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林信智-谈曲轴圆角淬火技术-

2015-07-20

     曲轴是内燃机中的最重要的零件之一,它的使用寿命往往决定了内燃机的使用寿命。1920年美国克拉克公司,将发明不久的感应淬火技术用于曲轴轴颈硬化,大大地提高了曲轴的耐磨性,从而提高了内燃机的工作寿命(当时主要问题是曲轴硬度低耐磨性差)。

     近几十年来曲轴的疲劳断裂又突显出来,而且疲劳源多发生在连杆轴颈曲柄内侧的圆角处,为此许多厂家提出提高曲轴的疲劳强度的要求。提高曲轴疲劳强度的关键是提高曲轴圆角的残余压缩应力。曲轴圆角(含轴颈)的感应淬火是使圆角获得>600MPa巨大残余压缩应力首选方法。日本某一公司对内燃机曲轴进行了系列的弯曲疲劳实验,实验证明圆角感应淬火曲轴有最高的疲劳强度(996MPa),圆角滚压曲轴疲劳强度为次(890MPa),氮化曲轴第三(720MPa)。美国公司也有相近的数据。 曲轴圆角淬火一般要使用“半圈感应器”淬火,亦称依洛森(Elotherm)淬火法。它是将感应器扣在轴颈上,曲轴在旋转中进行加热和喷水淬火(也有在曲轴轴颈加热到淬火温度后,翻入水池中进行冷却淬火)。这种方法不仅方便了曲轴进出感应器,简化了淬火机床的动作,也同时也解决了用传统的分合式感应器淬火经常出现的油孔裂纹、硬化区域宽窄不均、硬化层厚度不均和变形大等问题。业内人士普遍认为依洛森淬火法是曲轴感应淬火技术的一大进步。有资料表明,曲轴轴颈感应淬火可将发动机寿命提高到8000小时,而轴颈及圆角感应淬火可使发动机寿命提高到10000小时。 实现圆角淬火必须解决的关键技术是功率分配技术。曲轴“半圈感应器”淬火涉及到许多技术,例如变频电源、淬火机床及感应器等,这些技术也是很重要的,但这些技术我国在80年代初期已初步解决。

     记得当年,我和我的同事在进行曲轴圆角淬火工艺研究时遇到了这样的难题:曲轴的连杆轴颈用半圈感应器加热时,当曲柄内侧圆角刚刚达到淬火温度的时候,连杆轴颈外侧的轴肩已经熔化。究其原因是曲轴的结构造成的。连杆轴颈的圆角周边的质量环境有很大差异,在曲柄内侧的圆角里面“肉厚”,有较大的热容量,在圆角表面达到淬火温度的同时也有一定的热量传导到里面去了;而其反方向因圆角里面“肉薄”,热容量自然要小些,当圆角表面达到淬火温度的时候,有同样多的热量向里面传导,但因为“肉薄”,容纳热量的材料质量少,而轴肩处是“半岛”形状,其里面能够接受传导来热量的体积有限,于是产生了热量堆积,致使轴肩熔化。显然要完好地进行曲轴圆角的淬火加热,曲柄内侧和曲柄外侧的加热功率应该是变化的,即曲柄内侧功率要大,曲柄外侧功率要小,这一技术被称为功率分配技术。可惜当时我国还没有这种技术,我和我的同事只能摇头叹息。上海恒精公司在90年代中期率先开发成功这一技术,并成功地用于大小曲轴的圆角淬火。该技术是在曲柄内侧加热时提供100%的功率,在曲柄外侧加热时提供60%(或70%)的功率,并且随着曲轴的转动,每转15°角增加(或减小)一定量的功率。上海恒精公司近年来销售十几套曲轴淬火设备,每年生产曲轴几百万件,其中绝大部分中小型曲轴出口到美国。在节能、节材、环保等理念成为人们共识的今天,几乎所有内燃机的生产厂家都在追求产品的小型化、轻量化、长寿命化,曲轴圆角技术为这一目标的实现提供了强有力地技术支持。应该说曲轴圆角淬火技术的市场前景是远大的。