸轮表面显微组织对凸轮轴工作寿命的影响 13 5 凸轮轴坯件生产工艺控制的
8、重点和难点 15 5.1 铸造工艺控制要点 .15 5.1.1 工艺控制要点 15 5.1.2 工艺控制重点和难点 15 5.2 凸轮轴坯件的热处理工艺 .16 5.2.1 热处理工艺要点 17 5.2.2 热处理工艺控制重点和难点 17 6 凸轮轴成品生产工艺控制的重点和难点 .18 6.1 凸轮轴高频淬火工艺 .18 6.1.1 工艺要点 19 6.1.2 工艺重点及难点 19 6.2 凸轮轴精磨工艺 .20 6.2.1 凸轮轴精磨工艺控制要点 20 6.2.2 凸轮轴精磨工艺控制的难点 20 7 结束语 .20 致谢 .21 参考文献 .21 1 绪论 1.1 凸轮轴工作概况 摩托车配气
9、机构的主要零件之一凸轮轴是摩托车发动机最大的摩擦件；在发 6 动机中运行速度较高、接触应力大、 润滑困难;特别是凸轮轴桃尖部位长期工作在 高的接触疲劳应力下，极易产生刮伤、撕裂、割落、及早期磨损失效。严重时几个 小时，甚至更短的时间就损坏，造成 发动机异响、返修。凸轮轴的工作特点决定 了它必须是具有一定的强度和刚度，一定韧性、良好的耐磨性。同 时，由于凸轮 轴的结构特点如图 1.1 所示，它还必须有好的机械加工性能。 图 1.1 凸轮轴结构图 1.2 凸轮轴生产制造工艺 （1） 采用钢件制造摩托车凸轮轴 早期摩托车凸轮轴的生产采用了碳钢或 45 号钢经锻造、切削加工成型，然 后进行渗碳、淬火、
10、回火处理或表面高频淬火处理，使桃尖部位的显微组织为针 状马氏体淬硬层，其淬硬层 深度一般为 11.5m，硬度为 HRC55 63。这种工艺 过程较为复杂、工序较多、周期长而且生产成本高。 （2）采用冷激铸铁制造凸轮轴 采用低合金冷激铸铁制造摩托车凸轮轴是一种加工工序少、成本低廉的制 造工艺。它采用了在凸轮轴 桃尖部位获得相当深度的白口组织来保证凸轮表面 的耐磨性和心部的韧性。一般白口层的硬度控制在 HRC45，有的企业为了进一 步强化其耐磨性，还对凸桃部位进行高频淬火处理。 （3） 采用灰铸铁制造凸轮轴 灰口铸铁以其良好的加工性和铸造性能被广泛应用于摩托车零部件生产。 用灰口铸铁生产摩托车凸轮
11、轴具有工艺简单，成本低廉、耐磨性和减震性较好的 特点。其热处理一般采用淬火、回火或高 频淬火处理来达到获得凸桃尖部耐磨性 的目的。 7 （4） 采用球墨铸铁制造摩托车凸轮轴 在铸铁中，当石墨呈球状时，石墨 对金属基体连续性的破坏作用最小，同时 还能避免石墨呈片状时造成的应力集中.所以，采用球墨铸铁等温淬火工艺生产 摩托车凸轮轴，既能提供摩托车凸轮轴耐磨性所需的硬度，又能提供整体的强度 和塑韧性。 （5） 采用可锻铸铁制造摩托车凸轮轴 可锻铸铁是由一定成分的白口铸铁毛坯经石墨化退火而成。采用可锻铸铁 制造摩托车凸轮轴是当今国内外比较常用的生产制造工艺。可锻铸铁凸轮轴一 般需经过淬火、回火或高频
12、淬火处理，才能 获得应有的耐磨性和强度、 韧性指标。 1.3 几种摩托车凸轮轴生产工艺比较 由于凸轮轴的复杂结构，采用钢件生产制造摩托车凸轮轴工序多、工艺复杂、 成本高.特别是钢制凸轮轴为保证凸桃的耐磨性，凸桃表面显微组织是以针状马 氏体为基体组织，没有低硬度的组织形成的储存油凹谷。在摩托车凸轮轴高速转 动时，润 滑条件恶劣，极易发生早期磨损。所以，采用钢件生产制造摩托车凸轮 轴的工艺在国内外己不多见。 相对钢而言，铸铁件本身具有良好的耐磨性、减振性，而且由于石墨的 储油 和自润滑作用，铸铁被大量 应用于发动机零部件的生产上。其工艺简单，加工性 能好，便于流水线生产。 在我国摩托车发展史上，采
