（材料加工工程专业论文）喂线技术生产fcd700球墨铸铁凸轮轴的研究.pdf

哈尔滨理t 人学t 学硕i 学位论文 喂线技术生产f c d 7 0 0 球墨铸铁凸轮轴的研究 摘要 凸轮轴是汽车发动机上的重要组成部件，专门负责控制进气门和排气门 开启和关闭的时间，关系着进排气的大小及准确性，并直接影响燃烧比和节 能降耗问题，因此只有凸轮轴高硬耐磨才能始终很好地保证发动机符合设计 要求，并提高整个发动机的性能。在凸轮轴生产材质的选择上，由于球墨铸 铁具有优良的减震性、良好的耐磨性以及不亚于钢的强度等众多优点而成为 多数凸轮轴生产厂家的首选。 f c d 7 0 0 球墨铸铁凸轮轴是哈尔滨东安汽车发动机公司为其4 g 6 系列发 动机生产的一款高强度球墨铸铁汽车铸件，长期以来该公司采用冲入法工艺 进行球化孕育处理，虽然这种工艺条件也能达到凸轮轴性能指标要求，但一 直存在着很多问题，如铸件球化率低，球化效果不稳定，有时铸件白口倾向 较大；回炉料利用率低，生产成本高；球化剂消耗量大，浇注机内残镁量波 动大，且镁的收得率低；工业现场弧光大，烟尘多，劳动环境恶劣，工人劳 动强度大等。为了解决这些问题，稳定并提高凸轮轴产品的质量，降低生产 成本，改善工人劳动环境，本文在对喂线技术工艺生产球墨铸铁进行理论分 析的基础上，通过分析原冲入法工艺生产凸轮轴时存在问题的原因，验证了 喂线技术生产f c d 7 0 0 球墨铸铁凸轮轴的合理性及可行性，进而制定出了采 用喂线技术工艺替代原有冲入法工艺生产f c d 7 0 0 球墨铸铁凸轮轴的方案， 并进行了工业化试验，试验过程中采集了光谱分析试样、拉伸试样、金相试 样，并对试验数据进行了整理分析。 工业化试验结果表明：采用喂线工艺生产f c d 7 0 0 球墨铸铁凸轮轴时， 铸件球化率、石墨球尺寸等级等参数都优于原冲入法工艺，且铸件力学性能 的稳定性得到很大改善，球化处理效果稳定，重现性好；喂线技术工艺对铁 水增硅量小，可大量使用回炉料，降低了生产成本，并能灵活调整气压浇注 机内镁残量的波动；同时喂线处理工艺在很大程度上消除了球化作业时烟气 对环境的影响和污染，降低了工人劳动强度。 关键词喂线技术；球墨铸铁；凸轮轴；冲入法；球化处理 堕查堡矍二垒兰三兰竺! ：兰竺丝圣 t h er e s e a r c ho nc o r e dw i r e t e c h n o l o g y o nt h ep r o d u c t i o no f f c d 7 0 0d u c t i l ei r o nc a m s h a f t a b s t r a c t c a m s h a f ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so fm o t o r c a re n g i n e i tc o n t r o l s t h ef u n c t i o no fa i ri n t a k ev a l v ea n de x h a u s tv a l v e ，w h i c hn o to n l ya f f e c tt h e a m o u n ta n dp r e c i s i o no ft h ea i ri n o u t ，b u ta l s oh a sk e ye f f e c t so nr a t i oo f c o m b u s t i o na n d e n e r g y s a v i n gp r o b l e m t h e r e f o r eo n l yh i g l l h a r d n e s sa n d w e a r a b l em a t e r i a lc o u l dk e e pt h ee n g i n ea c c o r dw i t ht h ed e s i g np a r a m e t e r , a n d i n d e e de n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fa u t oe n g i n e d u c t i l ei r o ni so f t e nc h o s e na s t h em a t e r i a lo fac a m s h a f ti na u t o m o b i l ee n g i n e ，b e c a u s ei th a sg o o ds h o c k a b s o r p t i o n ，h i g hw e a r a b l ep e r f o r m a n c e ，a n ds t r e n g t ha so rh i g h e rt h a ns t e e l f c d 7 0 0c a m s h a f ti sah i g hs t r e n g t hd u c t i l ei r o nm o t o rc a s td e v e l o p e df o r 4 g 6s e r i e se n g i n ei nh a r b i nd o n g a nm o t o re n g