吴慧超摩托车凸轮轴生产制造工艺研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坯件高温石墨化退火后残余共晶碳化物数量的关

2、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Motorcycle Camshaft Manufacturing TechnologyAbstractThis study is according defect analysis of quality, technology analysis and the result of the craft test .analyzing and discussing about the reason which caused varies

3、defect in the production of motors camshafts, found out the factor which affected the ultimateperformance 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 ultimate performance and life-spa

4、n 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 indegrient of blank .it can efficientl

5、y 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, Thedefect of quality ,The Craft point and crux ,Temper目 录1 绪论11.1 凸轮轴工作概况21.2 凸轮

6、轴生产制造工艺21.3 几种摩托车凸轮轴生产工艺比较31.4 工艺控制的背景及预期效果和意义42 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42.1 KTZ65002可锻铸铁凸轮轴坯件现行生产工艺流程42.2 凸轮轴毛坯主要缺陷42.3现行工艺条件下凸轮轴坯件的主要缺陷72.4 坯件主要缺陷对凸轮轴坯件性能指标的影响72.5.1 坯件缺陷对机械加工性能的影响82.5.2 凸轮轴坯件缺陷对最终热处理性能的影响93 凸轮轴成品主要缺陷103.1 凸轮轴总成生产流程图103.2 凸轮轴成品结构尺寸图113.3 成品凸轮轴主要缺陷113.3.1 宏观及性能指标缺陷。113.3.2 显微

7、组织缺陷113.3.3 现行工艺条件下成品凸轮轴主要缺陷数学统计分析124 影响凸轮轴工作寿命的主要性能指标和缺陷分析134.1凸轮轴工作寿命评价指标134.2影响凸轮轴工作寿命的主要性能指标13凸轮表面硬度对凸轮轴工作寿命的影响13凸轮轴表面粗糙度对凸轮工作寿命的影响13凸轮轴凸轮表面显微组织对凸轮轴工作寿命的影响135凸轮轴坯件生产工艺控制的重点和难点155.1铸造工艺控制要点15工艺控制要点15工艺控制重点和难点155.2凸轮轴坯件的热处理工艺16热处理工艺要点17热处理工艺控制重点和难点176 凸轮轴成品生产工艺控制的重点和难点186.1凸轮轴高频淬火工艺18工艺要点19工艺重点及难点

8、196.2凸轮轴精磨工艺20凸轮轴精磨工艺控制要点20凸轮轴精磨工艺控制的难点207 结束语20致谢21参考文献211绪论1.1凸轮轴工作概况摩托车配气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

9、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、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HRC5563。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

10、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。（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

11、铸铁凸轮轴一般需经过淬火、回火或高频淬火处理，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

12、，采用灰口铸铁、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、韧性、塑性指标，

13、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。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2000年，州125车凸轮轴在三包期内发生凸桃裂纹、异常磨损造

14、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

15、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、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

16、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、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

17、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图2.2缩孔 图2.3缩松（2）微观缺陷枝晶状石墨

18、：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（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

19、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0.1mm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

20、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

21、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

22、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。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

23、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

24、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。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

25、分解，减少残余渗碳体量的作用，提高凸轮轴的机械加工性能；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

26、加工没有比较明显的影响。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物都是凸轮轴坯件常见的组

27、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）化学成分的影响化学成分缺陷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

28、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

29、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

30、去应力回火品质检验磷酸镁处理压装精磨图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。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

31、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。显微组织缺陷（1）非马氏体组织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

32、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3.3过热组织 图3.4过烧组织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

33、称出现频次累计出现频次比率累计比率硬度不足18183636过热15333066裂纹10432086淬硬层深度不良447894非马氏体组织249498过烧1502100从上表可看出，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2

34、00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

35、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。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。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，即对凸轮粘着磨损过程的影响和对凸轮磨粒磨损过程的影响。（

36、1）显微组织对粘着磨损过程的影响显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

37、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:非正常表面组织主要是指非正常的高频淬火

38、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

39、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工艺控制要点（1）烘炉时炉衬必须缓慢加热烘烤，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

40、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

41、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。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

42、实际配料熔炼生产中，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

43、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

44、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。热处理工艺要点（1）入炉

45、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/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。热处理工艺控制重点和难点（1）通过前面的讨论可知

46、，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。（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

47、后的残余共晶碳化物量增高;所以，这些都是需要重点控制的要素，应严格按工艺要求执行:而产生二次网状碳化物的原因主要是退火后的冷却速度太慢引起，应该及时扒散风冷以确保冷却良好。（4）在第二阶段低温退火工艺过程中，影响珠光体粒、片比例的要素有退火温度、退火保温时间和装炉量，当退火温度偏低、退火时间不足或装炉量过大都会使片状珠光体的球化过程延缓，从而使退火后的粒状珠光体量不足，反之，又会使片状珠光体量不足，影响高频淬火性能。所以，对工艺过程应严格按照工艺卡片的规定进行控制。（5）凸轮轴坯件中共晶碳化物的分解除受到工艺参数的影响外，还受到坯件化学成分的影响，特别是凸轮轴化学成分中硅含量的影响，为了在铸造

