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用履帶式拋丸機給鑄鐵氣門挺桿熱處理后拋丸方法

文章出處:原創 編輯:拋丸機發表時間:2015-5-11 10:17:52 瀏覽人數:727,1,0
摘要:鑄鐵氣門挺桿鹽浴淬火+低溫回火后,采用履帶式拋丸機進行表面與內孔的清理。在互相撞擊過程中,極易在挺桿棱角等處產生缺陷,損失較大,成為生產中的難題。本文從減少缺陷出發,對挺桿的拋丸方式進行了探討,最終有效解決了問題,產生了客觀的經濟效益。

   氣門挺桿是汽車發動機上的關鍵部件,氣門挺桿在發動機氣缸蓋座孔內上下與旋轉往復運動,將凸輪對它的推力傳給推桿,以此來傳遞動力。挺桿的形狀有筒狀和菌狀兩種,對挺桿的熱處理技術要求為表面有高硬度、高耐磨性、表面清潔,基體組織具有良好的綜合力學性能。

   經過表面強化處理的合金鑄鐵氣門挺桿,耐磨性和抗擦傷的性能得到提高[1]。目前世界各國采用合金鑄鐵制作挺桿的比例達 80%以上,為強化挺桿而進行淬火 + 低溫回火處理,以獲得要求的表面硬度與底窩硬度。

   鑄鐵氣門挺桿( 簡稱為氣門挺桿) 的熱處理是在中溫鹽浴爐中淬火,然后在低溫井式爐中回火。表面與球窩內的殘鹽與氧化皮的清理,采用滾筒式拋丸機或履帶式拋丸機。拋丸后部分氣門挺桿的外圓處棱角、外圓壁表面等掉塊( 缺肉) ,見圖 1。每批的廢品比例達6% ~8%,按年產200 萬支計算,則年廢品損失量達40 萬元以上,成為近年來降低制造成本過程中亟待解決的技術問題。

1、氣門挺桿的工藝分析:
   氣門挺桿的機械加工工藝流程為: 澆鑄→間接端部冷激→消除應力退火→機械加工→粗加工→裝夾→箱式爐550 ℃預熱→鹽浴爐880 ℃加熱→油淬→100 ℃熱水清洗→低溫井式爐 180 ℃回火→拋丸→防銹→磨外圓→磨端面→研磨球窩→磷化→檢驗→包裝。
圖1 氣門挺桿熱處理后拋丸缺陷
圖1 氣門挺桿熱處理后拋丸缺陷

1.1、氣門挺桿的熱處理工藝分析:
   氣門挺桿熱處理技術要求: 端面硬度≥60 HRC,碳化物≥30%,石墨≤10%,拋丸后整體無氧化皮與殘鹽。
   氣門挺桿( 采用干砂型鑄造,端面加冷鐵激冷)含有大量的針狀碳化物,具有堅固的骨架作用。表面部分珠光體經磨削成微凹又起著儲油的作用,其耐磨性、減磨性和儲油性較好。經淬火 + 低溫回火后形成馬氏體組織,可明顯提高氣門挺桿的接觸應力和挺桿的疲勞性能。為了確保氣門挺桿表面無氧化脫碳,必須采用鹽浴爐加熱,要嚴格控制加熱溫度,并脫氧徹底。
   研究表明[2]顯微組織為回火馬氏體基體上分布針狀碳化物以及出現點狀、片狀石墨,均能提高使用性能,表面硬度越高則耐磨性越好。
   氣門挺桿淬火后均獲得了高的硬度,需要注意的是合金鑄鐵( 含冷激鑄鐵) 的熱處理淬火溫度在860 ~ 880 ℃ ,保溫時間的長短對硬度有直接的影響。
   鹽浴爐的保溫時間超過15 min,則碳化物分解,淬火后的硬度無法滿足技術要求; 時間過短則無法消除白口組織[3]。

1. 2、氣門挺桿的表面清理( 拋丸) 工藝分析:
   氣門挺桿熱處理后,表面與筒內存在殘留的鹽渣、氧化皮、粘附物、銹跡等,需要將其清理干凈。熱處理車間配備的表面清理設備多數是滾筒式拋丸機和履帶式拋丸機等( 見圖2) ,采用直徑在0.8 mm 以上鋼砂,氣門挺桿在滾筒內或履帶上上下翻滾,彼此之間相互撞擊。同時氣門挺桿與拋丸機鑄造內腔接觸,由于氣門挺桿端面的硬度較高( 60 HRC 以上) ,外圓棱角與筒壁等處被往復的碰撞,故不可避免產生掉塊( 缺肉) 缺陷。另外加上出料時,落料口與接料箱有 800 mm 的落差,氣門挺桿在下落過程中,也會發生碰撞,即使設計了輔助裝備( 見圖 3) ,但鑄鐵氣門挺桿拋丸與落料過程中的掉塊現象仍難以避免。
圖2 Q326/6GN 拋丸機的內部形式
圖2 Q326/6GN 拋丸機的內部形式