13、用灰口铸铁、冷激 铸铁、球墨铸铁以及珠光体可 锻铸铁生产制造摩托车凸轮轴，都形成了比较成熟的工艺，其生产出的产品也各 有优缺点。 不可否认，单就耐磨性而言，采用冷激铸铁生产制造的摩托车凸轮轴具有相 当高的耐磨性，但由于其主要显微组织是白口组织和灰口组织，整体的强度和韧 性较差、脆性大，在长时间的弯曲疲劳应力的作用下，易发生疲劳断裂。从在市 场发现的凸轮轴恶性断裂失效来看，有相当部分属冷激铸铁件。所以，采用冷激 铸铁生产制造的凸轮轴只适应在低转速，小负荷的发动机中工作。 采用可锻铸铁和球墨铸铁生产制造摩托车凸轮轴是当今普遍流行的生产工 艺。可锻铸铁和球墨铸铁有着相近的机械性能指标，即较高的强度、
14、 韧性、塑性 指标，能 够满足凸轮轴承受高的接触疲劳应力和弯曲疲劳应力的需要。根据统计 资料表明，作为中国摩托车 生产基地的重庆，采用可锻铸铁和球墨铸铁生产摩托 车凸轮轴的占 98%以上。市 场质量信息反馈也表明，采用可锻铸铁及球墨铸铁的 凸轮轴发生 A 类恶性质量事故的几乎未发现，而采用灰口铸铁和冷激铸铁生产 的凸轮轴发生 A 类恶性断裂事故的却时有发生。 8 1.4 工艺控制的背景及预期效果和意义 随着近年来国内摩托车企业的迅猛发展,各大摩托车生产厂商的竞争也日趋 激烈,而用户的要求也越来越高,对发动机的三包期也相应延长,因而对发动机品 质提出了更高的要求, ，据嘉陵公司不完全统计，仅 2
15、000 年，州 125 车凸轮轴在 三包期内发生凸桃裂纹、异常磨损造成的索赔金额达 503400 元，2001 年 3 八 4 月份赔偿 590 件，金额 35388 元，占市 场品质问题总 金额的 24%，凸 轮轴质量问 题己严重地影响了嘉陵车在用户中的质量信誉。经对市场反馈回来的凸轮轴的 失效原因分析，造成凸轮轴 三包期内失效的原因主要是来自凸轮轴生产制造过 程中的各种缺陷，因而，对现行的凸轮轴生产工艺进 行优化和改进，是防止凸 轮 轴早期失效，降低市场三包 费用的根本途径。凸 轮轴 失效的主要形式是凸轮早期 磨损，造成凸轮轴早期磨损 的原因很多，它 们主要是来自于凸轮轴生产制造的各 个环
16、节各类质量缺陷，主要可分为铸造缺陷、 热处理缺陷和机械加工缺陷三大类， 随着国内摩托车生产技术的不断发展，各个摩托车生产企业的工艺技术人员为 了提高凸轮轴的使用寿命， 对铸造、 热处理、以及机械加工工艺的改进和优化都 做出了不懈的探索和努力，如由原来的凸轮轴整体淬火工艺改进成凸轮的高频 淬火工艺，大大增强了凸轮轴 的冲击韧性和抗疲劳强。但在凸轮的早期磨损方面， 由于影响因素太多、影响过 程复杂，因凸 轮轴凸轮磨 损引起发动机失效一直以来 都是困扰摩托车发动机质量的一大难解之题。 凸轮轴生产工艺的优化和控制将立足于中国嘉陵工业股份有限公司现行凸 轮轴工艺及设备条件下开展的，通过大量的产品缺陷分析
17、、工艺分析和工艺试验 数据，对 影响凸轮轴生产、加工以及最终使用寿命的各种工艺因素进行分析、 讨 论，研究出相应的工艺重点和 难点并实施，从而形成一套更加合理的生产工艺。 通过控制摩托车凸轮轴制造工艺，能有效提升摩托车发动机的质量，相应解决长 期的发动机凸轮轴生产废品率高的难题，有效降低市场三包索赔金额，给企业带 来巨大的经济效益和社会效益。同时，通 过对凸轮轴 生产工艺技术的实践与分析 研究，能够使工艺人员加深 对凸轮轴生产工艺的了解，提高对工艺的把握度， 对 企业生产和技术有着深远的意义。 2 影响凸轮轴坯件成品率的主要缺陷及对凸轮轴坯件性能指标的影 响 2.1 KTZ65002 可锻铸铁
18、 凸轮轴坯件现行生产工 艺流程 2.2 凸轮轴毛坯主要缺陷 凸轮轴坯件常见主要缺陷有宏观缺陷(包括宏观铸造缺陷和机械加工缺陷、 9 微观铸造缺陷和热处理缺陷)。 （1） 宏观缺陷 裂纹：凸轮轴坯件中的铸造裂纹分为冷裂纹和热裂纹，分别形成于高温和较 低温度，热裂纹断口呈氧化色，裂纹走向曲折而不规则 ，是沿晶界断裂所致 ;冷裂 纹是穿晶断裂，走向呈连续 直线状，表面干 净，具有金属光泽或有较轻的氧化色 阁。产生裂 纹的原因主要是在 铸造过程中， 铸件凝固 时收缩受阻造成的。 缩孔、缩松：缩孔、缩松均存在于凸轮轴热节处。缩 孔呈有树枝状晶的不规则 棱角状孔洞，集中分布( 如图 2.2)，而缩松呈分散