i n ec o r p o r a t i o n p o u ro v e rp r o c e s s h a sb e e n u s e di n s p h e r o i d i s a t i o na n di n o c u l a t i o np r o c e s sf o ral o n gt i m e a l t h o ug l it h et e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n sc a ns a t i s f yt h ei n d e xr e q u i r e m e n t so f c a m s h a f t ，b u ti t s t i l li n v o l v e dan u m b e ro fp r o b l e m sa st h ef o l l o w i n g ：l o w s p h e r o i d i s a t i o nr a t ea n di n s t a b i l i t yo fs p h e r o i d a lp e r f o r m a n c e ；s e v e r e l yc h i l l i n g t e n d e n c y ；l o wu t i l i z a t i o nr a t i oo ft h er e t u r n sa n dhj i g hp r o d u c t i o nc o s t ；m o r e n o d u l a r i z e ra d d i t i o n ；l a r g ef l u c t u a t i o no fr e s i d u a lm ga m o u n ti np o u r i n gf u r n a c e ； l o wp e r c e n tr e c o v e r y ；h i g ha r cl i g h ta n dd u s ta tf i e l d ，b a dw o r ke n v i r o n m e n ta n d h a r dl a b o rc o n d i t i o n t or e s o l v et h ep r o b l e m sa b o v e ，i n c r e a s et h ec a m s h a f t q u a l i t y , r e d u c et h ep r o d u c i n gc o s t ，a n di m p r o v ew o r kc o n d i t i o n ，i nt h i sp a p e r , o n t h eb a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa b o u tc o r e dw i r et e c h n o l o g yi nd u c t i l ec a s ti r o n p r o d u c t i o n ，r e a s o n so ft h ep r o b l e m sp r e s e n t si n f o r m e rp o u ro v e rp r o c e s sa r e a n a l y z e d ，a n dr a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t yo ff c d 7 0 0 d u c t i l ec a s ti r o nc a m s h a f ta r e v e r i f i e d t h es c h e m eo fr e p l a c e m e n to fp o u ro v e rp r o c e s sb yc o r e dw i r e t e c h n o l o g y i sm a d e i n d u s t r i a l i z a t i o n e x p e r i m e n t s a r ec a r r i e d o u t ，o p t i c a l u 堕i ：鎏矍三兰三兰堡：! ：兰竺丝兰 s p e c t r u ma n a l y s i ss a m p l e ，t e n s i l e s a m p l e ，m e t a l l o g r a p h i cs p e c i m e n w e r e c o l l e c t e d ，a n da l lt h ee x p e r i m e n t sr e s u l t sw e r ea n a l y z e d t h er e s u l to fj n d u s t r i a l i z e de x p e r i m e n t ss h o w sa st h ef o l l o w i n g ：c o m p a r e d w i t ht h ef o r m e rp o u ro v e rp r o c e s s ，c o r e dw i r et e c h n o