48、时抑制铸态石墨的析出，得到全部白口的基体组织，凸轮轴坯件的化学成分中硅的含量设计值在可锻铸铁中偏低，为1.0%一1.6%，低于常规的1.3%一2.0%，在实际工艺操作中，如果硅含量偏下限，甚至低于规定值，就会造成第一阶段石墨化退火在正常工艺时间内无法完成，残余共晶碳化物量超差;所以，如果不针对铸造后生坯的化学成分进行适当的工艺调整，靠正常工艺控制来保证凸轮轴第一阶段石墨化退火的质量是无法完全实现的。（6）对于第二阶段低温退火工艺而言，要控制珠光体粒状与片状的比例，在温度一定的情况下，保温时间是决定性的因素，但由于要求得到40%一60%的片状珠光体，对工艺控制的精度要求太高;而且，在产品质量的检

49、测和验收上也存在很大的误差，再加上原始珠光体片间距和装炉量对球化时间、速度有不小的影响，所以现行工艺对珠光体粒、片比例的保证能力较低的，这从该缺陷在凸轮轴坯件缺陷出现的数学统计中可以得到证实。6 凸轮轴成品生产工艺控制的重点和难点凸轮轴成品的生产工艺包括了高频淬火工艺和精磨工艺，对成品凸轮轴缺陷的数学统计表明，成品凸轮轴的主要缺陷是占缺陷总量86%的硬度不足和磨削裂纹两种缺陷。前者主要产生于高频淬火工艺过程，而后者主要产生于磨削加工过程。6.1凸轮轴高频淬火工艺凸轮轴高频淬火工艺过程如图6.1图6.1凸轮轴高频淬火工艺过程工艺要点（1）凸轮轴坯件表面不得有脱碳、贫碳现象，否则会形成软点和硬度不

50、足。（2）凸轮轴表面不得有微裂纹等缺陷。（3）凸轮轴坯件组织的晶粒应尽量均匀和细小。（4）每班淬火前应对淬火机的工况进行检查、试机，包括淬火机电参数，感应圈极工件的相对位置，冷却是否正常，然后，才能进行批量生产。（5）对于不同批次的产品，应由工艺技术人员根据坯件组织状况对淬火电参数进行适当调整，编制淬火工艺程序后进行淬火处理。（6）按照检基规定的抽检规定，定期进行质量检测，根据检测结果对工艺参数进行及时修正。工艺重点及难点凸轮轴成品缺陷数学统计中，位于缺陷数量分布头两位的硬度不足和过热均产生于高频淬火工艺过程，它们同时也是对凸轮轴成品使用寿命影响最大的两个缺陷指标。（1）对于淬火工艺，为了得到

51、良好的高频淬火表面组织和表面硬度，凸轮轴的高频淬火工艺参数的确定原则是在保证淬火深度的前提下，尽可能采用较快的淬火加热速度和较低的淬火温度，而在实际淬火时，由于现行工艺下坯件组织状况的差异较大，常常会造成一些产品淬火不足而另一些又过热的情况发生，特别是在坯件质量波动较大时，矛盾更为突出，即使是有经验的技术人员，也不能完全把握各种情况下的淬火参数，只能进行有限度的调整，这是造成凸轮轴成品缺陷的重要因素。（2）对于回火工艺，由于是采用了自行回火工艺，虽有利于提高生产效率，但凸轮轴在淬火后不能充分冷却，淬火后的组织中有较多的残余奥氏体，而且自行回火没有在回火温度下等温停留的过程，因此，回火效果较差，淬火后零件内部的残余应力水平较高，容易发生开裂。6.2凸轮轴精磨工艺凸轮轴精磨工艺是凸轮轴最终尺寸获得的加工工序，其精磨后的质量直接影响到凸轮轴的配气性能以及使用寿命。凸轮轴精磨工艺控制要点（1）严格按照工艺卡片要求进行精磨操作，不得擅自缩短精磨进给时间，以免造成进刀过快，产生磨削烧伤。（2）对冷却液应按时进行更换，以保证正常的冷却效果。（3）对冷却液管道，应注意维护，保证其畅通;喷液位置应经常检查以保证冷却效果。（4）严格执行砂轮修正周期，防止砂轮片异常引起的磨削裂纹。（5）对凸轮轴的淬火层组织进行控制，尽可能的控制马氏体和残余奥氏体的级别，避免网状二次碳化物的存在。凸轮轴精磨工艺控