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发动机曲轴热处理工艺论文 篇1：
有关汽车专业教学中热处理材料及制造工艺的研究
摘要：汽车制造业的飞速发展，金属热处理技术的日新月异功不可没，起着非常关键的作用，高校汽车制造相关专业的教学过程中更应对此加以重视。本文主要介绍了汽车专业教学中的重点与热点问题-汽车制造业中的热处理工艺，着重分析研究了热处理工艺在一些如曲轴、齿轮、轴承等汽车常用零部件中的开发与应用。
关键词：汽车专业教学汽车制造业热处理工艺研究
中国现已成为世界第一汽车生产大国，由于中国人口众多，经济也在不断发展，因此，中国的汽车行业还有很大的发展潜力。汽车多元化新材料之间的竞争，也促使对钢铁新材料和新技术的研究开发。进一步研究出了同时具有高的强度、良好塑性、易成型、耐冲击的新材料，而且已经开始大量运用于汽车的各个部件。在我们汽车专业的教学过程中，对热处理材料及制造工艺的教学与研究也越来越引起师生的重视。
1汽车专业教学与汽车制造业中热处理研究的重要性
在提高汽车部件的使用性能指标的过程中，较为重要的一个方面是通过开发新的热处理技术来不断提高各零部件的性能质量。制造业一直所追求的目标就是要生产出质量可靠、性能良好、使用寿命长的产品。热处理可以通过改变材料的组织结构从而大幅度改变材料的性能，对于提高产品的质量、保证整机使用性能和可靠性都是至关重要的。
因此，无论是从教学还是从生产制造层面来看，热处理工艺在汽车制造业中都有着举足轻重的地位。虽然热处理的产值对于制造业的总产值来说很小，但是经过合适热处理后有可能大大提高整机的性能，可谓“四两拨千斤”。
2金属热处理的特点及分类
热处理工艺主要有加热、保温、冷却三个方面，这三个过程紧密相连。金属加热有很多的方法，有采用煤、木炭等固体燃料，也有采用液体或者气体燃料的。电加热由于其无污染，而且也比较容易调控，得到了很大的应用。
冷却在热处理中也是非常重要的，主要是控制工件的冷却速度。一般而言，淬火冷却速度最快，正火次子，退火最慢。但对于不同的钢材，要求也有不同。金属热处理工艺大致可以分为化学热处理、表面热处理和整体热处理。化学热处理是将工件放在含有C、N等元素的介质中加热，使这些元素渗入到工件表面层中，改善其性能的一种热处理方法。化学热处理的主要方法有渗氮、渗碳、渗金属等。表面热处理是只加热工件表层，使其表面的组织或者应力状态发生改变，以此来改善其表层力学性能的一种热处理方法。为了只加热工件表层，必须使用具有高能量密度的热源，使工件表层或局部在很短的时间内达到高温，主要有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。
3我国高校汽车专业教学与国内汽车制造业中的热处理现状
相对于发达国家而言，我国高校汽车专业的热处理教学以及汽车制造业中的热处理技术水平都还相对较为落后。但是改革开放以来，随着汽车制造业的蓬勃发展，热处理产业也在发生着巨大的变化。一方面，很多具备一定科研与教学实力的高校纷纷开设了汽车制造与维修相关的专业，促进了热处理在汽车行业的科研与教育；另一方面，许多汽车公司从国外进口了大量的热处理先进设备，引进了很多热处理的工艺和技术，同时各高校及汽车制造厂家纷纷派遣教学及科研人员到国外学习先进热处理技术。因此，我国汽车制造业中的热处理产业虽然起步较晚，但风头正劲。
4汽车典型零部件的热处理工艺教学与研究
41曲轴
