气门淬硬层深度硬度重复性差原因和解决方法一例

■ 周小伟

1. 问题的引出

某型气门杆端帽形淬火时出现淬硬层硬度和深度重复性差的现象。淬火要求如附图所示。检查气门材料成分、调质硬度、尺寸等与表面淬火结果有关的指标未发现异常，工艺方法也未改变，于是主要从设备方面分析改进。

2. 工艺设备简介和原因分析

淬火工艺为空冷、冲击淬火，加热时间0.55s左右，使用导磁体。加热电源为200kHz的MOSFET逆变电源，功率通过调节工频整流晶闸管的导通角来改变直流电压实现。直流电压采用闭环PI调节，加热电源直接由低压电网供电，淬火机床为双工位机床。工件在感应器中的位置由气缸活塞运行的两个极限位置确定。此位置的检测由T5101行程开关执行，再通过控制继电器的动作把检测结果传递到控制淬火过程的PLC中。淬火加热时间由PLC控制（PLC接有HMI）。感应器与电源的冷却外配水冷机。导磁体的冷却还使用了压缩空气空冷，压缩空气供应与气动回路用气供给共用主气管。

淬火后淬硬层深度和硬度不一致的原因往往是多种多样的，我们认为与设备及环境等方面相关的有以下几个问题。

首先，我们检查加热电源的供电电压是否稳定。结果发现，早晨上班时，也是取样时，供电电压是不太稳定的，但变化一般不超过4%；中午和晚上电源供电电压会高10%以上。电压偏移均超过2.5%的可接受范围。然而，即使在供电电压稳定的时段内仍然有淬硬层深度、硬度重复性差的情况。由此可见，供电电压变化只是原因之一而不是全部原因。

其次，加热时气门在感应器中的位置严重影响加热功率，进而影响到淬硬层深度和硬度。本台设备中用普通的行程开关检测气门是否到达感应器中的加热位置，检测误差可能达到2mm。尤其调整不恰当时更易造成较大误差。有时气门未到位（检测不准）就加热或者气门未停稳（稳定时间太短）就加热。这些情况将严重影响加热功率的重复性，最终影响到淬硬层深度和硬度。试验发现这是淬硬层深度、硬度重复性差的主要原因。

淬火要求图例

再次，由于整个加热时间很短，加热时间不大的偏差对加热温度就有较大的影响，尤其影响内部温度，最终影响淬硬层深度。试验证明，时间相差0.01s时淬硬层深度差异可达0.1～0.4mm，因此时间控制误差对最终淬硬层深度甚至硬度也有较大影响 。PLC定时的重复性受到其本身定时精度、工作速度和扫描时间等多方面的影响是比较低的。

最后，由于导磁体距工件很近、居里温度又较低（180℃左右），加热时容易超温失磁。如冷却不足或不稳定，其导磁性将不稳定，因而导磁体的冷却也影响到淬硬层深度、硬度的重复性。

3. 改进方案

针对上述原因，采取一系列的综合措施来解决淬硬层深度、硬度重复性差的问题。对于电网电压的影响，采取增加补偿式稳压电源（稳压精度可达1%）来降低电网电压变化的影响，使加热电源的供电电压变化（重复性）小于1.5%。对气门加热时的位置问题，改进位置检测元件，将原T5101行程开关改成DWDD-605接近开关并采用较薄的感应块。位置检测重复精度可控制在0.01mm以内。修改PLC程序，确保气缸运行到加热位置稳定后才加热。检测到气门到位后再延时一段时间才开始加热。加热过程中检测到气门不在加热位置则停止加热并报警。对于加热时间控制的改进，采用了外加精密时间继电器H5CX取代PLC时间控制进行外部控制。时间控制精度可达0.01s以下。

对于导磁体的冷却问题，调低冷却水温度的同时调小冷水机（冷却感应器和电源的电气元器件）的水温控制偏差并加强运行监视；增加导磁体专用压缩空气冷却气管。此冷却气体不但冷却导磁体，还对气门杆端的冷却起一定的作用，因此其稳定性是很重要的。实际上，当前述影响因素只是单一存在时不一定导致产品不合格，怕的是叠加影响，因此对各单一影响因素要从严控制。

4. 改进效果

通过改进，明显发生了下列变化。过去那种常工作约2h后加热温度明显降低（看火色即可知），从而使淬硬层深度变浅甚至硬度降低的现象没有了。实际上，工作一段时间后，冷却水温上升，加热时导磁体冷却变差，其温升增高，温度可能超过居里点。过去那种到了中午或晚上加热温度显著升高到必须调整参数才能保证产品合格的现象没有了。这实际上是安装了稳压电源后基本消除了电网电压变化对加热的影响。只要气缸因机械卡阻、压缩空气压力不稳等原因不能精确到达并稳定停在工作点，就不会开始加热或中途停止加热并报警。这些措施消除了前述问题引起的淬硬层深度和硬度重复性差的现象。

[1] 周小伟. 气门冲击淬火硬度一致性差原因分析[J].《内燃机与配件》，2011（11）：30.

[2] 巫莉，等. 电气控制与PLC应用 [M]. 北京：中国电力出版社，2010.