2、改進拋丸工藝方法的探討:
    從以上氣門挺桿熱處理后表面清理情況分析,眾多廠家采用普通的滾筒或履帶拋丸機,甚至液體噴砂機,仍無法從根本上解決問題。產生缺陷的原因是氣門挺桿在拋丸、落料過程中相互碰撞,是設備本身無法解決的,需要探討另外的表面清理方式。
圖3 添加輔助落料裝置
圖3 添加輔助落料裝置

2.1、表面清理設備的利弊對比:
   手動噴砂機雖能完成氣門挺桿表面與筒內的清理,但生產效率低,操作者勞動強度大,無法滿足月產10 萬支批量作業的需要。
   轉臺式噴砂機體積龐大,作業環境差,效果不理想,尤其是底窩內清理不干凈,無法應用于氣門挺桿的拋丸處理。
   連續式履帶拋丸機具有間歇作業,裝卸料機械化,自動化程度較高,工件翻滾平穩,清理效果好,噪聲小,適合單件或大、小批量生產的中、小件的清理;
   但作為硬度高的氣門挺桿而言,彼此之間碰撞而產生損傷是避免不了的。
   懸掛式拋丸機對于氣門挺桿內孔的清理十分困難,其結構決定了存在這致命的缺陷。
   滾光機與振動研磨機的磨料為瓷球、棕剛玉、砂紙以及碎帆布等,盡管可清理表面,但無法清理內孔。
   由此可見,要無損傷清理氣門挺桿的表面是比較困難的,必須采用其他的方法,能在生產效率、作業環境、勞動強度以及產品質量等方面達到要求。

2.2、采用氣門挺桿彼此非接觸式拋丸工藝:
   從以上分析可知,氣門挺桿拋丸后的要求是: 內外表面清理干凈; 整體無損傷; 生產效率較高; 勞動強度低與作業環境好。前兩條則是關鍵指標,為此應進行大膽嘗試。
   要實現氣門挺桿之間在表面清理時無接觸,則需要設計專用的拋丸工裝。因滾筒式與履帶式拋丸機只有一個固定的拋射口,即使氣門挺桿可隨圓形工裝轉動,但要完成表面與內孔同時清理,也是不現實的。
   近年來隨著化學熱處理零件的增多,汽車與拖拉機零件( 如氣門與曲軸的氮碳共滲、活塞銷滲碳、凸輪軸的碳氮共滲等,氣門挺桿的氮碳共滲,模具的氮碳共滲等) ,紡織機械零件、農用機械零件、石油鉆探機械零件、化工機械零件、軍用槍支器械的氮碳共滲或滲碳,由于大部分零件在處理后,表面不再進行加工處理,要滿足表面質量的要求,均采用了吊鉤式拋丸機進行表面清理,達到了內外表面清潔的目的[4]。

3、吊鉤式拋丸的工藝特點與質量情況:
   該拋丸機的外形見圖4,專用工裝在拋丸機內緩慢轉動,零件在轉動過程中受到來自上下拋丸器噴射出的鋼丸的沖擊,可清理內外氧化皮等,自配的除塵器可確保工作現場無粉塵作業,為此需要做如下工作:
   ( 1) 專用拋丸工裝的設計??悸塹酵Ω說男巫從芯從臚滄?,由于菌狀挺桿有裙部( 大臺外圓) ,可以插在網格孔內固定( 見圖 5) ; 而筒狀挺桿則需要底口部支撐,外加格網固定桿部( 見圖6) 。
    ( 2) 工藝參數的設計。工藝參數包括拋丸頻率與時間,按履帶式拋丸機的工藝要求,將吊裝拋丸變頻器頻率調整為最高 50 Hz,時間為 60 ~70 min,鋼砂直徑為 0.8 ~1.0 mm。
   ( 3) 表面清潔情況的檢查。按工藝參數執行的挺桿進行外觀檢查,大部分氣門挺桿內外部無氧化皮、花斑、凹坑等缺陷,基本達到拋丸的要求,見圖7。
   ( 4) 損傷件的統計。按月產 20 萬支挺桿計算,原來采用履帶或滾筒拋丸后,每月損傷件數量達16000 余支; 而采用吊裝拋丸,成品檢驗的損傷件數量僅為100 余支,而且是由于操作不當造成的。從根本上解決了這一困擾多年的難題,產生了十分可觀的經濟效益和社會效益。
   圖4 Q375 型吊鉤拋丸機
   圖4 Q375 型吊鉤拋丸機
   圖5 菌狀氣門挺桿的拋丸專用工裝
   圖5 菌狀氣門挺桿的拋丸專用工裝
圖6 筒狀氣門挺桿在吊裝拋丸機內實景
   圖6 筒狀氣門挺桿在吊裝拋丸機內實景
圖7 拋丸后筒狀氣門挺桿
   圖7 拋丸后筒狀氣門挺桿