发动机是汽车的核心部件，曲轴又是发动机的关键。它的作用是将活塞的往复运动变为旋转运动，并输出功率。在工作中，曲轴承受很大的交变弯曲应力、扭转应力和一定的冲击载荷，另外轴颈表面還受到磨损。随着汽车性能要求的不断提高，发动机的功率不断增大，曲轴必将承受更大的交变载荷，对曲轴材质的强度、韧性、可靠性的要求也越来越高。另外，应当顺应当今世界汽车材料的发展趋势，采用轻量化材料以减轻汽车自重，减少汽车的燃油消耗，节约石油资源，降低环境污染；选用和开发替代材料简化零件生产工艺，降低生产成本。提高曲轴的性能除了改善材料本身之外，还可以通过热处理和其他表面强化方法加以提高。
42 齿轮
齿轮在汽车中的使用量是非常大的，而且也起着非常重要的作用，其主要的作用是传递动力、调节速度和改变运动方向。在齿轮工作时，啮合齿轮面之间不仅有滚动，也有滑动，齿轮根部受到交变弯曲和脉冲应力的作用，所以，齿轮受到接触应力、弯曲应力、摩擦力等多种应力的同时作用。其主要的热处理工艺：
（1） 正火。主要是改善在锻造时所产生的不良组织，提高工件的加工性能；同时也有利于除去其中的H元素，防止产生氢脆、白点等不利的影响。对于20CrMnTi，采用普通的正火方法很难使其组织均匀，而且硬度也不同，因此，这样非常不利于工件的切削加工。如果采用等温正火的方法（加热到920至960 ℃之间，然后保温150 分钟，接着风冷到620至650 ℃之间，保温75 分钟，之后再风冷60 分钟，使温度下降到300 ℃，最后空冷），这样可以获得均匀的细片状珠光体组织以及粗大的先析铁素体组织，大大降低了其的硬度，利于切削加工。
（2） 渗碳。一般采用连续式炉进行气体渗碳。对于渗碳层要求不是很深的齿轮，为了使其畸变减小，一般可以使用相对低一点的渗碳温度，温度通常控制在920 ℃左右，渗碳的时间保持7个小时左右，使渗碳的深度达到12至16 mm。
43其他常用零部件
以上主要介绍了曲轴、齿轮和滚动轴承的热处理工艺，其他常见的典型汽车零部件还有很多，比如汽车弹簧、连杆、螺栓、活塞销等重要的零部件，对其进行合理的热处理之后，可以大大提高其综合性能，延长使用寿命。因此，对于汽车的轻量化、使用性能的优化以及减小生产成本等方面都起着至关重要的作用，推动了整个汽车制造业的飞速发展。
5结束语
我国汽车产业仍然存在着结构不合理、自主开发能力薄弱等问题，加之国内高校的汽车专业起步较晚，很多还处于初级摸索性阶段，要想在此背景下谋求更大的发展，必须要通过积极引进国外先进的汽车专业技术，努力培养高素质、高技术人才，来适应高速发展的国内汽车制造行业。
参考文献：
[1] 潘健生，胡明娟 热处理工艺学 高等教育出版社，2009
[2] 支德瑜 汽车材料轻量化的一些途径汽车工艺与材料，1999，6：11
作者：陈健
发动机曲轴热处理工艺论文 篇2：
基于有限元模拟的焊后热处理曲轴热锻模磨损分析
摘要：基于Archard磨损模型建立曲轴成型的三维有限元模型，实现对曲轴热锻成形的热力耦合分析，预测不同回火热处理条件下热锻模具的磨损分布情况，制定最佳热处理工艺。通过模拟发现：在模具温度高、压力大、坯料变形速度较快的地方，模具磨损较为严重，这些部位除了曲轴模膛桥部及阻力墙外，在曲轴模膛小头端磨损也较为严重。在回火温度和回火保温时间分别为550℃和4h时，模具的耐磨层性能最优。
关键词：有限元;曲轴热锻模;热力耦合;磨损
0 引言
曲轴在发动机中的作用主要是承受载荷、传递动力。由于曲轴的模具型腔特别复杂，加上曲轴的使用工况恶劣，使得其制造困难，所以曲轴造价高，加之曲轴寿命低，生产率低等原因，使得曲轴在制造业中的地位不断突出。用于生产曲轴的热锻模工作条件恶劣，在模具的多种失效形式中，磨损导致的模具报废占模具作废的70%[1-2]，因此对于模具的磨损是我们必须要重视的问题，且其对实际生产有较大的研究意义。
