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凸轮轴是汽车发动机配气机构的关键零部件，其质量直接影响发动机性能，本文通过对我司491QE凸轮轴的淬火工艺分析研究以及淬火设备的改造优化，使491凸轮轴淬火质量达到工艺标准，为合金铸铁淬火工艺质量控制提供借鉴方法和思路。
1.491凸轮轴的化学成分、铸态组织对凸轮轴淬火组织和性能的影响
（1）材料的碳、硅含量高将促进碳的石墨化，增加石墨含量，石墨片粗大会降低材料的强度。感应加热温度高时会促进一部分化合碳转变为石墨，使珠光体中的碳含量降低。
材料中的铬、钼含量高，会增加合金碳化物，提高材料的硬度和耐磨性，铬、钼具有易形成碳化物的倾向。
（2）碳化物可提高材料的耐磨性，碳化物含量高时会降低材料的冲击韧性，碳化物呈网状趋势分布时会增加淬火裂纹的危险。
（3）由于感应加热时间短，故要求基体组织为95～98%细片状珠光体，这样的细珠光体加热转变为奥氏体速度才会快，成分才会均匀，从而在淬火冷却后得到细针状或中等针状硬度均匀的马氏体组织。如果基体组织中有较多的自由铁素体或粗片状珠光体，则会在中频感应淬火后基体中出现未溶铁素体或未溶珠光体，使材料的强度、硬度降低或硬度不均匀。
2.淬火电源的选择
491凸轮轴的凸轮和齿部尺寸较小，淬火装夹一次一根凸轮轴，一次加热一个凸轮或一个齿部，所需功率较小，而491凸轮轴生产线原有的KGPS160-8000型晶闸管中频电源的额定功率是完全可以满足淬火功率要求的。
491凸轮轴凸轮顶部的淬硬层要求≥2.5mm、齿轮淬硬层深（从齿顶到齿根方向）要求≥3.8mm，根据感应电流透入深度与感应电流频率关系公式：
δ（厘米）≈5000
式中：δ-电流透入深度（厘米）
ρ-材料的比电阻（欧姆·厘米）
μ-磁导率（高斯/奥斯特）
f-感应电流频率（赫兹）
可以得知KGPS160-8000晶闸管中频电源的频度（8KHz）是可以保证淬硬层深度，满足491凸轮轴凸轮和齿部的淬硬层深度要求。
由于这台中频电源自购入到厂后一直未能进行调试，经实际淬火试验，实际输出频度仅为5.4-5.5KHz，感应加热淬火凸轮，经解剖检查凸轮顶部淬硬层深度达6.0～7.0mm。可见电流频度低，感應加热电流透入深度大。在淬火功率一定的条件下，加热时间短，凸轮表面温度低，淬火后硬度偏低，而加热时间长，造成感应电流透入深度大，淬硬层深，由于所需冷却时间长，造成凸轮表面和内部组织转变不同时，易产生淬火裂纹。为此需将电源输出频率提高至额定值，经调试电源，调整电路参数，改变淬火变压器匝比，使中频电源输出频率接近于额定值。
为使凸轮轴淬火功率稳定就首先要使电源输入电压稳定，使凸轮和齿部在相同的条件下加热和冷却，从而使淬火质量稳定。减小输入电压波动有两个方案：（1）采取稳压电源。（2）凸轮轴淬火电源单独用一个变压器电源，不与其他用电设备共用一个变压器。
由于稳压效果好的稳压电源价格较高，综合考虑后采用第2个方案试验。经试生产观察凸轮淬火时电源输出功率波动较小，满足了凸轮轴淬火的要求。
3.淬火机床的选择、改造及淬火感应器设计
凸轮轴生产线原有的GCK1080数控感应淬火机床为立式单工位淬火机床，其夹持工件最大长度为800mm，最大直径为?400，其主轴下顶尖旋转径向跳动≤0.3mm，主轴上、下顶尖连线对移动滑板的平行度为0.8mm，可以满足一次装夹一根491凸轮轴淬火的生产需要。
