汽车制动凸轮轴的感应淬火

摘要：本文针对汽车制动凸轮轴的感应淬火工艺作简单介绍，制动凸轮轴是汽车刹车部件中的重要组成配件，要求其表面具有高的硬度及耐磨性，同时心部又要具有一定韧性，以满足高的疲劳强度要求。为满足这些要求，在感应器结构、电源参数、加热方式及冷却方式等方面，进行了全方位的设计。结果表明，此种淬火工艺完全满足凸轮轴淬火工艺的要求。
关键词：凸轮轴  表面淬火  感应加热

1 淬火工艺要求概述

       实验所用制动凸轮轴材质为45钢，轴径40mm，淬火技术要求为表面硬度52~63HRC，轴部淬硬层深度2~3.5mm，桃尖部淬硬层深度＜10mm。
如图1所示，汽车制动凸轮轴主要由桃心部、轴部及花键组成，其中桃心部和花键为仿形淬火，对淬火工艺有特殊要求。 2 淬火感应加热电源及机床选型  
        对于感应加热电源的选型而言，主要需确定两个参数：加热频率与功率。
淬硬层深度主要受加热频率、功率密度及冷却速度影响，其中加热频率是影响层深的主要因素。根据凸轮轴层深要求，通过公式计算，加热频率可选择15~25KHZ。加热频率高时，透入深度浅，能量更集中，加热效率也高，故在满足层深要求时，频率尽可能选择较高的频率，所以加热频率选择25KHZ。
       设备功率大小可依据工件尺寸和功率密度大小计算得出。 经计算应选用80KW中频加热电源，加热频率25KHZ。试验所用加热设备为北辰亿科中频感应加热电源Doubhe80/100，加热效果稳定，试验结果良好。
淬火机床选用轴类立式淬火机床，行程600mm。
3 感应器结构设计
        轴部采用单圈圆环感应器，带辅助喷水圈；桃心部采用仿形单圈感应器，带辅助喷水器，如图2所示。淬火方式均采用连续加热扫描式淬火法，轴部和桃心部分开淬火，轴部淬火时凸轮轴上下移动并同时旋转，可使加热和冷却更加均匀。
桃心部淬火需注意桃尖部加热，尖角部分加热时容易过热，为避免桃尖部过烧或桃尖部表面脱碳严重，故制作感应器时应增大桃尖部的耦合距离；其次桃心部的凹面处不易被加热，需在感应器凹面处加硅钢片，避免凹面处温度过低，导致硬度和层深不足。

（a）桃心部淬火感应器		（b）轴部淬火感应器
图2 凸轮轴淬火感应器

4 感应加热淬火工艺
        凸轮轴淬火冷却方式为喷射式冷却法，通过辅助喷水圈使工件被加热部分冷却，完成马氏体组织的转变。往往淬完火的工件内部存在较大内应力，不利于工件的使用性能，淬火后需要对工件进行回火处理，以达到消除内部应力的目的；除此之外还有另外一种回火方式，在冷却工件时，冷却结束后让工件仍留有一定余温，温度控制在200-300℃，使工件利用自身的余温进行自回火来消除应力。冷却后的温度可通过改变淬火介质流速或冷却介质浓度进行调整。淬火介质选用PAG基水溶液，sencro- p75淬火介质，浓度11%，使用温度10-50℃，PH值9-11，冷却能力随浓度的增加而下降。

电参数						加热参数		淬火介质
电压/V	设备功率/KW	有效功率/KW	电容量/μF	频率/KHZ	变压器匝比	功率密度kw/cm2	进给速度mm/min	浓度/%	温度/℃	出水口压力/MPa
380	80	34	0.3	22.5	12:1	2.5	300	11	10-50	0.4

 
5 实验结果分析
对淬火试样硬度及淬硬层深度检测，实验数据如表2：

凸轮序号	淬火硬度/HRC	淬硬层深度/mm
		基圆	桃尖部
1	60.5  59.2  59.7	2.2	7.9
2	58.9   60   59.4	2.3	8.4
3	59.1  60.1  60.3	2.3	8.7

        由表2可知，淬火后表面硬度分布均匀，基圆淬硬层深度满足工艺要求，桃尖部淬硬层深度满足工艺要求。
轴部淬硬层深度如图3所示，由图中可以看出，淬硬层深度分布十分均匀；图4为桃心部表面淬火后图片。

图3轴部淬硬层图		图4桃心部表面图

 
        通过感应加热淬火可以很好的实现凸轮轴的表面热处理，感应加热淬火相比于其他表面热处理方式，如：表面渗碳、表面渗氮、碳氮共渗等，更加的环保、高效、经济，且适合连续性大批量生产。

工序名称	零件能耗（kw*h/t）
	最高	最低	平均	能耗比率
箱式炉，低于900℃淬火	693	242	448	1.67
盐浴炉，低于900℃淬火	1760	712	1250	4.66
井式炉，低于900℃淬火	1227	426	748	2.79
保护气氛炉，低于900℃淬火	965	344	726	2.7
调质	1147	516	844	3.15
高频感应淬火	339	267	327	1.22
中频感应淬火	379	124	268	1
真空淬火	1738	838	1401	5.23
气体渗碳淬火	1958	755	1324	4.95
气体碳氮共渗淬火	1705	555	1708	6.37
气体渗氮	1540	451	993	3.7

  由表3可知，在11项单项热处理工艺中，高（中）频感应淬火的能量消耗最低，在热处理的成本中能耗费用要占60%-80%。
 6 总结    
     感应热处理发明至今已近百年，随着工业技术的不断革新，相比于传统热处理工艺，日益成熟的感应热处理工艺不断展现出自己的优势，为现代工业服务。