l o g yi m p r o v e dt h ec a s tp a r t s p h e r o i d i s a t i o nr a t e ，a n da c h i e v e db e t t e rp a r a m e t e r ss u c ha st h el e v e lo fg r a p h i t e s p h e r o i d i s a t i o ns i z e i ta l s oi m p r o v e dt h er e l i a b i l i t yo fc a s tm e c h a n i c a lp r o p e r t y e f f e c t i v e l y , a c h i e v e dh i g hs p h e r o d i s a t i o nr e l i a b i l i t ya n dg o o dr e p e a t a b i l i t y c o r e d w i r et e c h n o l o g yn e e ds m a l la m o u n ts i i n c r e m e n to fm e l t e di r o n ，s ol a r g ea m o u n t o fr e t u r n si su s e d ，t h ep r o d u c i n gc o s ti sd e c r e a s e d ，a n dt h ef l u c t u a t i o no fr e s i d u a l m gp e r c e n tc a nb ea d j u s t e df l e x i b l y a tt h es a m et i m e ，e n v i r o n m e n te f f e c t sa n d e n v i r o n m e n t p o l l u t i o n o ff u m ea r ee l i m i n a t e di nc o r e dw i r e p r o c e s s s p h e r o d i s a t i o np r o c e s s ，a n dt h el a b o rs t r e n g t hi sr e d u c e d k e y w o r d sc o r e dw i r et e c h n o l o g y ；d u c t i l ei r o n ；c a m s h a f t ；p o u ro v e rp r o c e s s ； n o d u l a r i z i n gp r o c e s s m 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文喂线技术生产f c d 7 0 0 球 墨铸铁凸轮轴的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部 分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承 担。 作者签名：朱枣孕日期：列刁年7 月，年日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 喂线技术生产f c d 7 0 0 球墨铸铁凸轮轴的研究系本人在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成 果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。 本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈 尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文 的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：朱杏孕 导师签名：寡每秒 同期：2 0 0 7 印月。钼 日期：2 0 0 7 年d 7 月参节r 哈尔演理t 人学t 学硕l 学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第1 章绪论 我国的汽车工业发展到今天已有半个多世纪的历史，从1 9 5 3 年我国从前 苏联成套引进技术和设备建成年产3 力辆货车的第一汽车制造厂开始，到1 9 5 8 年以后，陆续在南京、北京和上海等地建成了一批汽车厂，初步奠定了我国汽 车工业基础【i l 。经过几十年特别是改革开放三十多年来的发展，我国的汽车工 业在制造、研发和生产管理等方面取得了长足的进步，汽车的使用量也在逐年 递增，而促进汽车生产的发展也是我国第十个五年计划中的重要政策之一。表 1 - 1 列出了我国1 9 9 6 1 9 9 9 年及2 0 0 2 年汽车产量的增长率【4 。在2 0 0 6 年北京 国际汽车展览会( a u t oc h i n a2 0 0 6 ) 上，国际知名咨询公司一毕马威( k p m g ) 发表 了中国汽车市场报告，报告积极评价了中国加入w t o 对中国汽车工业发 展的促进作用，并对中国国产汽车工业的发展i j i 景表示出十足的信心。