19、状，由许多细小的缩孔组成(如 图 2.3)。产生 缩孔、缩松的主要原因是在 铸造时的补缩 不足，而 补缩不足则跟浇 冒口的设计、以及铁液的碳硅含量有关。 图 2.1 KTZ65002 可锻铸铁凸轮轴坯件现 行生产工艺流程 10 图 2.2 缩孔 图 2.3 缩松 （2）微观缺陷 枝晶状石墨：对可锻铸铁来说，枝晶点状(如图 2.4)和枝晶片状石墨(如图 2.5) 都属于灰口缺陷，会造成铸 件机械性能的严重降低。凸轮轴坯件的轴颈部位最容 易出现枝晶状石墨，在随后的机械加工过程中，极易发生破裂。造成 该缺陷的主 要原因是铁液的化学成分配比不当，浇注时轴颈部位壁薄、过冷度较大而产生。 （3）热处理缺陷
20、 （1）残余共晶莱氏体:可锻铸铁是通过白口铸铁石墨化退火而成，如果退火不 良，如保温时间不足，就会残余下部分共晶莱氏体 组织 ，由于莱氏体是一个硬而 脆的相，它会给凸轮轴的机械加工以及成品的使用寿命带来不良的影响，因此， 残余共晶莱氏体量是凸轮轴毛坯件热处理质量的一个重要指标，一般不允许出 现。 （如图 2.6） （2）残余共晶碳化物:残余共晶碳化物实际上是凸轮轴 白口生坯中莱氏体组 织发生分解不完全，其中的碳化物还呈较大块状或短棒状，它对凸轮轴成品的使 用寿命有不良的影响。其含量应小于 1%，凡含量超过者，均 为不良品。 （3）点状石墨:点状石墨是凸轮轴坯件中存在的一种松散的絮状石墨，主要是
21、 由于在高温石墨化退火时，温度过高而造成的石墨形态不良。 （4）脱碳:脱碳对于凸轮轴坯件来说，是一种 较为常 见的缺陷(如图 2.7)，由于 在高温下长时间的石墨化退火，凸轮轴表面的碳容易被烧损而出现脱碳，一般凸 轮轴根据机械加工余量，允 许小于 0.1 mm 深度的脱碳层，大于该深度即为废品。 （5）珠光体量不足：为了保证凸轮轴在最终的淬火热处理时能得到足够的硬 度，凸轮轴 坯件必须具备较 高的珠光体含量，通常我公司将该指标控制在 95%以 上。产生珠光体量不足的原因，与低温石墨化退火 时间较长有关。珠光体粒状与 片状比例不良:珠光体粒状与片状比例的要求，是凸 轮轴毛坯特有的技术要求，主 1
22、1 要是为了调节凸轮轴坯件的硬度，既要有较好的机加工性能，又有较好的淬火性 能。 图 2.4 枝晶点状石墨 图 2.5 枝晶片状石墨 图 2.6 残余共晶莱氏体 图 2.7 脱碳 2.3 现行工艺条件下凸轮轴坯件的主要缺陷 为了找出现行生产工艺的主要问题所在, 就必须掌握现行工艺条件下，凸轮 轴坯件各种缺陷发生的频次，分布情况。根据有关资 料统计表明,凸轮轴坯件各种 缺陷的发生频率中, 珠光体粒状与片状比例不良、残余共晶碳化物、二次网状碳 化物、枝晶状石墨、化学成分的影响这五个方面的影响最为严重。 2.4 坯件主要缺陷对凸轮轴坯件性能指标的影响 凸轮轴坯件性能指标主要是指机械加工性能和热处理性
23、能。 凸轮轴坯件在铸造成型后还必须经过粗加工、粗磨凸轮等机械加工工序，部 分车型的( 如 JH70)凸轮轴坯件还需加工深孔，在大规模生产的条件下，对凸轮轴 坯件的机械加工性能的要求较高。凸轮的机械加工主要是切削和磨削，加工困难 主要体现在切削加工过程，由于切削加工性能和材料的基体硬度有紧密的关系 12 随着基体硬度的提高，材料的切削性能呈下降趋势，反之， 则呈上升趋势。 凸轮轴坯件在经机械加工后，最终进行高频淬火热处理以使凸轮部位获得 所需要的表面硬度，所以，凸轮轴坯件缺陷对热处理的影响，实际上就是对凸轮 轴高频淬火工艺的影响，而 对凸轮轴高频淬火产生影响的坯件缺陷主要是组织 缺陷。 2.5.