将曲轴模具用铸钢代替，在一定程度上不仅提高材料利用率、降低成本，同时也使模具的性能得到了很大的提高，铸钢的良好性能，使其在国内外的应用不断扩展[3]。同时，模具堆焊技术由于成本低、材料利用率高、制造周期短等特点在热锻模具修复中的应用较为广泛[4-5]。模具的寿命与耐磨性息息相关并且焊后热处理在很大程度上决定材料的耐磨性[6-7]。
针对热锻模具在高载高温下的使用现状，提出对堆焊模具焊后热处理的场量进行研究，预测不同焊后热处理工艺条件下的耐磨性，制定最佳回火热处理工艺。从而改善模具磨损，满足现代工业需要，节约成本。
1 研究对象
1.1 研究材料
本文所研究的铸钢基体材料为ZG25MnCrNiMo，过渡层及耐磨层材料分别为450E和650E药芯焊丝，各材料的化学成分如表1所示。
1.2 热处理制度
堆焊模具的焊后热处理主要是指回火处理，本文主要利用Deform软件对不同回火温度与回火时间下的热锻模磨损情况进行模拟仿真，其中回火温度为：420℃、480℃、550℃、600℃，回火时间为1h、2h、4h、6h，并且采用全因子实验的方法，共进行16组模拟实验。
1.3 硬度测试
不同热处理条件下的硬度值见图1所示，主要用于后续模拟。
2 有限元模型的建立
本文采用的分析模型是汽车曲轴模具，根据热锻过程的工艺特性，曲轴热锻成形工艺分为三步，分别为制坯、预锻和终锻，通过建立相应的三维有限元分析模型，模拟整个曲轴的热锻成形过程。相关设置如下：
①坯料规格为？准53mm×508mm的棒料，选取deform材料库中的AISI5140作为锻件的材料模型，模具堆焊层的材料模型由材料的应力-应变数值导入到软件中进行设定。
②材料的预锻温度为制坯后得到的每一阶段坯料温度，模具的初始温度设定为250℃，坯料与环境的对流因子为0.02N/s·mm·℃。
③定义上模的运动速度为280mm/s，并且设定上模是主运动对象。
④设置接触边界条件，定义剪切摩擦因子为0.3，传热系数选择值11。
⑤模拟步长增量为1mm/步，设定停止条件，也就是不同工步时飞边的厚度。
⑥终锻时坯料设置为HRC20，模具测得的堆焊层硬度值进行设定。
⑦终锻成形时要考虑模具磨损，故采用Archard理论磨损模型预测并计算得到模具在成形过程中的磨损深度值，其数学表达式如下：
根据以上参数设置的热力耦合成形后的不同工步结果如图2所示。
3 曲轴锻模具有限元模拟结果分析
3.1 模拟参数优化
经过数值模拟可以对缺陷进行预测并且优化，从而为实际生产优质锻件提供可靠的依据，通过模拟发现主要存在的缺陷类型如下：①充不满：曲轴成形过程中充不满主要出现在平衡块处和连杆颈曲臂处。故需合理選择坯料尺寸，在预锻时，合理分配预锻储料，确保锻打时温度控制在1150℃及其以上。②折叠：在模拟过程中，折叠主要出现在曲轴的端面处。出现在小头端面处的折叠是因为在锻造过程中坯料表层金属变形快，而心部的金属流动慢致使变形慢，制坯后端面处会形成凹陷，从而出现折叠，当坯料内外温差相差较大时折叠会更加明显，对于此种情况，应将坯料凹陷区尽可能摆放在小头模膛外锻打。通过上述手段可以有效避免缺陷的产生。
3.2 曲轴成型过程中的热力耦合场量分布结果
温度在热锻过程不仅能保证金属有很好的可锻性，而且可获得较好的内部组织。本研究中坯料可锻温度范围在900～1200℃，此曲轴锻件的温度在1090～1200℃，曲轴轮廓的温度在1130℃左右，模具的初始温度是250℃，经过终锻后，模具的温度也有很大的提高，下模的温度在250～526℃，模具上的温度分布是：在曲轴型腔中的大端、小端以及平衡块处的温度较高。
下模在整个锻造过程中承受着上模的冲击载荷，下模的压力值最高可达到773MPa，且主要分布在曲轴型腔的拐角处，其次是位于主轴颈还有连杆颈桥接处。而小头端的压力值也可高达400MPa左右。
