PM泵凸轮轴磨削裂纹控制方法的探讨

童景琳 钟莉娟 王志增

(①河南理工大学机械与动力工程学院，河南焦作454003;②信阳师范学院物理与电子信息工程学院，河南信阳464000;③一拖(洛阳)燃油喷射有限公司，河南洛阳471039)

凸轮轴是柴油机燃油喷射系统直列式喷油泵中的核心性能元件，通过凸轮轴的旋转，喷油泵高压腔产生很高的泵端压力，同时凸轮轴自身也承受了较大的载荷，磨削裂纹使凸轮轴在使用过程中容易产生早期磨损，甚至出现碳层剥落，直接影响喷油泵的耐久性和可靠性。一拖(洛阳)燃油喷射公司生产的PM泵，使用中经常在凸轮轴凸轮升程表面出现磨削裂纹，技术人员经过多次的工艺改进，有效控制了凸轮轴凸轮磨削裂纹的产生。本文从热处理质量和机械加工工艺两方面阐述精磨凸轮过程中产生的磨削裂纹的原因，并提出了预防措施。

1 凸轮轴的技术要求及加工工艺

一拖(洛阳)燃油喷射公司生产的凸轮轴(图1)其所用的材料为20CrMo或20CrMnTi，淬火硬度要求为58～63 HRC，凸轮工作表面渗碳深度0.8～1.2 mm，凸轮渗碳层表面含碳量应不低于共析成分。凸轮工作表面显微组织应为细针状马氏体+碳化物+少量残留奥氏体，碳化物级别为1～4级合格，马氏体与残留奥氏体为1～4级合格［1-2］。凸轮轴的加工工艺路线为:锻造→正火→机械粗加工→渗碳→高温回火→去碳机械半精加工→淬火→低温回火→喷砂→机械精加工→磁力探伤裂纹→去磁。凸轮从半精加工到精加工留有单边0.4 mm的加工余量。

2 磨削裂纹状况

如果锻件材料没有缺陷，凸轮基圆表面一般没有裂纹。通过磁力探伤观察及金相观察，磨削裂纹只出现在凸轮的升程面上，深度较浅，且深度基本一致。较轻的磨削裂纹垂直于或接近垂直于磨削方向的平行线，为规则排列的条状裂纹，长度约为3～6 mm，深度大致为0.03～0.15 mm，宽度为0.001～0.01 mm，如图2。

3 原因分析

磨削时工件表面的温度可能高达820～840℃或更高。淬火钢的组织是马氏体和一定数量的残余奥氏体，处于膨胀状态，如果将其表面快速加热至100℃左右并迅速冷却时，必然产生收缩，这种收缩仅发生在表面，其基体仍处于膨胀状态，从而使表面层承受拉应力而产生微裂纹;当温度升至300℃时，表面再次产生收缩，再次生成裂纹。马氏体的膨胀收缩随着钢含碳量的增加而增大，故碳素工具钢和渗碳淬火钢产生磨削裂纹尤为严重。

另外，如果在磨削时冷却不充分，淬火钢的残余奥氏体在磨削时受磨削热的影响即发生分解，逐渐转变为马氏体，这种新生的马氏体集于表面，引起工件局部体积膨胀，使表面层产生附加的组织应力，再加上磨削所形成的热量使工件表面的温度升高极快，这种组织应力和热应力的迭加就可能导致磨削表面出现磨削裂纹。此外，新生的马氏体脆性较大，磨削也容易加速磨削裂纹的产生。另一方面，磨床上磨削工件时，工件既受压力，又受拉力，在两力的共同作用下形成磨削裂纹。由此可见，磨削裂纹很可能是磨削热和磨削力共同作用的结果。

4 控制措施

根据原因分析，在加工过程中，采取有针对性的措施进行控制，并获得了较好的效果。

4.1 热处理

由于每一根成品凸轮轴要经过正火、渗碳、高温回火、淬火、低温回火5次关键的热处理工序，每一次热处理显微组织中碳化物的形态、分布都会影响磨削裂纹的生成，如果碳化物数量较多，形状呈大块状或网状，分布不均或集聚存在时，将明显地分割金属的基体，降低其强度。尤其当以网状析出时，则会严重地削弱晶间结合力，降低金属热传导系数，加剧磨削裂纹生成。如果碳化物细小、均匀分布，则有利于分散磨削应力，从而减少生成磨削裂纹的机率。根据多年的生产经验，对热处理的主要工序提出具体要求(表1)。

4.1.1 正火

正火的主要目的是降低毛坯硬度，细化晶粒，以便进行切削加工;消除残余应力，以防止钢件的变形、开裂;改善组织以提高钢件的机械性能;为最终的热处理作好金相组织上的准备［3］。为防止磨削裂纹的产生，正火组织必须为均匀块状珠光体+铁素体级别达到1～4级。

表1 凸轮轴热处理主要工序

4.1.2 渗碳

渗碳的主要目的是使工件表面获得碳浓度为0.8%～0.9%的渗碳层，通过后续热处理使表面得到马氏体组织，以得到高硬度和耐磨性的硬化层。为防止磨削裂纹的产生，渗碳后的碳化物级别要严格控制在1～4级，渗碳层深度应控制在1.6～2.0 mm(凸轮轴产品图凸轮工作表面渗碳深度0.8～1.2 mm)，如渗碳层过深不仅会产生磨削裂纹，而且降低生产效率、增大工件变形量。