24、1 坯件缺陷对机械加工性能的影响 （1）珠光体粒状与片状比例不良的影响 珠光体组织在凸轮轴坯件中是最主要的基体组织，其形态可分为粒状珠光 体和片状珠光体;粒状珠光体的硬度低于片状珠光体，因此，切削性能比片状珠光 体好; 而片状珠光体比粒状珠光体有更好的高频淬火性能。为了兼顾淬火性能和 机械加工性能，我公司对珠光体形态及数量做出了要求，即 40%一 60%片状，60%一 40%粒状，当片状超 过比例时，会造成硬度偏高，加工困难，特别是钻深孔，钻头 的使用寿命大幅度降低。 （2）残余共晶碳化物的影响 残余共晶碳化物在凸轮轴坯件组织中属微量组成相，虽然其本身硬度很高， 但对整体硬度的提高不大，它 对
25、切削加工性能的影响不完全是通过硬度来实现 的。在残余共晶碳化物量超过 3%，切削加工性能的大幅度降低，其影响甚至超过 硬度对加工性能的影响。 （3）二次网状碳化物 二次网状渗碳体对凸轮轴机械加工性能的影响也是通过对基体硬度的影响 来实现的，由于渗碳体呈网状分布，使凸轮表面硬度 值有较大幅度的提高，增加 了切削加工和磨削加工的难度，加快了刀具的磨损报废。 （4）枝晶状石墨 枝晶状石墨的存在使基体的塑韧性、强度、硬度 值都大幅度的下降，它的存 在有利于切削加工，但由于它的出现使凸轮轴坯件及成品的机械性能恶化，并且， 在加工过程中凸轮轴颈部容易发生批量破裂而产生报废，所以，枝晶石墨整体对 机械加工的
26、影响是负面的。 （5）化学成分的影响 化学成分缺陷是现行工艺条件下主要的坯件缺陷之一，它对机械加工性能 的影响是一个比较复杂而综合的过程，它主要是通过对铸造、对热处理、 对金相 组织的影响来间接影响凸轮坯件的硬度，从而影响机械加工性能。由于可锻铸铁 的是有白口生坯经石墨化退火而成，石墨化的程度是直接影响凸轮游离渗碳体 量的因素，石墨化越彻底，即是说渗碳体分解越彻底，石墨化程度越不完全，残 余渗碳体的量就越多。 13 因此，我们可以认为化学成分中各种元素对凸轮机械加工性能的影响按照 对石墨形成的作用分为两类，即有促进石墨化作用的元素，能促进共晶渗碳体的 分解，减少残余渗碳体量的作用，提高凸轮轴的
27、机械加工性能；有阻碍石墨化作 用的元素，有可能使石墨化退火后残余渗碳体量较多，不利于凸轮轴坯件的机械 加工性能。特别是石墨中最主要的元素 Si 对凸轮轴 固体石墨化过程具有较大的 影响，随着硅含量的增高，共晶碳化物的分解过程加快，分解更彻底，机械加工 性能越好，随着硅含量的降低，共晶碳化物的分解愈困难，机械加工性能也随之 降低。 （6）珠光体量不足 珠光体量不足是指凸轮轴坯件珠光体量达不到规定的 95%的含量，表现在 基体硬度上会使硬度值达不到规定值或偏下限，有利于机械加工。 （7）其它缺陷的影响 由于凸轮轴坯件的其它缺陷影响非常小，可以认为凸轮轴坯件的其它缺陷 对凸轮轴坯件的机械加工没有比较
28、明显的影响。 2.5.2 凸轮轴坯件缺陷对最终热处理性能的影响 （1）珠光体粒状与片状比例不良的影响 珠光体粒状与片状比例不良是凸轮轴坯件最主要缺陷。作为珠光体可锻铸 铁材料的凸轮轴坯件，为了便于大批量加工生产，需要具有良好的加工性能，因 此，希望获得以粒状珠光体 为主要成分的具有良好机械加工性能的基体组织;但 由于高频淬火的工艺特殊性，即加热、保温 时间极短，以粒状珠光体为主的基体 组织在高频淬火时往往无法获得应有的表面硬度和硬化层深度，所以，对珠光体 组织中片状与粒状比例的规定是在加工和淬火特定工艺条件下的坯件缺陷。 （2）残余共晶碳化物和二次网状碳化物的影响 残余共晶碳化物和二次网状碳化