但报告 同时指出，中国的汽车工业与欧美、日本等工业发达国家相比还有较大差距， 主要是体现在汽车零部件产品质量上达不到国外生产所需的技术指标要求。 表1 - 11 9 9 6 - 1 9 9 9 年及2 0 0 2 年汽车产量的增k 率 t a b l e1 - 1t h eg r o w t hr a t eo fm o t o rv e h i c l eo u t p u ti n l 9 9 6 - 1 9 9 9a n d2 0 0 2y e a r 时间1 9 9 6 年1 9 9 7 年1 9 9 8 年1 9 9 9 年2 0 0 2 年 增k 率，l 1 57 32 9 1 2 43 8 5 发动机作为汽车最重要的零部件，它的质量直接影响到汽车的使用性能， 进而影响到我国汽车行业在国际上的市场竞争力。而作为发动机的主要组成部 件一凸轮轴的质量则决定了发动机的质量，因此如何提高凸轮轴产品质量、消 除生产中出现的性能缺陷成为各汽车零部件生产厂家共同关心的课题。目前， 在凸轮轴的生产上，材质的选择和制造的工艺是凸轮轴生产厂家主要关心的两 大问题。在材质的选择上，由于球墨铸铁件具有优良的减震性、良好的耐磨性 以及不亚于钢的强度等特点成为众多厂家的首选p i 。 4 g 6 发动机用f c d 7 0 0 凸轮轴是我国哈尔滨东安汽车动力股份有限公司生 产的一款高牌号、高强度球墨铸铁件，通过采用喂线技术工艺，成功研制生产 出了符合日本技术指标的凸轮轴产品，并为国内其他同类厂家生产高性能指标 哈尔滨理t 人学t 学硕i 学位论文 的汽车铸件提供了重要的技术参考。图1 - 1 是东安汽车发动机公司2 3 1 锻铸厂 生产的凸轮轴结构示意图f 4 j 。然而由于国内研制生产这种技术难度较大的球墨 铸铁件的厂家不多，以及由于相关实际生产经验的缺乏，东安公司在采用喂线 工艺进行生产的过程中，还是出现了一些质量问题：如由于原铁水白口倾向大 而导致凸轮轴坯件发生脆性断裂、凸轮轴坯件本体出现宏观硬质点从而降低了 铸件的机械加工性能等，为了解决实际生产中出现的这些问题，提高生产效 益，需要对凸轮轴的生产加工进行工艺改进及控制。 - l ，厂，口厂， 一_ _ r r = h1 一p 。一l j 一一一h l _ p _ u 。u l j ，。n fi 1 f 、_ 7 i jj j l ( i v1 i 。 ；、 i v 1 l j 叫：4 一- 、型_ - 1 二广l r _ b 2 _ 。1 ：二r _ 广甘i 一二r l ，厂_ ：二rl 厂_ | 圣| 1 - 1f c d 7 0 0 凸轮轴结构不意图 f i g 1 - 1s t r u c t u r ep i c t u r eo ft h ef c d 7 0 0c a m s h a f t f c d 7 0 0 球墨铸铁凸轮轴生产工艺的改进和控制立足于东安汽车发动机公 司现行凸轮轴生产工艺及设备条件下开展，通过大量的产品缺陷分析、工艺分 析以及试验数据的分析，对影响凸轮轴生产、加工及最终使用寿命的各工艺因 素进行了分析讨论，制定出了相应的工艺优化和控制措施，从而形成一套更加 合理的生产工艺；通过改进和优化凸轮轴的制造工艺，消除了生产中存在的缺 陷和问题，解决了凸轮轴生产废品率高的难题，给企业带来一定的经济和社会 效益：同时，通过对凸轮轴喂线生产工艺技术的实践和分析研究，能够使工艺 人员加深对凸轮轴生产工艺的了解，提高对工艺的把握度，对企业生产和技术 都有深远的意义。 1 2 凸轮轴制造工艺综述 凸轮轴是组成汽车发动机的关键部件，也是发动机三大主要磨擦副之一， 专门负责控制进气门和排气门开启和关闭的时间，关系着进排气的大小及准确 性，并直接影响燃烧比和节能降耗问题，因此高硬耐磨才能始终很好地保证发 动机符合设计参数，以提高整个发动机的性能口j 6 l 。同时，由于凸轮轴是一种 不断的加速和减速的旋转质量，这种加速和减速伴随着能量的消耗，减轻凸轮 轴的质量可以对发动机节能发挥积极作用。所以，今天在凸轮轴的研制生产过 哈尔演理t 大学t 学硕f ：学位论文 程中，高硬耐磨和减轻质量是其创新的两个主要因素。 1 2 1 凸轮轴使用材料的发展 早期的凸轮轴使用碳钢作为其生产材料。这是因为早期的发动机转速低、 凸轮端面接触比压小，所以一般选用中碳钢局部淬硬就可以满足凸轮的滑动速 度和接触应力的要求。随着现代社会的进步和发展，汽车工业开始进入一个崭 新的时代，发动机的性能得到极大提升，其转速也不断提高。此时，凸轮轴和 连杆之间的压应力和滑动速度都随之增大，钢质凸轮轴和连杆这一对摩擦副已 不能满足高速的要求，在凸轮表面常出现擦伤、剥落、点蚀、快速磨损，甚至 大面积磨损等失效形式1 4 1 。中国第一汽车集团公司早在二十世纪六十年代试制 红旗轿车时，最初采用的凸轮轴材料就是4 5 钢锻件，经机械加工后高频感应 淬硬：而连杆则为1 5 铬钢件，经渗碳淬硬和磷化后使用。由于该轿车发动机 功率高达2 0 0 马力，转速达4 4 0 0 r m i n ( 相应凸轮轴转速为2 2 0 0 r m i n ) ，并且还 采用液压连杆，所以两零件间工作压力很大，结果大多在1 h 内便在两零件摩 擦表面出现劈裂、刮伤和磨损而完全失效。