而速度场分布是从935～4790mm/sec，最高速度分布位于曲轴锻件的飞边边缘处，较低的速度是分布在曲轴轮廓处，这些地方受到模具型腔的阻挡，抑制了金属的流动状况。所以曲轴模具在桥部处的磨损是最为严重的。
3.3 磨损分析
本文通过对影响磨损的温度场、压力场、速度场进行分析，从而来分析堆焊层模具磨损。从磨损的有限元模拟结果看出，模具磨损最严重的部位是桥部、小头端以及连杆颈处，从场量分析结果可知这些地方往往是温度较高，坯料流动速度剧烈，压力较大的部位，这些因素的共同作用导致了磨损的加剧。因此，选取曲轴模具的小头截面磨损最严重处为研究对象，用周向坐标设定，来分析不同焊后热处理对磨损深度的研究，从而研究耐磨性。
模拟得到的小头端截面上的最大磨损深度值列举如表2所示。从表2可知，在不同的回火热处理工艺中磨损最小值是在480℃、2h，其值为11.7×10-5mm，而在550℃、4h 时的磨损值也较小，为12.1×10-5mm。
4 结语
①基于Archard理论进行有限元模拟分析，得到曲轴热锻堆焊模具的磨损分布，发现磨损较为严重的部位往往是温度高、压力大且金属流动较明显区域，且这些区域为桥部、小头端以及连杆颈处，磨损最为严重的是曲轴模膛的小头端。
②对16组不同焊后热处理条件下的热锻堆焊模具进行模拟后，表明在550℃、4h时磨损深度值较小为12.1×10-5mm，与实际生产相比，两者结果相距较小，充分说明有限元模拟对于实际生产指导作用显著。
参考文献：
[1]赵一平.提高热锻模生产中的模具使用寿命[J]. 锻压技术， 2000（6）.
[2]J.H. Kanga， I.W. Park. A study on a die wear model considering thermal softening： （I） Construction of the wear model [J]. Journal of Materials Processing Technology 96（1999）：53-58.
[3]崔向红.新型铸造热锻模具钢高温磨损行为的研究[D].吉林：吉林大学，2006.
[4]左占军，段智勇，吴顺华，郭守华.大型曲轴模具修复工艺探讨[J].装备维修技术，2008（1）：41-44.
[5]白莉.废旧模具堆焊修复技术研究展望[J].热加工工艺，2013，42（1）：219.
[6]单志公.热作模具钢变质处理及热处理工艺探究[D].山东： 山东大学，2012.
[7]马国.铸造模具钢焊接修复工艺研究[D].吉林：吉林大学， 2013.
作者：马欣
发动机曲轴热处理工艺论文 篇3：
曲轴加工技术分析及优化
摘 要：高性能中高速柴油机广泛应用于船舶动力、发电领域。曲轴是柴油机的核心部件，因其形状复杂、精度要求高，国内很多厂家很难对曲轴的加工精度和生产效率进行有效控制。曲轴的加工精度和生产效率取决于加工技术设计合理与否，尤其是曲轴热处理会产生较大的应力及变形，并影响随后的精磨，导致曲轴加工精度很难提高。基于此，针对某型号曲轴，详细分析了关键机械加工工序及热处理工序，找到了影响曲轴精度的关键因素，并对曲轴加工工艺进行了优化设计。
关键词：曲轴;变形;控制;优化
0 引言
曲轴是柴油发动机中传输动力的核心部件。在柴油发动机的工作循环中，曲轴承受的载荷不断变化，因此对曲轴的刚度、韧性、耐磨性、抗疲劳强度等要求很高[1]。
本文讨论的某型号曲轴总长2 m，有8个连杆轴颈、9个主轴颈，主轴颈、连杆轴颈及其圆角采用中频淬火强化。中频淬火产生热应力会引起曲轴变形，且其会一直影响到后续的磨削。