29、物都是凸轮轴坯件常见的组织缺陷，二者 在形态上虽有所不同，但对 凸轮轴高频淬火的影响是一致的。即由于淬火加热速 度快，时间 短，来不及溶入奥氏体中，在淬火后能基本保持淬火前的形 态，而且 在碳化物的周围，有时会使奥氏体中的碳过饱和而在淬火后产生较多的残余奥 氏体，从而使硬度及耐磨性降低;除此之外，网状二次碳化物会增大高 频淬火裂纹 形成的敏感性，容易引起淬火裂纹。 （3）珠光体量不足 珠光体量不足对高频淬火的影响主要体现在奥氏体化不能完全实现，这是 因为珠光体量不足必然导致铁素体量的增多，延缓奥氏体化的速度，使在正常工 艺下淬火无法完全得到马氏体组织。 （4）化学成分的影响 14 化学成分缺陷
30、对凸轮轴高频淬火的影响是通过化学成分缺陷引起的组织变 化来实现的，如促进石墨形成元素会使残余共晶分解更彻底，使高频淬火时奥氏 体均匀化时间缩短，有利于高 频淬火。而阻碍石墨形成元素会使残余共晶碳化物 的分解不彻底，造成高频淬火 时奥氏体均匀化困难，或淬火后残余奥氏体量增多。 （5）石墨缺陷的影响 石墨缺陷本身对高频淬火没有大的影响，但象枝晶石墨、聚虫状石墨的大量 存在，会引起坯件石墨周围贫 碳而出现较多铁素体组织，不利于高频淬火。裂 纹 的影响是由于在粗磨时，坯件裂纹没有得到完全消除，在进行高频淬火时裂纹会 在热应力和组织应力的作用下进一步发生扩展，使零件在高频淬火后报废。 小结： （1）在凸
31、轮轴机械加工过程中，对加工性能起决定性作用的因素是珠光体组 织和渗碳体组织的形态和分布;其中，作 为基体主要 组成相的珠光体组织粒状和 片状比例是主要影响因素，它直接通过对基体硬度的影响来影响凸轮轴坯件的 机械加工性能，当片状珠光体量超过 60%，凸 轮轴 的机械加工性能变差。 （2）现行工艺中影响凸轮轴坯件热处理性能的最主要因素是基体中珠光体组 织粒状与片状比例，当片状珠光体量不足 40%时，将不能保证高频淬火后凸轮表 面的硬度和组织要求。 （3）现行工艺中其它一些坯件缺陷对凸轮轴机械加工性能和热处理性能的影 响是轻微的和间接的。 3 凸轮轴成品主要缺陷 现行凸轮轴总成生产工艺凸轮轴坯件在钻
32、深孔和粗磨凸轮后，还必须经过 热处理成成品。 3.1 凸轮轴总成生产流程图 凸轮轴总成生产流程如图 3.1 所示： 凸轮轴 毛坯件 高频淬火 去应力回火 品质检验磷酸镁处理压装 精磨 15 图 3.1 凸轮轴总成生产流程图 3.2 凸轮轴成品结构尺寸图 图 3.2 凸轮轴成品结构尺寸图 3.3 成品凸轮轴主要缺陷 成品凸轮轴主要缺陷可分为宏观及性能指标缺陷和显微组织缺陷。其中，两 类缺陷互为因果，但受生产 工艺的影响又有各自的特点。 3.3.1 宏观及性能指标缺陷。 （1）性能指标缺陷 凸轮轴性能指标缺陷主要是指硬度不足和淬硬层深度不良，不能提供凸轮 轴工作所需要的耐磨性能。通常，引起凸轮轴硬
33、度不足和淬硬层深度不良的原因 很多，但总的来说可分为工 艺因素和坯件自身的缺陷因素。由于高频淬火的时间 很短，如果高频淬火工艺参数 选择不当，坯件原始 组织 状态不良都可能引起高频 淬火后的硬度不足和淬硬层深度不良。 （2）宏观缺陷 宏观缺陷主要是指在精磨后发现的磨削裂纹，其产生原因分为两类，一类是 淬火后回火不足或有组织缺陷，精磨时发生开裂形成; 另一类是磨削工艺不当，产 生的热应力超过材料所能承受的强度而发生开裂。 3.3.2 显微组织缺陷 （1）非马氏体组织 16 表现为应淬火区域有大量非马氏体组织，主要原因是高频淬火工艺参数选 择不良或坯件原始组织不良，致使采用正常的淬火工艺无法得到所
34、需的马氏体 组织。非 马氏体组织带来的后果是零件的硬度达不到技术要求，无法提供工作所 需的耐磨性。 （2）过热 过热是由于高频淬火时温度过高或加热时间过长所致，其组织表现为马氏 体针异常粗大，并出现大量残余奥氏体。因为感应淬火的尖角效应，它最容易 发 生在凸轮轴的桃尖部位，它的 发生，使凸桃尖部的硬度大幅度降低而达不到应有 的耐磨性。 （如图 3.3 所示） （3）过烧 过烧产生的原因与过热一样，只不过比过热更为严重，除了马氏体针极其粗 大外，局部区域还有基体熔融 现象和莱氏体组织出现。过烧也容易发生在凸桃尖 部，使凸桃尖部的硬度达不到技术要求，无法提供要求的性能。 （如图 3.4 所示） 图