经过多方攻关，直至将两零件都改 为镍铬钼合金灰铸铁件并作油淬和低温回火处理，才试制成功，并应用于生 产。美国的多数汽车厂家在二十世纪七十年代后轿车和卡车发动机的凸轮轴就 已大量采用铸铁材质，并逐步取代了原来的钢轴。 以上例子说明，由于钢质本身存在的不足，人们开始把目光转向耐磨性能 优越而强度不低于钢质的铸铁材料，它们的基本组成相比如铁素体、珠光体、 石墨和渗碳体可以通过组合而具有很高的减磨或抗磨损性。此外，还可以通过 对铸铁进行特殊铸造工艺处理、表面强化工艺处理、热处理和合金化演化出更 多的品种【7 】。因此，在凸轮轴材料的选择上，铸铁以其摩擦学上的特殊优越性 能正逐步取代钢质而发展成为发动机凸轮轴的主要生产材料。 目前铸铁凸轮轴的种类很多，大体上分为：激冷铸铁凸轮轴、灰铸铁表面 激光或氩弧重熔硬化凸轮轴、可淬硬合金铸铁凸轮轴和高强度球墨铸铁凸轮 轴。表1 2 是前三种铸铁凸轮轴工艺及性能特点对照表i “”。 从表中可以看出，三种铸铁凸轮轴在使用性能方面大体相同，抗磨能力、 抗擦伤能力和抗点蚀能力都比钢质凸轮轴好；但他们的抗疲劳能力、低温韧性 和v 型缺口冲击值都较差。从生产成本的角度看，激冷铸铁凸轮轴生产工序 少、耗能少、成本最低，因此这种工艺早在1 9 2 4 年就在欧洲开始大量应用于 工业生产。目前激冷铸铁凸轮轴在世界汽车发动机凸轮轴的市场占有率上已达 表1 2 铸铁凸轮轴工艺及性能特点对照表 名称激冷铸铁凸轮轴可淬硬铸铁凸轮轴 氩弧重熔铸铁凸轮轴 在铸型内凸轮位置放 用台金铸铁凸轮轴毛采h j 高熔点的钨棒做电极 置冷铁块当高温铁水 坯通过火焰( 或中频)在氲气层流的保护f 依锥 注入型腔时，利h j 冷铁 淬火，使凸轮周边获得 不熔化的钨棒与凸轮之间 生产工艺块对高温铁水的激冷同火马氏体加少苗碳 产生的电弧熔化铸铁表面 作i j ，使凸轮表面获得化物加少鼙残余奥氏再凝问使凸轮表面由原来 莱氏体组织( 自口铁) 体及细条状f i 墨混合 的珠光体转变为莱氏体耐 耐磨层组成的耐磨层 磨层 凸轮表面组莱氏体f 含有人量针状 同火马氏体加少苗碳 织碳化物1 化物加少茸残余奥氏莱氏体 体及细条状i i 墨 抗磨能力特别好较好 与激冷铸铁凸轮轴相当 次丁i 激冷铸铁优于钢 抗擦伤性能特别好 与激冷铸铁凸轮轴相当 质凸轮轴 较好，但比钢质凸轮轴 抗疲劳能力较差 与可淬硬铸铁凸轮轴相当 差 化学成分对金相组织的影 生产工序少、耗能 响不如激冷凸轮轴敏感抗 优点铸造i ：艺较为简单 少、成本低点蚀能力比激冷凸轮轴略 高 需通过火焰( 或中频) 重熔前需将凸轮轴预热、 缺点抗疲劳能力差 淬火，能耗人，成本也较保温、缓冷，：i ：艺复杂，成 高 本高 到6 4 左右。然而，激冷铸铁生产工艺在大量机械化生产中也存在一些问题， 主要包括以下三个方面 1 2 - 1 4 ： 1 造型工艺复杂，难以实现自动化生产； 2 激冷凸轮通常出现“黑线”，即在激冷白口层中央有一条珠光体加石墨 的软带，常常导致凸轮报废； 3 激冷区白口、麻口、灰1 3 三层组织关系不易控制，难以获得良好的耐 磨、抗断和切削加工性能。 基于以上铸铁凸轮轴的各性能对比，为了研制抗磨能力、抗擦伤能力和抗 点蚀能力可与激冷铸铁相当，而抗疲劳能力、低温韧性和v 型缺口冲击值可与 钢质凸轮轴相当，并且生产成本低的新型凸轮材料，国外各大汽车生产公司于 二十世纪八十年代开始开发研制高强度球墨铸铁凸轮轴，并得到迅速推广应 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 用，被认为是汽车、内燃机凸轮轴生产的主要发展方向。 国内在高强度球墨铸铁研制丌发起步于二十世纪八十年代末九十年代初， 但其技术性能要求与国外相比较低。国内高强度球墨铸铁的牌号一般为q t 5 0 0 或q t 6 0 0 ，珠光体含量一般为7 5 以上；而国外高强度球铁凸轮轴的牌号一般 为q t 7 0 0 或q t 8 0 0 ，珠光体含量要求9 5 以上1 1 5 1 1 1 6 1 。 1 2 2 凸轮轴坯件制造工艺 1 2 2 1 组合式制造工艺采用单一材质制成的整体式凸轮轴不可能通过有目的 地选择材料或者通过对单个零件进行优化而在使用上受到限制。而利用组合式 凸轮轴能够将不同的材料相互组合起来，发挥各自的长处，并能针对个别的零件 进行有目的的性能优化，同时还能减轻凸轮轴自身的重量。 组合式凸轮轴技术的发展经历了以下三个阶段【1 7 1 ： 1 热装技术阶段：这种组合装配方法间隙要求严格，钢管和凸轮内孔需 要精确加工，但生产效率低，相位角控制困难，扭矩可靠性差； 2 键连接技术阶段：在凸轮内孔加工出键槽，然后将钢珠通过钢管进行 挤压，形成键连接。这种方法工艺复杂，设备昂贵； 3 内高压液压装配技术阶段：该方法为最新组合技术，具有效率高、易 于控制、连接可靠等优点。 到目前为止，组合式凸轮轴的生产制造仍然采用许多完全不同的工艺方 法。表1 3 列出了工业上最常用于制造组合式凸轮轴的工艺方法1 1 8 1 。 