该淬火机床轴向运动采取伺服电机，运动精度可达到0.01mm，并设有PLC程序控制器，可以按预先输入的淬火程序自动完成淬火处理。为防止淬火机床主轴上、下运动超行程冲撞淬火感应器，除加上下限位开关外又装了报警器。
491凸轮轴的淬火部位是一个齿部和八个凸轮，由于该凸轮轴结构紧凑，齿部与凸轮和支承轴颈之间、凸轮与凸轴之间、凸轮与支承轴颈之间距离都很小，其间距均在6.5mm左右，淬火感应器有效圈采用圆形，由上而下逐次淬火一个齿部和八个凸轮。
为防止感应加热一个凸轮（或齿部）时使邻近已淬火的齿部（或凸轮）被二次感应加热，需在感应器上、下两端面各增加一屏蔽板，并在屏蔽板内通上冷却水，以防止屏蔽板的绝缘支撑被加热烧坏。为提高感应加热效率，防止感应加热磁力线散失，在感应器有效圈上加了硅钢片导磁体，使凸轮感应加热功率由≥40KW降至30KW，除节约电能效果明显外，也使防止淬火部位二次感应加热的屏蔽效果更加显著。
为简化感应器结构，感应器有效圈不单独加水冷结构，有效圈只在喷淬火液时进行冷却，且要保证有效圈通电加热时耐热性能好，在感应器设计时特别加大了有效圈的厚度（径向厚度为10.5mm），增大了有效圈的储热能力，在通电加热的状态下，保证有效圈及焊接口处的强度不降低，延长了感应器的使用寿命。
4.淬火工艺
4.1 491QE凸轮轴淬火工艺流程
在淬火机床的程序控制器内输入凸轮轴淬火程序文件，凸轮轴齿部在上部，立放在淬火机床主轴上、下两顶尖之间，齿部和8个凸轮从上而下依次分别淬火，当位于凸轮轴最下端的第4排气凸轮淬火完成后凸轮轴返回座标原点，然后卸下已淬火完的凸轮轴，再装上一件待淬火的凸轮轴。
4.2淬火工艺参数
齿部和凸轮加热功率：（30～35）KW；电流频率：7.2～7.8KHz。
淬火液浓度：7.0～8.0%；淬火液温度：15℃～30℃。
淬火液压力（喷液前表压）：0.30～0.32Mpa；淬火机主轴转速：50～60rPm。
齿部感应加热时间：（5.5±2）s；齿部喷液冷却时间：（10±2）s。
凸轮感应加热时间：（6.7±2）s；凸轮喷液冷却时间：（10±2）s。
5.质量检验
5.1 491凸轮轴技术要求
（1）凸轮顶部（凸轮桃尖）淬硬深度≥2.5mm（界限硬度值为48HRC）表面硬度为50～55HRC。
（2）凸轮基圆淬硬深度≥1.5mm（界限硬度为40HRC）表面硬度为40～55HRC。
（3）齿部在齿厚方向上允许淬透，在齿高方向上淬硬层深度≥3.8mm（界限额度为45HRC）齿部表面硬度为45～52.5HRC（现场用洛氏硬度计测齿顶HRA硬度值为73.2～77HRA）。
（4）金相组织为细针状或中等针状回火马氏体，允许有少量的残余奥氏体及少量未熔珠光体。
5.2始物（首件）检验和批次检验
（1）始物（每班生产的第一件）检验：①齿部淬火硬度要求≥45HRC（用洛氏硬度计HRA标尺测齿顶硬度≥73.2HRA）②凸轮顶部硬度要求≥48HRC（8个凸轮，每个凸轮最少测3个数据）③凸轮基圆部硬度要求≥40HRC（8个凸轮，每个凸轮最少测3个数据）④荧光磁粉探伤检查有无裂纹。
（2）批次检验（1/20）：每生产20件抽检1件，用洛氏硬度检测齿部凸轮顶部和凸轮基圆的硬度值
6.结束语
（1）在491凸轮轴毛坯的化学成分和铸态组织正常的条件下，选用现有中频淬火设备、工装及工艺可以满足491凸轮轴产品图对热处理的技术要求。
（2）当不同批次的491凸轮轴毛坯淬火或更换淬火感应器时要加强初期管理、加大检测频次，必要时要调整工艺参数。