35、 3.3 过热组织 图 3.4 过烧组织 3.3.3 现行工艺条件下成品凸轮轴主要缺陷数学统计分析 现以嘉陵公司凸轮轴生产单位一公司发动机二分厂自 2001 年 12 月到 2002 年 6 月发现的有缺陷的凸轮轴成品为样本空间进行统计，总计 47 件，其各 类缺陷的数量分布如表 3.1 所示 表 3.1 成品凸轮轴质量缺陷数量分布表 缺陷名称 出现频次 累计出现频次 比率 累 计比率 硬度不足 18 18 36 36 过热 15 33 30 66 裂纹 10 43 20 86 淬硬层深度不良 4 47 8 94 17 非马氏体组织 2 49 4 98 过烧 1 50 2 100 从上表可看出
36、，前三项缺陷的出现数量分布占了所有缺陷数量的 86%，而位 于第四、二、五、六位的非马氏体组织、过热、过烧、淬硬层深度不良四种缺陷在 凸轮轴宏观性能上的表现也是硬度不足。所以，可以 认为， 现行工艺条件下，硬 度不足和磨削裂纹是凸轮轴成品最主要的质量缺陷。 4 影响凸轮轴工作寿命的主要性能指标和缺陷分析 4.1 凸轮轴工作寿命评价指标 凸轮轴的工作寿命是以摩托车发动机凸轮轴的升程曲线作为评价指标，按 凸轮轴寿命试验规范，在进 行摩托车发动机 200 小时台架试验或 7000 公里道路 试验内，凸 轮轴升程曲线应 能够满足发动机配气的基本升程要求。在正常工作状 态下，凸 轮轴的凸轮的最大直径即桃
37、尖部位是整个升程曲线中最容易受到破坏 的地方，因此，我们也可以用凸轮的高度值来作为凸 轮轴工作寿命的评价指标。 4.2 影响凸轮轴工作寿命的主要性能指标 4.2.1 凸轮表面硬度对凸轮轴工作寿命的影响 在正常工况下，凸轮为铸铁件， 摇臂为钢件镀硬铬。凸轮表面与摇臂表面在 正常情况下主要是发生粘着磨损。粘着磨损在材料方面起决定作用的是粘着磨 损系数、磨损常数与材料的硬度，在确定的摩擦付中，磨损系数和常数一定的情 况下，硬度是决定材料耐磨损性能的关键因素。随着材料硬度值的提高，材料的 耐粘着磨损性能越好。 通过已知的大量实验结果表明，凸轮的粘着磨损过程随着凸轮表面硬度值 的升高而逐渐减弱，特别是在
38、反映摩托车发动机性能的强化台架试验中，当凸轮 表面硬度达到 HRC55 以上 时，粘着磨损的过程更为缓慢，是我们所希望的理想 状态。而在 HRC50 以下硬度 时，粘着磨损的过程较为严重，容易使凸轮发生早期 磨损失效。 4.2.2 凸轮轴表面粗糙度对凸轮工作寿命的影响 凸轮轴的表面粗糙度对凸轮轴寿命的影响主要体现在对凸轮粘着磨损的影 响，粗糙度越高，粘着磨损的过程越激烈，反之，就越轻微。 4.2.3 凸轮轴凸轮表面显微组织对凸轮轴工作寿命的影响 凸轮轴表面显微组织对凸轮寿命的影响分为两个方面，即对凸轮粘着磨损 18 过程的影响和对凸轮磨粒磨损过程的影响。 （1）显微组织对粘着磨损过程的影响 显
39、微组织对粘着磨损过程的影响主要通过对凸轮表面硬度的影响反映出来， 而不同显微组织的形态和分布对凸轮表面硬度值的影响是不一样的。按工艺要 求，凸轮 表面的显微组织应该为团絮状石墨细针马氏体+残余奥氏体+细粒状碳 化物。 马氏体和残余奥氏体组织:马氏体和残余奥氏体是凸 轮表面最主要的显微组 织。马氏体是一种高硬度组织 ，有极好的抗粘着磨 损 性能，在凸 轮表面，马氏体 组织的形态随高频淬火工艺参数的变化而变化，一般来说，随着感应加热时间的 延长、温度的升高，马氏体针逐渐趋于粗大，在 马氏体 针逐渐趋于粗大的同时， 残余奥氏体的含量增高，由于残余奥氏体是一种低硬度的显微组织，它的含量的 增高会降低整
