一种凸轮轴强化处理工艺
阅读说明：本技术 一种凸轮轴强化处理工艺 (Camshaft strengthening treatment process ) 是由 胡卫中 冯涛 王春燕 杜菲 吕国强 陈振晓 马风云 贾丽霞 焦丽 郝广杰 陈正虎 于 2021-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种凸轮轴强化处理工艺,属于机械加工领域,包括以下步骤：下料-正火-机械粗加工-校直-去应力回火-激光熔凝淬火强化-机械精加工-成品入库,凸轮轴整体采用正火处理,凸轮和轴径采用激光熔凝淬火进行强化。采用了本申请的处理工艺,既提高了凸轮轴表面硬度、耐磨性和抗接触疲劳能力,又满足高功率、高爆压、高可靠性重载发动机工况需求。(The invention discloses a camshaft strengthening treatment process, which belongs to the field of machining and comprises the following steps: blanking, normalizing, mechanically rough machining, straightening, stress-relieving tempering, laser melting quenching strengthening, mechanically finish machining, warehousing of finished products, normalizing the whole camshaft, and strengthening the cam and the shaft diameter by laser melting quenching. By adopting the treatment process, the surface hardness, the wear resistance and the contact fatigue resistance of the camshaft are improved, and the working condition requirements of a high-power, high-detonation pressure and high-reliability heavy-load engine are met.)
技术领域
本发明属于机械加工领域，涉及一种凸轮轴强化处理工艺。
背景技术
凸轮轴是发动机的重要驱动和控制部件，其主体是一根与气缸组长度相同的圆柱形棒体，上面有若干凸轮和轴径。其对发动机的可靠性、使用效率和使用寿命有着巨大的影响。凸轮轴工作时按照配气相位定时对进排气门实施精确地开启和关闭，凸轮与顶杆之间产生相对滑动摩擦，凸轮型面处于边界润滑或混合润滑状态，由于形成的润滑膜厚度较薄且不均匀，所以凸轮表面常会出现擦伤、点蚀及快速磨损等失效形式。随着发动机功率的不断强化以及环境对排放要求的不断提高，通过涡轮增压提高进气压力一直是提高发动机性能的的主要途径之一。而发动机进、排气压力的提高，也将导致凸轮轴凸轮与气门顶杆之间的接触应力大大提高。为了保证发动机使用性能、工作寿命和排放指标满足法规，除要求凸轮轴具有足够的韧性和刚度外，还应具有良好的抗接触疲劳能力、抗擦伤性和耐磨性。
发动机凸轮轴一般采用球墨铸铁、合金铸铁、钢等材料，采用感应淬火处理技术、气体渗氮（渗碳）技术、表面气相沉积等强化处理技术，然后再进行打磨抛光，但上述工艺都存在工艺参数影响因素多、淬硬层不均匀、变形大需增加后续加工、工艺繁杂、效率低和污染严重等问题。
渗碳后整体淬火产生有效硬化层深不均匀，渗碳时间长至近30个小时，采用渗氮技术时间更长，长时间的加热保温，会使凸轮轴产生较大的变形，在冷却过程中表面也会可能产生脱碳现象。为保证产品性能，感应淬火、渗碳淬火等强化之后的后续加工量在0.5-1mm范围内，因表面硬度较高，后续加工效率低，并且把最耐磨、接触疲劳性能最优的硬化层因变形问题去除，使得凸轮轴表面成品硬度较低、耐接触疲劳性较差。整体淬火采用油淬，容易产生大量油烟，氮化工艺过程中采用氨气做为N原子的载体，会造成较为严重的环境污染。凸轮轴表面组织由于淬火形成针状马氏体组织有硬度高耐磨性好等优点，但也因后续打磨抛光加工去除而发挥不了其最大优点，同时心部组织由于冷却条件不佳没有被细化而残存着长时间渗碳产生的粗大铁素体组织。因此，现在急需一种凸轮轴强化处理的加工工艺，既可以提高配气凸轮轴表面硬度、耐磨性和抗接触疲劳能力，又满足高功率、高爆压、高可靠性重载发动机工况需求。