（3）对生产岗位的操作者要培训上岗。要加强对淬火液浓度、温度和清洁度的日常维护，对稳定491凸轮轴热处理质量是非常重要的。 [科]
1.491凸轮轴的化学成分、铸态组织对凸轮轴淬火组织和性能的影响
（1）材料的碳、硅含量高将促进碳的石墨化，增加石墨含量，石墨片粗大会降低材料的强度。感应加热温度高时会促进一部分化合碳转变为石墨，使珠光体中的碳含量降低。
材料中的铬、钼含量高，会增加合金碳化物，提高材料的硬度和耐磨性，铬、钼具有易形成碳化物的倾向。
（2）碳化物可提高材料的耐磨性，碳化物含量高时会降低材料的冲击韧性，碳化物呈网状趋势分布时会增加淬火裂纹的危险。
（3）由于感应加热时间短，故要求基体组织为95～98%细片状珠光体，这样的细珠光体加热转变为奥氏体速度才会快，成分才会均匀，从而在淬火冷却后得到细针状或中等针状硬度均匀的马氏体组织。如果基体组织中有较多的自由铁素体或粗片状珠光体，则会在中频感应淬火后基体中出现未溶铁素体或未溶珠光体，使材料的强度、硬度降低或硬度不均匀。
2.淬火电源的选择
491凸轮轴的凸轮和齿部尺寸较小，淬火装夹一次一根凸轮轴，一次加热一个凸轮或一个齿部，所需功率较小，而491凸轮轴生产线原有的KGPS160-8000型晶闸管中频电源的额定功率是完全可以满足淬火功率要求的。
491凸轮轴凸轮顶部的淬硬层要求≥2.5mm、齿轮淬硬层深（从齿顶到齿根方向）要求≥3.8mm，根据感应电流透入深度与感应电流频率关系公式：
δ（厘米）≈5000
式中：δ-电流透入深度（厘米）
ρ-材料的比电阻（欧姆·厘米）
μ-磁导率（高斯/奥斯特）
f-感应电流频率（赫兹）
可以得知KGPS160-8000晶闸管中频电源的频度（8KHz）是可以保证淬硬层深度，满足491凸轮轴凸轮和齿部的淬硬层深度要求。
由于这台中频电源自购入到厂后一直未能进行调试，经实际淬火试验，实际输出频度仅为5.4-5.5KHz，感应加热淬火凸轮，经解剖检查凸轮顶部淬硬层深度达6.0～7.0mm。可见电流频度低，感應加热电流透入深度大。在淬火功率一定的条件下，加热时间短，凸轮表面温度低，淬火后硬度偏低，而加热时间长，造成感应电流透入深度大，淬硬层深，由于所需冷却时间长，造成凸轮表面和内部组织转变不同时，易产生淬火裂纹。为此需将电源输出频率提高至额定值，经调试电源，调整电路参数，改变淬火变压器匝比，使中频电源输出频率接近于额定值。
为使凸轮轴淬火功率稳定就首先要使电源输入电压稳定，使凸轮和齿部在相同的条件下加热和冷却，从而使淬火质量稳定。减小输入电压波动有两个方案：（1）采取稳压电源。（2）凸轮轴淬火电源单独用一个变压器电源，不与其他用电设备共用一个变压器。
由于稳压效果好的稳压电源价格较高，综合考虑后采用第2个方案试验。经试生产观察凸轮淬火时电源输出功率波动较小，满足了凸轮轴淬火的要求。
3.淬火机床的选择、改造及淬火感应器设计
凸轮轴生产线原有的GCK1080数控感应淬火机床为立式单工位淬火机床，其夹持工件最大长度为800mm，最大直径为?400，其主轴下顶尖旋转径向跳动≤0.3mm，主轴上、下顶尖连线对移动滑板的平行度为0.8mm，可以满足一次装夹一根491凸轮轴淬火的生产需要。
该淬火机床轴向运动采取伺服电机，运动精度可达到0.01mm，并设有PLC程序控制器，可以按预先输入的淬火程序自动完成淬火处理。为防止淬火机床主轴上、下运动超行程冲撞淬火感应器，除加上下限位开关外又装了报警器。