4、氣門挺桿拋丸過程中的不足之處:
   作為氣門挺桿拋丸的新方法,盡管解決了其缺肉的難題,但也存在以下問題:
   (1) 筒狀挺桿結構本身無法固定,只能是口向下放置在網格上。鋼鐵丸的硬度一般是40 ~62 HRC,韌性較好。拋丸過程中因鋼丸在上下運動過程中受阻而發生表面清理不干凈的問題,這樣勢必造成鋼丸從右下角斜向上拋出時有的被彈出或進入孔內的力度減弱。而部分挺桿會放在支撐梁上,鋼丸撞擊到橫梁上被彈回,進入筒( 孔) 內的鋼丸量大量減少,極大影響了這類挺桿的拋丸效果,故出現一定批量的孔內花斑等,見圖 8,在磷化后呈現不一致的顏色或銹蝕。
圖8 筒狀氣門挺桿內孔花斑
圖8 筒狀氣門挺桿內孔花斑

( 2) 鋼丸噴射到挺桿表面與內孔上,呈現為點或小面積接觸,比較柔和,故對表面的清理不算太理想,鑄鐵丸的硬度為 58 ~65 HRC,很脆且非常容易破碎,主要用于噴丸強度很高的零件。而利用鑄鐵丸容易破碎后呈棱角的特點,則具有明顯的清理效果,但其消耗較大。而添加 1. 6 mm 的鑄鐵丸后,因其打碎后過于鋒利,而口部為灰口組織,硬度低( 35 HRC 左右) ,造成菌狀或筒狀挺桿的口部損傷( 凹坑) ,嚴重者報廢( 見圖9) ,可見對于淺窩的挺桿而言,要慎重使用粗鑄鐵丸,以防對其產生危害。
圖9 菌狀氣門挺桿端口被大鑄鐵丸拋丸后的凹坑缺陷
圖9 菌狀氣門挺桿端口被大鑄鐵丸拋丸后的凹坑缺陷

( 3) 對于端面硬度要求較高的筒狀或菌狀氣門挺桿,一般采用的回火溫度為180 ℃左右,保溫時間為3 ~4 h。淬火后的殘油很難清洗干凈,在回火時油污貼附在內孔與表面上呈油漬等,形成拋丸的花斑等,嚴重影響了拋丸效果,這是花斑產生的最主要原因。為此每筒需要拋丸 2 ~3 h,浪費了大量的物力與財力,但結果仍不理想,同時影響了生產進度。

5、針對氣門挺桿拋丸質量的改進試驗:
   氣門挺桿的淬火采用機械油冷卻,要在熱水槽內清理干凈窩內的殘油十分困難,低溫回火時殘油吸附在內壁,這是造成拋丸缺陷( 花斑) 的主要原因。為此根據挺桿的硬度要求,如何通過回火方法消除油漬,主要采取如下試驗方法:
   ( 1) 在確保端面硬度合格的基礎上,提高其回火溫度到210 ℃,而回火時間分別為 3、4 h,拋丸時間不變,檢查效果不理想,有15% ~20%的孔內有花斑缺陷。
   ( 2) 回火溫度提高到210 ℃,延長回火保溫時間分別為5、6 h,再次驗證拋丸后的效果,進行批量內孔檢查,兩個回火時間處理后均表面清潔,無花斑等缺陷。
   ( 3) 將回火溫度提高到230 ℃,回火時間延長到3 ~ 4 h,進行硬度的檢查,發現有 20% 左右的端面硬度低于62 HRC,進行批量拋丸后,孔內清潔無缺陷。

6、結論:
1) 氣門挺桿鹽爐淬火 +低溫回火后,花斑是由于內孔存在油漬、回火溫度低造成的,采用提高工藝溫度與延長回火時間是正確的;
2) 吊裝拋丸可從根本上解決氣門挺桿缺陷,消除了挺桿彼此之間的碰撞,是正確與理想的表面清理方式;
3) 對菌狀與筒狀氣門挺桿的拋丸應進行專用工裝的設計,目前的工裝設計合理,滿足了工藝與質量要求,確保了氣門挺桿在拋丸過程中不會倒下或改變位置與方向等,拋丸效果比較理想;
4) 在拋丸過程中可適量加入 1.6 mm 的鑄鐵丸,可獲得理想的拋丸效果,挺桿內外潔凈,也可縮短拋丸時間。
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關鍵詞:拋丸機 拋丸清理機 青島拋丸機 路面拋丸機 履帶式拋丸機 吊鉤式拋丸機