表1 - 3 组合式凸轮轴制造方法 t a b l e1 - 3m a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fa s s e m b l e dc a m s h a f t 迕偿方法迕接方式采川公司 圆锲法力连接希l 变形迕接戴一克公司 利h j 异删冲头力连接和变形 t o r r i n g t o n 公司 的扩管法迕接雷诺公司 球体贳穿扩管法力连接通_ l i j 公司 利j j 内部高压变力连接喊力连接戴一克公司( 汉堡) 形扩管法和变形连接 热套法 力连接 马勒隋考公司 烧结熔合法变形迮接或扩散连接日本活塞环公司 管子局部滚压扩张和力迮接甬l 变形迮接 t h y s s e n k r u p pp r e s t a 凸轮压力套装定位法 公司 在组合式凸轮轴中，根据所选择的连接技术，可以采用钢管或者采用其它 材料，例如采用一种高质量材料的精密轧制钢带加工成形，通过压力焊接之后 哈尔演理t 人学t 擘硕i j 学位论文 进行冷拉，其强度至少达到8 0 0 n m m 2 ，表面硬度达到2 3 0 2 8 0 h v ：或者采用 一种冷拉焊接的、柔软的精密钢管( s t 5 2 3 ) ，壁厚4 m m ，随后在轴承部位淬 火。在n c 控制的特种机床上，凸轮和各种零件( 轴套、偏心环) 先后连接成完 整的凸轮轴，连接精度为2 0 3 0 分，轴向尺寸精度为o 2 一o 3 m m 。组合式凸 轮轴相对于铸造的和锻造的实心凸轮轴可以减轻重量达4 0 。凸轮材料 ( 1 0 0 c r 6 钢或者烧结材料) 可以根据配对的摩擦副材料自由地选择。凸轮的烧结 或锻造分4 个阶段进行，凸轮只要求很小的磨削量，能够做到很小的凸轮间 距，凸轮位置可以自由地选择，在采用精密烧结的凸轮时，可以完全放弃磨削 加工。 在国外，各汽车发动机厂家组合式凸轮轴的装配工艺主要采用键连接法和 内部高压成形法0 h u ) 。图1 2 是美国t o n i n g t o n 公司采用键连接法制造的组合 式凸轮轴，主要用于北美和欧洲的轿车、轻型卡车上。图1 - 3 是德国奥迪汽车 公司采用内部高压成形法( i h u ) 为v 6 - t d l 型轿车发动机生产的i h u 组合式凸 轮轴。在这种i h u 工艺过程中，将已经淬硬了的凸轮圈与力连接和形状连接 的方式与通过内部的高压力变形的钢管制成的轴相连接，见图1 一舻l 。凸轮圈 的内部轮廓明显地偏离圆形，以便实现形状连接。通过在凸轮旁边将管子材料 往外压出一些而达到凸轮的轴向定位，压出的尺寸是1 1 0 r a m 。 在国内，哈尔滨工业大学苑世剑教授等率先进行了组合式空心凸轮轴内高 压液压装配技术的研究【4 l 。在哈工大4 0 0 m p a 的内高压成形机上，进行了激冷 铸铁凸轮单元与钢管的装配试验和d a 4 6 8 凸轮轴装配试验。初步掌握了组合 式空心凸轮轴制造工艺的模具设计、工艺过程及关键参数。图1 5 是哈工大在 东安发动机公司铸锻厂的配合下研制生产的钢管尺寸为1 8 m m x 3 m m 的 h i t c a m 一1 a 组合式空心凸轮轴样件照片。将所研制的h i t c a m 1 a 组合式空 心凸轮轴( 进气、排气各1 支) 安装到东安发动机公司d a 4 6 8 型发动机中，在全 速全功率发动机试验台上进行了3 0 0 h 的运转，并定时检验了装机运行可靠 性、装机前后凸轮相位角变化、发动机输出功率等相关指标。经装机考核，发 动机工作正常，未出现异常现象。h i t c a m 1 a 组合式凸轮轴的强度、刚度及 抗扭性能均满足发动机的使用要求。装机试验完成后，经检测该凸轮轴的相位 角尺寸未发生变化，达到了设计要求。 由于采用内高压成r e 0 h u ) 装配方式生产组合式空心凸轮轴时，是通过钢 管内部施加高压液体使与凸轮和轴径对应的钢管部位产生塑性变形，凸轮和轴 径产生弹性变形，卸载后凸轮和轴径回弹形成与钢管胀接，因此要求凸轮轴坯 件具有较高的强度，凸轮和轴径在受力产生弹性变形时不发生碎裂，而高强度 坠尘圣矍三查兰二兰堡! ：兰竺丝兰 球墨铸铁以其优越的性能正好能满足这一要求。 图1 - 2 键连接组合式凸轮轴 f i g 1 - 2k e yj u n c t i o na s s e m b l e dc a m s h a f t _ 图1 - 3 i h u 组合式凸轮轴 f i g 1 - 3i h ua s s e m b l e dc a m s h a f t 白 图1 _ 4i h u 组合式凸轮轴制造i ：艺示意图 f i g 1 - 4t h es k e t c ho fm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sf o ra s s e m b l e dc a m s h a f t 图1 5 国产i h u 组合式空心凸轮轴 f i g 1 - 5t h eh o m ei h ua s s e m b l e dh o h o wc a m s h a f t 1 2 2 2 整体式铸造工艺传统的凸轮轴制造工艺是指由特种铸铁、球墨冷硬铸 或者可锻铸铁通过冷硬铸造法或者选用高强度球墨铸铁通过传统铸造工艺整体 哈尔演理t 人学t 学硕l ：学位论文 成型。图1 - 6 是将塑料制成的凸轮轴模型置于砂型中浇注而得的凸轮轴毛坯和 机加成品件。