发明内容
本发明提供了一种整体热处理和表面激光复合强化的凸轮轴加工工艺，提高凸轮轴表面硬度、耐磨性和抗接触疲劳能力，满足高功率、高爆压、高可靠性重载发动机工况需求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种凸轮轴强化处理工艺，包括以下步骤：下料-正火-机械粗加工-校直-去应力回火-激光熔凝淬火强化-机械精加工-成品入库，凸轮轴整体采用正火处理，凸轮和轴径采用激光熔凝淬火进行强化。
本发明技术方案的进一步改进在于：激光熔凝淬火工艺过程包括以下步骤：
S1：对凸轮轴进行表面清洁；
S2：在凸轮轴表面均匀的刷涂上吸光涂料；
S3：将处理好的凸轮轴固定在激光熔凝设备上，以激光束快速扫描，将凸轮轴表面加热到熔化温度以上；
S4：激光束扫描后，凸轮轴熔化层进行自冷凝固结晶。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述激光熔凝设备的淬火数控系统控制凸轮轴旋转并移动，激光处理系统采用氦氖激光器进行精确定位、配合导光系统进行激光强化处理。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤S3中激光熔凝工艺参数为：激光输出功率3kW，离焦量220mm，扫描速度1.4-1.8m/min。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤S3中淬火数控系统伺服电机精确控制导光系统上下随动，保持离焦量一致。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤S2中的吸光涂料为白色二氧化硅吸光涂料，用酒精稀释后（稀释比1：2）进行刷涂。
本发明技术方案的进一步改进在于：正火采用台车式炉加热，加热温度为850~890℃，保温时间3h，随后出炉采用喷雾加风机强制风冷双重冷却，检测硬度。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤S3中激光熔凝淬火工艺中光斑直径为5mm。
本发明技术方案的进一步改进在于：机械精加工余量为0.05-0.1mm。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述的成品凸轮轴的凸轮和轴径上有2-3条激光熔凝扫描带。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果如下：
本申请的凸轮轴整体热处理加表面激光熔凝淬火复合强化工艺方法代替了渗碳淬火和中频感应淬火，经过本申请工艺处理后的凸轮轴表层金相组织得到了超细隐针状马氏体，使得成品凸轮轴表面获得了高硬度和均匀的硬化层深，保证了产品的高耐磨性和高抗疲劳性，同时，消除了整体淬火产生的油烟环境污染，完全消除了之前发动机因配气凸轮轴发生异常磨损而导致早期失效的风险因素。
成品凸轮轴的凸轮上有3条激光熔凝扫描带，整个凸轮的摩擦面有硬又软，硬化带可以起到坚硬的骨架作用而耐磨，软带的地方可以储油，起到润滑作用，降低磨损量。由于凸轮的摩擦面是个面接触，激光扫描带之间存在的软带存在有利于储油、冷却、润滑。
附图说明
图1为本发明强化工艺处理后的凸轮轴轴径激光硬化层的金相组织图；
图2是本发明强化工艺处理后的凸轮轴凸轮激光硬化层的金相组织图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
一种凸轮轴强化处理工艺，包括以下步骤：下料-正火-机械粗加工-校直-去应力回火-激光熔凝淬火强化-机械精加工-成品入库，凸轮轴整体采用正火处理，凸轮和轴径采用激光熔凝淬火进行强化。
激光熔凝淬火工艺过程包括以下步骤：
S1：对凸轮轴进行表面清洁；
S2：在凸轮轴表面均匀的刷涂上吸光涂料；
S3：使用淬火数控系统控制凸轮轴旋转并移动，激光处理系统采用氦氖激光器进行精确定位、配合导光系统进行激光强化处理。
激光熔凝设备的淬火数控系统通过转盘和支撑架控制凸轮轴旋转并移动，激光处理系统采用氦氖激光器进行精确定位、配合导光系统进行激光强化处理。步骤S3中淬火数控系统伺服电机精确控制导光系统上下随动，保持离焦量一致。