40、个凸轮表面的硬度，从而减弱凸轮的抗粘着磨损性能。所以， 为了 获得较好的抗粘着磨损性能，凸轮表面马氏体组织应尽可能的细，残余奥氏体含 量应尽量少。 石墨:石墨是一种硬度极低的组织。一方面，它的低硬度，影响了凸轮表面的 整体硬度，降低了凸轮的抗粘着磨损能力;另一方面，由于石墨在摩擦运 动中良好 的润滑作用，它对延缓凸轮 的粘着磨损过程，起着重要的作用。 综合来看，由于 石墨在凸轮表面的量较少，它 对硬度的负面影响是较小的，反而，作 为一个高速 转动的零件，润滑条件对凸 轮粘着磨损过程的影响是占主要地位的。 因此，正常情况下，石墨的存在对凸轮的抗粘着磨损性能有着积极的影响。 非正常表面组织:非正常
41、表面组织主要是指非正常的高 频淬火组淬火组织对粘着 磨损的影响是不利的，它们 主要是一些低硬度的组织的表面硬度达不到技术要 求。 （2）显微组织对磨粒磨损过程的影响 由于磨粒磨损是磨粒显微切削和磨粒作用下疲劳脆裂破坏的一种综合过程， 其最主要的特点是由磨料粒子的介入，对于正常工作状态下的凸轮来说，显微组 织中对磨粒磨损有影响的相主要是高硬度的碳化物，特别是由坯件组织带来的 残余渗碳体呈较大块状和条状，在凸轮的磨损过程中从凸轮表面脱落，形成磨粒， 加速凸轮的磨损过程。 小结： 通过已有的实验数据与分析，影响凸轮轴工作寿命的主要性能指标是凸轮 淬硬层的表面硬度值。影响凸 轮轴工作寿命的主要显微组织
42、是马氏体、残余奥氏 体及碳化物，它们的数量、形态、分布决定了凸 轮轴 的工作寿命。为了保证凸轮 轴的工作寿命，我们在坯件生 产中应尽可能避免残余渗碳体的存在，在高频淬火 19 中，应避免各种淬火缺陷引起的硬度不足。 5 凸轮轴坯件生产工艺控制的重点和难点 从第 2 章的缺陷统计资料表明，凸轮轴坯件缺陷发生频次最多的前五位是 整个凸轮轴的缺陷重点而需要加以控制的，找出影响产生这些缺陷的主要工艺 环节和因素，就能够有针对 性地进行控制、改 进和优 化，凸 轮轴坯件缺陷产生的 主要工艺过程有铸造工艺和热处理工艺。 5.1 凸轮轴坯件的铸造工艺控制要点 5.1.1 工艺控制要点 （1）烘炉时炉衬必须缓
43、慢加热烘烤，并保证彻底烘透而又不开裂。 （2）加料时应先加与柑祸内径相近的大块金属料(引炉块)作为开炉块，然后 加入熔点较低而又元素烧损少的炉料，再加其它炉料，合金一般最后加。 （3）熔炼时先要低压供电，以预热炉料，然后提高功率，至 铁水温度符合要求 后，或停电扒渣出炉，或降低电压进行保温， 这样可 较为精确的控制和调节铁水 温度。 （4）配料计算时，应掌握原材料的来源、质量及主要化学成分，凡不符合要求 的原材料不能投入生产。 （5）生铁、废钢、回炉铁、合金应经检选后使用，严禁用合金钢代替废钢使用， 使用前将原材料碎成小块。 （6）浇注中途不得停浇，以免发生渣孔、豆水、浇不足等缺陷。 （7）浇
44、注时铁水从出炉到浇注完毕，应控制在 15min 以内，以免因时间太长 而孕育衰退，或铁水流动性降低而浇不足，残余 铁水必 须倒掉。 （8）落砂时间 70 型必须控制在 810min，125 型必须控制在 1012min，以 避免初生石墨的析出而导致产品报废。 （9）落砂后应该马上扒散激冷，以尽可能的白口化。 5.1.2 工艺控制重点和难点 （1）凸轮轴坯件前十位的缺陷中，属于铸造缺陷的只有化学成分超差和枝晶 状石墨，从枝晶状石墨、点状石墨及其它铸造石墨缺陷 产生的工艺因素来看，在 可锻铸铁的生产中，主要与 铁液的化学成分及孕育不良有关。所以， 对配料和孕 育工序的控制，是控制凸轮轴 坯件铸造缺