在这种整体式铸造过程中，利用冷铁块有目的地对铸件要求耐磨 性高的部位进行快速冷却，从而获得基体为莱氏体的高硬层。图1 - 7 是哈尔滨 东安汽车发动机股份有限公司采用喂线技术生产出的高强度球墨铸铁凸轮轴， 这种高强度凸轮轴生产是在配料熔炼过程中添加促进形成珠光体基体的合金元 素，而后通过喂线球化处理工艺进行铁水的球化处理而获得的。 图1 - 6 整体式激冷铸铁凸轮轴毛坯及成品件 f i g 1 - 6i n t e g r a lc a m s h a f tw o r k b l a n ka n df i n i s h e dp r o d u c to fc h i l lc a s t 图1 - 7 整体式高强度球墨铸铁凸轮轴 f i g 1 7h j g bs b c n g t hd u c t i l el - o nc a m s h a f to fi n l c g 叫t y p e 1 3 喂线技术系统组成 喂线技术( c o r e dw i r ct e c h n o l o g y ) 又称芯线射入技术，是包芯线制造技术和 应用技术的总称【1 9 。“。它是指将需要加入钢水或铁水的各种添加剂f 球化剂、脱 氧脱硫剂、变质剂、合金等) 破碎制成一定尺寸的颗粒后，用冷轧低碳薄钢带 通过包芯设备将其包裹成一条具有任意长度的芯线，借助于喂线设备使这种合 金芯线以预先设定的速度穿过渣层，到达盛有钢水或铁水的处理包底部附近， 随着包芯线钢带外壳的熔化，其包裹的各种添加剂与液态金属发生冶金化学反 应的种熔体金属处理工艺方法。通过包芯线内添加剂与其周围的钢水或铁水 的相互反应，以达到对钢水或铁水的脱氧、脱硫、微合会化和变质处理等的目 的。喂线技术系统基本组成包括：喂丝设备、合金包芯线、合金包芯线设备以 及喂线处理站。 1 3 1 喂丝设备 喂丝设备即喂线机的作用是将包覆有各种添加剂的包芯线按照预先设定的 速度和长度喂入钢水或铁水中。喂线设备是整个喂线处理工艺的关键组成部 分，在进行钢水或铁水的喂线处理时，喂入方式、喂线速度、喂线长度及喂线 温度等工艺参数的设定将对铁水或钢水处理后的效果产生重要影响，以致影响 到铸件的最终质量。因此如何设定这些参数以保证生产的正常进行成为喂线工 艺首先要考虑的因素。本文第二章将对各参数选定的理论依据进行阐述。 喂线机主要由主从动轮、传动链、力矩电机和控制仪表等组成。按照使用 方式的不同，主要分为卧式喂线机和立式喂线机p i ，见图1 8 。钢厂大多采用 卧式喂线机，因为需要节约对车间立体空白j 的占用；铸造厂则有所不同，大多 采用立式机型，卧式机的应用较少，因为大多数铸造厂都没有太多的平面场地 供建喂线处理站之用j 。 a ) a ) 立式喂线机b ) 卧式喂线机 图1 _ 8 喂线机产品圈 f i g 1 - 8p i c t u r eo ff e e d i n gm a c h i n e 们 哈尔演理丁火学t 学硕l 。学位论文 1 3 2 合金包芯线 合会包芯线是指将欲加入熔体会属的各种合金粉剂利用包芯设备包裹而成 的一条具有任意长度和一定紧实度、充填均匀的复合管带f 2 5 2 7 。它的质量指标 包括管带直径、粉剂均匀度、粉芯量和单位长度粉重等。包芯线的制备工艺如 图1 - 9 所示。 按照填充粉剂的不同，各生产厂家开发了出针对不同功能的多种型号的包 芯线，芯线的直径以1 3 m m 为主。主要包括：c a s i 线，用于钢水脱硫、脱 氧、并改善钢中夹杂物形态：f e t i 线，用于微合金化及脱氧；a i 线，用于钢 水脱氧及晶粒细化；s 线，冶炼易切削钢时用于增硫；f e b 线，用于微合金 化；c 线，用于钢中增碳：纯镁线，用于球墨铸铁的脱硫球化处理；高镁合金 线，用于球墨铸铁的球化处理等。图1 1 0 和图1 1 1 分别是包芯线成品及芯线 截面示意图。 图1 - 9 包芯线制备 艺 f i g 1 - 9p r e p a r a t i o np r o c e s so f c o r e dw i r e 图1 1 0 包芯线外观 f i g 1 - 1 0t h ef e a t u r eo fc o r e dw i r e 钢带 粉剂 图1 1 1 芯线横截面示意圈 f i g 1 - 1 1t h ew i r ec r o s s - s e c t i o ns k e t c h 哈尔滨理t 人学t 学硕i 。学位论文 1 3 3 合金包芯线设备 合会包芯线设备是指制作包芯线的包芯机组，由放带架、焊缝机、包芯机 和收排线机组成。放带架用来支撑和张紧钢带卷，将钢带卷放安装张紧后，由 包线机通过驱动系统牵引转动来释放钢带；焊缝机是用来将每卷钢带的断头焊 接起来，以保证包芯线连续生产；收排线机是用来将包芯线整齐而平滑地排列 并逐层卷绕在可拆卸的线盘上，当线盘卷满后，用四道钢带捆扎结实卸卷；包 芯机由成形系统、传动系统、给料充填系统及测控系统组成，它是包芯机组的 核心设备，组成该设备的各系统相互协调统一作用将决定包芯线质量的好坏。 各系统组成及作用如下： 成形系统：负责将钢带变形制成规则的圆柱形，并将粉剂包裹在其中。 传动系统：由电机、齿轮减速器、皮带轮、皮带、链轮、链条组成，负责 钢带的运输传动。 