激光熔凝工艺参数为：激光输出功率3kW，离焦量220mm，扫描速度1.4-1.8m/min。
步骤S2中吸光涂料为白色二氧化硅吸光涂料，用酒精按照稀释比1：2进行稀释刷涂，即酒精用量为涂料的质量的2倍。
实施例1
凸轮轴下料，正火采用台车式炉整体加热，加热温度850℃，保温3h，出炉后采用喷雾加风机强制风冷双重冷却，检测硬度229HB，机械加工出凸轮和轴径，校直加200℃去应力回火。激光熔凝淬火采用5kW二氧化碳激光设备进行，清洁后在凸轮轴的凸轮和轴径表面均匀的刷涂上稀释后的白色二氧化硅吸光涂料，激光定位后开始熔凝强化加工，工艺参数为：激光功率3kW,离焦量220mm，扫描速度1.4m/min，光斑直径为5mm。激光熔凝之后进行空冷，该步骤结束。检测凸轮轴表面硬度657HV,硬化层深0.94mm。精磨加工至成品尺寸，加工余量为0.07mm。
实施例2
凸轮轴下料，正火采用台车式炉整体加热，加热温度890℃，保温3h，出炉后采用喷雾加风机强制风冷双重冷却，检测硬度为235HB，机械加工出凸轮和轴径，校直加200℃去应力回火。激光熔凝淬火采用5kW二氧化碳激光设备进行，清洁后在凸轮轴的凸轮和轴径表面均匀的刷涂上稀释后的白色二氧化硅吸光涂料，激光定位后开始熔凝强化加工，工艺参数为：激光功率3kW,离焦量220mm，扫描速度1.5m/min，光斑直径为5mm。激光熔凝之后进行空冷，该步骤结束。检测凸轮轴表面硬度661HV,硬化层深1.0mm。精磨加工至成品尺寸，加工余量为0.05mm。
实施例3
凸轮轴下料，正火采用台车式炉整体加热，加热温度880℃，保温3h，出炉后采用喷雾加风机强制风冷双重冷却，检测硬度为232HB，机械加工出凸轮和轴径，校直加200℃去应力回火。激光熔凝淬火采用5kW二氧化碳激光设备进行，清洁后在凸轮轴的凸轮和轴径表面均匀的刷涂上稀释后的白色二氧化硅吸光涂料，激光定位后开始熔凝强化加工，工艺参数为：激光功率3kW,离焦量220mm，扫描速度1.8m/min，光斑直径为5mm。激光熔凝之后进行空冷，该步骤结束。检测凸轮轴表面硬度670HV,硬化层深1.0mm。精磨加工至成品尺寸，加工余量为0.1mm。
实施例4
凸轮轴下料，正火采用台车式炉整体加热，加热温度890℃，保温3h，出炉后采用喷雾加风机强制风冷双重冷却，检测硬度240HB，机械加工出凸轮和轴径，校直加200℃去应力回火。激光熔凝淬火采用5kW二氧化碳激光设备进行，清洁后在凸轮轴的凸轮和轴径表面均匀的刷涂上稀释后的白色二氧化硅吸光涂料，激光定位后开始熔凝强化加工，工艺参数为：激光功率3kW,离焦量220mm，扫描速度1.6m/min，光斑直径为5mm。进行激光熔凝时，控制扫描带之间的位移量，如设置两条扫描带之间间隔3mm，开始第二条扫描带，第三条也是如此控制激光熔凝之后进行空冷，依次进行，激光熔凝扫描步骤结束。检测凸轮轴表面硬度660HV,硬化层深0.96mm。精磨加工至成品尺寸，加工余量为0.1mm。成品凸轮轴的凸轮上有三条激光扫描带，整个凸轮的摩擦面有硬又软，硬化带可以起到坚硬的作用耐磨，软带的地方可以储油，起到润滑作用，降低磨损量，由于凸轮的摩擦面是个面接触，扫描带之间软带的存在有利于储油、冷却、润滑。
配气凸轮轴采用整体正火加激光熔凝淬火复合强化热处理工艺方案，经过多轮工艺参数优化、加工和检测。通过对表面硬度、有效硬化层深、变形量、后续加工量、金相组织等技术指标分析和对比，都明显优于渗碳淬火和中频感应淬火。如图1和图2所示，为实施例1制备的凸轮轴的金相组织图，由图上可以看出，经过本申请工艺方式进行处理之后的凸轮轴的心部组织为珠光体+铁素体，中间过渡组织为马氏体+托氏体+铁素体，表层组织为超细马氏体，配气凸轮轴采用整体正火加激光熔凝淬火复合强化热处理工艺方案，可以使成品凸轮轴表面硬度达到650HV以上，有效硬化层深达到0.9mm以上、变形量仅为0.02mm，后续机械加工余量仅为0.05-0.1mm，表层金相组织得到了超细隐针状马氏体，消除了整体淬火产生的油烟环境污染。使得成品配气凸轮轴表面获得了高硬度和均匀的硬化层深，保证了产品的高耐磨性和高抗疲劳性。
本发明还可推广应用到其它类似细长轴类使用渗碳淬火和感应淬火工艺的零件的质量可靠性提高中，推广使用范围较广阔。
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