45、陷的关键。 （2）在孕育剂的用量和孕育的时间上的控制上，要防止孕育衰退和孕育过度， 前者会造成石墨化退火中石墨化的困难，后者会导致铸态石墨等缺陷的出现。 （3）配料是凸轮轴坯件工艺控制的难点所在，因为在凸轮轴坯件实际配料熔 20 炼生产中，废钢的加入量是 60kg，按照要求是低碳钢，由于 废钢的来源比较复杂， 在实际分选过程中有可能混入一些高碳钢甚至合金钢；另外，在激烈市场竞争的 导向下，选用低成本的生铁是企业必然的选择，如嘉陵公司现在就使用了旺昌的 214 生铁代替原本溪生铁，由于不同产地生铁质量的差异，给配料计算的准确性 造成相当大的难度。 5.2 凸轮轴坯件的热处理工艺 第一阶段石墨化退
46、火 现在以 JH70 型和 JH125 型的石墨化退火工艺为例，如图 5.1 JH70 型 JH125 型 图 5.1 石墨化退火 第一阶段石墨化退火的目的是使凸轮轴白口生坯中的共晶碳化物不断溶入 奥氏体而逐渐消失，同时团 絮石墨逐渐形成。 第二阶段退火 凸轮轴低温石墨化退火工艺如图 5.2 图 5.2 凸轮轴低温石墨化退火工艺 对凸轮轴坯件的第二阶段退火工艺来说，它不同于常规意义上的低温石墨 21 化退火，其目的只是将基体中以片状珠光体为主的组织通过在共析转变温度附 近的保温部分球化，以达到降低凸轮轴坯件硬度，提高机械加工性能的目的，所 以，退火温度的选择比较低，鉴于对凸轮轴低温退火工艺的控
47、制难度很大，从珠 光体低温退火的目的，无非是要获得良好的机械加工性能和良好的高频淬火性 能，结合第一阶段石墨化退火后冷却不良出现二次网状碳化物情况，我们考虑采 用调质处理来代替第二阶段的低温回火工艺。从机械加工性能来看，以回火氏体 为基体的凸轮轴具有介于以片状珠光体和以粒状珠光体为基体组织的凸轮轴坯 件之间，而且，由于回火索氏体较粒、片混合 组织有更好的均匀性，对刀具的磨 损较小，有利于机械加工。从工艺性来看，由于采用了调质工艺，凸轮轴坯件的 硬度值变得容易控制，对工艺控制精度的要求大大降低，便于在大批量生产时保 证坯件质量。从高频淬火性能来看，由于在高频淬火前的坯件基体组织为调质组 织，回火
48、索氏体相对片状珠光体和粒状珠光体而言，有更高的弥散性，因而有更 好的向奥氏体转变的条件，即使在很大的加热速度下，索氏体向奥氏体的转变也 可以在较小的过热度下迅速完成，这就给高频淬火工艺参数的选择创造了有利 的条件，可以在较高的加热速度下缩短加热时间，以提高淬火机工作效率而又能 够保证淬火硬度。 5.2.1 热处理工艺要点 （1）入炉前应检查电源、仪表、冷却水是否正常，热电 偶是否接触炉壁，滴油 系统是否畅通。 （2）高温石墨化退火，返工品正火，采用料筐堆装;低温退火及返工品高温回 火采用专用夹具装入料格内，不能堆放。 （3）装炉后应柠紧炉盖，启动风扇，炉温升至 800，滴入煤油巧卜 200 滴
49、 /min，并打开废气管点燃废 气。 （4）出炉时应先关煤油，出炉后应迅速将堆放的产品散开，风冷采用大功率 风扇强制冷却至室温，空冷采用自然冷却至室温。 （5）炉温应每月校检一次，以保证炉温及仪表的准确，校检及运行纪录应由 专人保管备查。 （6）操作中应严格遵守工艺规程，不得擅自缩短或延长保温时间，引起石墨 化不良。 5.2.2 热处理工艺控制重点和难点 （1）通过前面的讨论可知，凸轮轴坯件的石墨化退火质量直接影响坯件的机 械加工性能和最终热处理性能并对凸轮轴的工作寿命有直接的影响，控制产生 缺陷的工艺环节是凸轮轴石墨化退火工艺控制的重点。 22 （2）凸轮轴坯件缺陷中，珠光体粒状与片状比例不良、残余共晶碳化物、二次 网状碳化物都是石墨化退火过程产生的坯件缺陷;其中，残余共晶碳化物和二次 网状碳化物是第一阶段石墨化退火不良产生的缺陷，而作为以获得合理珠光体 粒、片比例为目的的第二阶 段低温退火，珠光体粒状与片状比例不良显然是其主 要缺陷。 （3）在第一阶段石墨化退火工艺过程中，影响退火后残余共晶碳化物量的因 素主要是退火温度、保温时间 和装炉量，退火温度偏低、保温 时间不足、装炉量 过大都会造成退火后的残余共晶碳化物量增高;