4.1.3 淬火

淬火的主要目的是获得马氏体组织，提高硬度和耐磨性。凸轮轴淬火温度应采用(830±10)℃以得到细针状马氏体组织。淬火温度若高于840℃，淬火后会得到粗针状马氏体和较多残余奥氏体，不仅增大组织应力、工件变形量，而且增加磨削裂纹敏感性。

4.1.4 回火

回火的主要目的是降低钢中的残余应力和脆性，得到高的硬度和耐磨性。凸轮轴的回火温度应控制在(240±10)℃，这样使凸轮轴表面回火硬度控制在产品图要求的下限硬度58～60 HRC，既满足了图纸要求又可减少磨削裂纹的产生。行业经验证明，当低碳合金钢加工的凸轮轴渗碳淬火回火后，其硬度高于61 HRC时，磨削加工时，在其升程面容易出现磨削裂纹。

4.2 机械加工

正确选用砂轮，选择合理的磨削用量及改善冷却条件等对降低磨削裂纹的产生具有重要作用。因此对机械加工工序提出具体工艺方法如下。

4.2.1 恒磨除率磨削

在凸轮轴以恒转速进行磨削时，由于凸轮轮廓升程的不断变化，凸轮轮廓各点的线速度也不断变化，引起磨削的不均匀，磨削过程中金属磨除率随着凸轮轮廓面曲线变化而变化，按“基圆—升程—桃尖—顶圆—回程—基圆”的顺序，金属磨除率变化规律为，当凸轮升程面磨削时，凸轮磨削点处的瞬时线速度和加速度会瞬时增大，磨削力增大使磨削温度升高，从而引起凸轮升程面出现磨削裂纹。采用变速恒磨除率控制，使工件在不同的磨削点处，工件转速不同，磨削点处凸轮轮廓的线速度基本保持不变，以保证在磨削凸轮一周的过程中，金属磨除率基本保持不变，磨削力变化不大，由此可减少凸轮升程面的磨削裂纹。为控制凸轮轴的转动规律，实现变速恒磨除率控制磨削加工凸轮，选用德国埃玛克公司生产的全数控凸轮磨床(KOPP-SN204)，方便地实现了恒磨除率磨削，与采用靠模生产的凸轮磨床相比，凸轮轴的磨削裂纹有明显降低。

4.2.2 高速磨削

提高砂轮的工作线速度可明显提高磨削效率和磨削比，减小磨削力，从而减少磨削裂纹的产生。为实现高速磨削，选用陶瓷CBN砂轮磨削凸轮轴，砂轮线速度达到100 m/s，德国埃玛克公司生产的全数控凸轮磨床主轴和整机具有很高的刚性和良好的抗振性，能够保证磨削工件的精度和表面质量。

4.2.3 保持良好的砂轮状态

磨削裂纹产生的基本原因是磨削热。一般而言，选用硬度较软、粒度较粗的砂轮进行磨削，可以有效降低磨削热，但如果粒度太粗，会影响工件的表面粗糙度。实验表明，采用这种加工方法，需增加砂带抛光工序，生产效率较低。若选用粒度较为锋利的砂轮，及时清除砂轮表面积屑，减小背吃刀量，增加磨削次数，降低工作台速度，同样可有效减少磨削热量。为此，要选择合适的砂轮修整时间和修整器的速度，保证砂轮工作时既不要太钝，也不要太锋利。

4.2.4 粗磨和精磨分开

凸轮表面含碳量越高导热性越差，通过二次装夹可减少磨削热积聚，适当消除磨削应力。一次磨削选用粒度较粗的软砂轮磨削，去余量0.2 mm，主要去除过共析层，以减少磨削热的产生。二次磨削时磨削余量已较小，基本为共析层，热传导能力明显提高，磨削裂纹会显著降低。按照粗精分开原则，两次磨削分别在两台磨床上进行粗磨和精磨，是一种比较理想的方法。但需注意，必须保证装夹定位准确可靠，否则会造成工件不能完全磨成型，产生废品。

4.2.5 增加工件时效时间

刚出炉的工件，待工件自然冷却后(冷却到常温)才能进行磨削。如果在时间允许的情况下，让工件自然时效1～2个月，消除应力后再进行磨削，这样会大大减少磨削裂纹的产生。

4.2.6 保持洁净磨削

磨削液中的砂粒，磨屑等杂质，不仅对凸轮轴的精度、粗糙度有不利影响，而且会破坏润滑膜，成为裂纹源。因此必须将磨削液中的杂质过滤清除。一般采取的措施为，一是磨削液定期更换，二是磨削液要采用过滤措施。在实验中，磨削液使用磁性过滤器、涡旋分离器及滤纸三级过滤系统进行净化处理，基本消除了磨削液的不良影响。

4.2.7 使用高压大流量磨削液

采用较大压力和流量的冷却液装置，磨削时能将足够的磨削液送入磨削区，进行高效的润滑、冷却和清洗，将热量带走，降低磨削区的温度，并避免砂轮堵塞。

5 结语

影响磨削裂纹产生的因素虽然很多，但最基本的因素是磨削热和磨削应力，在工件热处理和磨削工艺方面综合考虑，采取有效措施控制磨削热和磨削应力，就可以有效地防止磨削裂纹的产生。实验表明，在热处理和磨削工艺方面，采取上述措施后，废品率由原来的10%降低到2%，大大提高了生产效率，节约了生产成本。

［1］史美堂.金属材料与热处理［M］.上海:上海科学技术出版社，1990.

［2］柴油机燃油系统标准汇编［S］.无锡油泵油嘴研究所，1996.

［3］邓东密，邓杰.柴油机喷油系统［M］.机械工业出版社，1996.