491凸轮轴的淬火部位是一个齿部和八个凸轮，由于该凸轮轴结构紧凑，齿部与凸轮和支承轴颈之间、凸轮与凸轴之间、凸轮与支承轴颈之间距离都很小，其间距均在6.5mm左右，淬火感应器有效圈采用圆形，由上而下逐次淬火一个齿部和八个凸轮。
为防止感应加热一个凸轮（或齿部）时使邻近已淬火的齿部（或凸轮）被二次感应加热，需在感应器上、下两端面各增加一屏蔽板，并在屏蔽板内通上冷却水，以防止屏蔽板的绝缘支撑被加热烧坏。为提高感应加热效率，防止感应加热磁力线散失，在感应器有效圈上加了硅钢片导磁体，使凸轮感应加热功率由≥40KW降至30KW，除节约电能效果明显外，也使防止淬火部位二次感应加热的屏蔽效果更加显著。
为简化感应器结构，感应器有效圈不单独加水冷结构，有效圈只在喷淬火液时进行冷却，且要保证有效圈通电加热时耐热性能好，在感应器设计时特别加大了有效圈的厚度（径向厚度为10.5mm），增大了有效圈的储热能力，在通电加热的状态下，保证有效圈及焊接口处的强度不降低，延长了感应器的使用寿命。
4.淬火工艺
4.1 491QE凸轮轴淬火工艺流程
在淬火机床的程序控制器内输入凸轮轴淬火程序文件，凸轮轴齿部在上部，立放在淬火机床主轴上、下两顶尖之间，齿部和8个凸轮从上而下依次分别淬火，当位于凸轮轴最下端的第4排气凸轮淬火完成后凸轮轴返回座标原点，然后卸下已淬火完的凸轮轴，再装上一件待淬火的凸轮轴。
4.2淬火工艺参数
齿部和凸轮加热功率：（30～35）KW；电流频率：7.2～7.8KHz。
淬火液浓度：7.0～8.0%；淬火液温度：15℃～30℃。
淬火液压力（喷液前表压）：0.30～0.32Mpa；淬火机主轴转速：50～60rPm。
齿部感应加热时间：（5.5±2）s；齿部喷液冷却时间：（10±2）s。
凸轮感应加热时间：（6.7±2）s；凸轮喷液冷却时间：（10±2）s。
5.质量检验
5.1 491凸轮轴技术要求
（1）凸轮顶部（凸轮桃尖）淬硬深度≥2.5mm（界限硬度值为48HRC）表面硬度为50～55HRC。
（2）凸轮基圆淬硬深度≥1.5mm（界限硬度为40HRC）表面硬度为40～55HRC。
（3）齿部在齿厚方向上允许淬透，在齿高方向上淬硬层深度≥3.8mm（界限额度为45HRC）齿部表面硬度为45～52.5HRC（现场用洛氏硬度计测齿顶HRA硬度值为73.2～77HRA）。
（4）金相组织为细针状或中等针状回火马氏体，允许有少量的残余奥氏体及少量未熔珠光体。
5.2始物（首件）检验和批次检验
（1）始物（每班生产的第一件）检验：①齿部淬火硬度要求≥45HRC（用洛氏硬度计HRA标尺测齿顶硬度≥73.2HRA）②凸轮顶部硬度要求≥48HRC（8个凸轮，每个凸轮最少测3个数据）③凸轮基圆部硬度要求≥40HRC（8个凸轮，每个凸轮最少测3个数据）④荧光磁粉探伤检查有无裂纹。
（2）批次检验（1/20）：每生产20件抽检1件，用洛氏硬度检测齿部凸轮顶部和凸轮基圆的硬度值
6.结束语
（1）在491凸轮轴毛坯的化学成分和铸态组织正常的条件下，选用现有中频淬火设备、工装及工艺可以满足491凸轮轴产品图对热处理的技术要求。
（2）当不同批次的491凸轮轴毛坯淬火或更换淬火感应器时要加强初期管理、加大检测频次，必要时要调整工艺参数。
（3）对生产岗位的操作者要培训上岗。要加强对淬火液浓度、温度和清洁度的日常维护，对稳定491凸轮轴热处理质量是非常重要的。 [科]