控制曲轴跳动是该曲轴的加工难点，本文根据该型号曲轴小批量加工全过程各工序的详细数据，重点围绕跳动控制进行详细分析，找到影响跳动的主要因素，提出合理有效的措施，优化加工工艺。
该曲轴的主要加工工艺流程为：锻造毛坯—调质—粗铣一—第一次高温时效—粗铣二—第二次高温时效—精铣—第三次高温时效—粗磨—中频淬火—修中心孔—精磨—抛光—探伤—清洗—最终检验。
1 影响曲轴精度的主要工序分析
1.1 锻造毛坯
大功率柴油发动机的曲轴毛坯常用锻件，根据各种锻造工艺的特点，主要有墩锻工艺、整体模锻工艺。墩锻工艺使用特制的工装，在液压机上通过逐拐变形实现曲轴锻件逐拐的整体成型，最终获得毛坯锻件。而整体模锻是采用整体锻造模具，在液压机上一次锻造成型。
在加工工艺研究过程中，上述两种状态的毛坯都采用过。对比两种状态的毛坯，在后续机械加工及调质过程中发现，单拐墩锻毛坯变形不规律，后续加工中很难消除其变形，粗铣后曲轴跳动依然很大，导致后续加工余量不足，无法继续加工;而且该种锻造工艺应力分布杂乱，在后续中频淬火后，曲轴弯曲变形不规律，高点位置随意，很难控制。因此该种状态的毛坯不建议继续使用。
整体模锻件毛坯，整体余量均匀，应力分布较好。体现在后续加工中，每次粗铣后，零件跳动较小，在0.4～1 mm之间，而且经过高温时效后还会减小，通过跟踪小批次曲轴的加工情况可知，变形比较稳定。因此后续加工中建议使用整体模锻件毛坯。
1.2 调质
零件整体调质，硬度302HB～363HB，抗拉强度980～1 180 MPa。曲轴调质有两种方式：第一种是井式炉加热，零件竖直吊装入液淬火;第二种是箱式炉水平放置加热，零件水平放置入液淬火。
比较两种热处理方式，在后续机械加工中发现，采用第二种调质方式的零件弯曲变形较大，而且经过粗铣一消除变形后，经过第一次高温时效，零件跳动依然会很大;经过粗加工消除跳动后，在中频淬火时其跳动依然会很大且不容易控制。而采用第一种调质方式的零件在后续加工中其变形非常规律且容易控制，能够满足后续粗精铣、中频淬火、粗精磨工序要求。
1.3 粗铣一
曲轴调质后进行第一次粗铣，粗铣主轴颈、连杆轴颈、曲臂，此工序使用曲轴内铣机床。此工序为毛坯锻造后第一次粗加工，切削余量大且不均匀（主轴颈及连杆轴颈单边铣削余量4 mm），切削过程中振动较大;毛坯经过画线工序，导致余量不均匀，甚至局部有毛坯面加工不出来，加工完成后，零件跳动在1～2 mm。粗铣完零件会产生较大的残余切削应力，因此对其进行高温时效处理，以消除残余切削应力[2]。
1.4 第一次高温时效
粗铣加工后，曲轴的组织内部会产生切削残余应力，因此曲轴在粗加工后，需进行去应力处理。此工序采用箱式炉高温回火，温度550 ℃，保温5 h，曲轴放在专用回火夹具中，水平放置，高点向上，随炉冷却至室温。高温回火后，曲轴跳动将减小0.1～0.5 mm。可以看出，高温时效处理能有效减小加工过程中产生的切削应力。
1.5 粗铣二
曲轴第二次粗铣，此工序去除了主轴颈及连杆轴颈单边加工余量4 mm，由于已进行了一次铣削加工，此工序加工余量相對均匀，切削状态良好。此工序仍然采用曲轴内铣设备。零件加工完成后，其跳动值在0.4～1.94 mm，比一次粗铣后明显降低，具体如表1所示。
1.6 第二次高温时效
由于粗铣二去除了较大的余量，因此对曲轴进行二次高温时效。参数及方式与第一次高温时效相同。高温时效后曲轴跳动将减小（表1），减小量最大为1.24 mm，可以看出，高温回火能有效减小加工过程中产生的切削应力。
1.7 精铣
精铣曲轴，主轴颈单边余量3 mm，连杆轴颈单边余量2.5 mm。此工序仍然采用曲轴内铣设备。该工序零件加工完成后，曲轴各开档直线尺寸已到成品尺寸，轴肩留余量进行后续磨削加工。加工完成后其跳动均小于1 mm，比粗铣有所减小（表1）。