给料充填系统：由料斗、可调给料装置组成，负责将粉剂填充到卷曲的钢 带中。 测控系统：由传感器、成线速度长度测量装置及仪表盘等组成，负责保证 芯线的紧实度和均匀度。 图1 1 2 是典型的包线设备组成。 图1 1 2 包线设备组成 f i g 1 - 1 2c o r e dw i r ef o r m i n gm a c h i n eu n i t 哈尔滨理t 大学t 学硕 ：学位论文 1 3 4 喂线处理站 喂线处理站是指进行喂线工艺处理的特定场所。处理站的合理设计和布置 将对喂线工艺处理钢水或铁水时产生的烟气进行有效控制，从而减小烟气粉尘 对环境造成的污染和危害。图1 1 3 是典型的喂线处理站组成系统。 1 处理室2 操作控制柜3 球化线与孕育线卷4 包芯线导向架5 集烟罩6 排烟系统风机 7 立式喂线机8 包盖升降系统9 包盖1 0 处理包1 1 气动档烟门1 2 电动平车1 3 墙壁 图1 1 3 喂线处理站 f i g 1 - 1 3t r e a t m e n ts t a t i o no fw i r ei n j e c t i o n 1 4 喂线技术生产高强度球墨铸铁 在球墨铸铁的生产过程中，铁水的质量是决定球墨铸铁件最终使用性能的 一个关键因素。而采用喂线技术工艺能有效地对铁水进行多种处理以提高铁水 的质量，铁水的喂线工艺处理主要包括以下三方面： 1 4 1 铁水脱硫处理 硫是铁水中主要杂质元素，也是反石墨球化元素。因此，为了获得优质的 高强度球墨铸铁，必须在铁水进行加镁球化处理之前将原铁水的含硫量控制在 一个理想范围值之内。目前国内的铸造厂家大多采用c a c 2 进行脱硫处理，即 哈尔演理t 人学t 学硕i 学位论文 向铁水中喷入或洒入颗粒状碳化钙。这类方法的优点是成本低，操作简单。但 也存在一些问题，比如当反应不彻底的碳化钙随炉渣一起破排出时会对周围环 境和人体健康产生危害。而采用喂线法对铁水进行脱硫处理能有效降低碳化钙 对入体和环境的危害。德国十几家铸造厂的生产实践证明，喂线脱硫工艺是一 种十分有效的工艺”：用包芯线加入铁水中的碳化钙能被完全消耗掉，因而不 会产生有公害的炉渣和析出反应炉尘；同时碳化钙的用量将大大减少，如用常 规方法除掉0 1 0 的s ，每吨铁水需消耗l l k g 碳化钙，情况最好的铸造厂也得 7 k g 左右，而采用喂线法处理时，却只需加入4 5 k g ，从而大幅度的降低了生产 成本。 1 4 2 铁水加镁球化处理 球墨铸铁工业生产过程中，球化处理是不可缺少的关键工序。目前，国内 外的球化处理工艺主要有冲入法、钟罩法、转包法、型内法和喂丝法等。而喂 丝法以其合金收得率高、结果重现性好、添加剂用量少及处理成本低等优点于 二十世纪九十年代初开始广泛应用于国内冶金铸造行业。表1 4 列出了喂丝法 和其他处理方法之自j 的一些简要参数对比 2 9 1 。 表1 4 喂丝法与其他处理方法的参数对比 t a b l e1 - 4c o m p a r i s o nb e t w e e nw i r ei n j e c t i o np r o c e s sa n do t h e r s 插入法冲入法 0 s m o s ef l o t r e t 转包法型内法包盖法喂线法 环境改善差差差好好好好好 过程控制好差筹盘f好差好好 渣昔少差差好好好 好 差好 资本投入低好好好好差好好好 温度损火少差好差差差好好好 维护费川低差好差差差 好 好好 处理成本低 好 差差差好 好差好 增硅鹫低好 差 差 差 好好差好 生产效率好好好好好差好盎r 1 4 3 铁水的孕育处理 铁水在球化之前需要先进行孕育处理，将喂线技术用于孕育处理是基于其 进行合金化时的高效率和它能精确地控制孕育剂的加入量，因而还可以减少孕 育剂的消耗，降低生产成本。上世纪7 0 年代中叶，美国、德国相继开展了喂 线法孕育处理铸铁的相关应用研究，这项技术在8 0 年代仞得到广泛应用，发 哈尔演理t 人学t 学硕i 学位论文 展到现在已成为灰铁、蠕铁及球铁的孕育处理的有效技术手段0 0 l 。其主要的喂 线应用场合是随流孕育和浇包喂线孕育。芯线的规格一般在直径9 - 1 6 m m 之 间，而孕育用的芯线分为两种：一种是随流浇注用的，芯线直径较细，一般为 2 4 巧o m m ：另一种为往铁液包内喂入的，直径较粗，通常视铁液量的多少选 择，直径在6 - 1 3 r a m i ”】。 1 5 喂线技术的国内外应用现状及发展趋势 1 5 1 国内外应用现状 1 9 7 6 年日本首先开发出喂线法，即蹦法( f e e d e rw i r ep r o c e s s ) ，又称芯线 射入法b p c w l ( c o r e dw i r ei n j e c t i o np r o c e s s ) 。当时的主要目的是能够有效地向 钢液中加入某些难以加入的合金元素( 如c a 、t j 等) ，通过准确地调整钢液成 分，实现微合会化，这是一种加入低熔点、低密度、与氧硫亲和力强、低蒸汽 压元素的极佳方法口2 1 。 经过3 0 年的研究与开发，用喂丝法处理钢液与铁液得到广泛的应用。在国 外，德、法、日、美、意以及俄罗斯和东欧等工业发达国家，一方面迫于r 益 严峻的市场竞争，另一方