1.8 第三次高温时效
曲轴精铣后为减小切削残余应力，进行第三次高温时效，参数与方式同前两次，高温时效后跳动减小（表1），最大减小量达到0.35 mm，说明本次高温时效可以减小应力，但减小幅度没有前两次大。
1.9 粗磨
粗磨主轴颈及连杆轴颈，磨削余量单边0.85 mm，所用设备为曲轴磨床，主轴颈与连杆轴颈一次装夹磨削，能够很好地保证尺寸的一致性，磨削完成后曲轴最大跳动如表1所示。
1.10 中频淬火
淬火在中频感应淬火机床上进行，三爪卡盘夹紧自由端，三爪卡盘与传动轴浮动连接，只起到传递扭矩的作用，曲轴在自由状态下进行中频感应淬火。由于圆角部位的淬火，曲轴变形较大，达到1 mm以上，这个变形量不能满足工艺要求。之后设计专用夹具，调整电压、功率、加热时间等参数，同时确定先对连杆轴颈淬火，再對主轴颈淬火，通过一系列的多次试验，最终有效减小了曲轴在淬火过程中的变形。中频淬火后，检测曲轴直线尺寸，发现曲轴长度缩短了0.6～1.3 mm。
连杆轴颈淬火，淬火顺序为先中间后两边，感应器依次对各连杆轴颈进行淬火。淬火时使用专用工装，能够对各轴颈进行压紧，由于相位的不同，根据理论推算，具体淬火时压紧相应的轴颈，能够有效减小曲轴变形，淬火后曲轴跳动如表1所示。
主轴颈淬火，感应器依次对各主轴颈进行淬火。根据理论推算，淬火时压紧相应的轴颈，能够有效降低曲轴变形，淬火后曲轴跳动如表1所示。
主轴颈淬火后回火，回火采用专用工装支撑，曲轴水平放置。
1.11 修中心孔
淬火后曲轴变形，影响后续磨削加工，需要修正中心孔。原先中心孔在普通车床加工，由于效果较差，经过分析，针对每一根曲轴淬火后跳动情况，进行精确测量，找到相应高点位置，通过计算，找到最佳位置，在加工中心上修正中心孔。修正后，曲轴跳动值≤0.4 mm，满足后续磨削加工要求。
1.12 精磨
磨削主轴颈和连杆轴颈，设备采用曲轴磨床，直径磨削余量0.8 mm。本次磨削后，曲轴跳动0.05～0.10 mm，工艺要求为0.05 mm，因此不能够完全满足工艺要求。之后进行多次调整，改变磨削顺序、多次磨削、优化磨削参数，反复试验，最后保证了曲轴跳动能够满足图样要求[3]。
2 曲轴加工工艺优化对策
根据上述对曲轴加工关键工序的工艺分析，对以下工序进行优化改进：（1）毛坯选择模锻件;（2）调质过程采用井式炉加热，垂直入液;（3）粗铣切削余量大，变形严重，应采取多次铣削方式减小切削应力;（4）中频淬火由于操作比较复杂，注意的事项较多，因此通过试验验证形成了作业指导书;（5）中频淬火虽然采取了各种措施，但变形依然较大，因此中频淬火后重新修正中心孔以保证满足后续加工要求;（6）中频淬火后长度缩短，在精铣工序进行长度补偿。
曲轴加工工艺优化对策具体如表2所示。
3 结语
中高速柴油机的曲轴加工过程非常复杂，加工技术要求较高，必须同时考虑毛坯、热处理、机械加工等每个加工单元的特定条件并使用先进的加工技术。本文主要关注了某型号曲轴，采用中频淬火强化，在加工过程中控制其变形;在对各个加工环节进行详细的工艺分析的基础上，对其进行了改进优化。今后需要进一步针对不同技术要求的曲轴，研究其整体的工艺方案，以逐步提高曲轴的加工工艺水平。
[参考文献]
[1] 任国光.曲轴加工工艺分析[J].科技信息，2009（28）：99-100.
[2] 丛明.中速柴油机锻钢曲轴连杆颈加工关键工艺研究[D].大连：大连理工大学，2017.
[3] 钟希圣.国内外曲轴磨床及磨削生产线[J].机械工艺师，1992（9）：24-26.
收稿日期：2021-08-23
作者简介：张彦岗（1980—），男，山西大同人，工程师，研究方向：柴油机制造工艺技术。
作者：张彦岗 李二红 张晓辉 张仓平 白泽兵