CN114250342A - 一种气阀感应加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种气阀感应加工方法，用于阀杆直径较小的锁夹槽和阀杆小端面都淬火的气阀的感应淬火，该方法采用气阀阀杆小端面和锁夹槽同时淬火，避免两次淬火加工方案中在对第二段（端）淬火时由于热传导作用影响先淬火那段（端）的淬火硬度和淬硬层深度。本发明设计了特殊结构的门型感应器，并设计了特殊的气阀感应加热和淬火冷却参数，相对比传统的感应淬火加工，更能可靠的保证锁夹槽位置淬硬层深度符合图纸要求，而不被淬透。

Description

一种气阀感应加工方法

技术领域

本发明属于感应加工技术领域，具体涉及气阀感应加工方法。

背景技术

对于带有锁夹槽的气阀在感应加工时，一般要求阀杆小端面感应淬火，锁夹槽不要求感应淬火，这种气阀感应淬火不难。但对于阀杆直径较小的气阀，要求锁夹槽和阀杆小端面都感应淬火，而且两个部位的技术要求不一致，这种气阀感应淬火就非常难。如图1所示，气阀既要求A端阀杆小端面淬火，又要求B段阀杆锁夹槽外圆淬火，而且两个淬火部位的淬火硬度和淬硬层深度要求不一致，技术要求：杆端面A表面淬硬，硬度58±3HRC，淬硬层深度1.8～3.5mm(477HV1处)，杆外圆B段表面淬硬，硬度≥52HRC，淬硬层深度0.9～2.3mm(435HV1处)。这种气阀感应淬火极易出现锁夹槽位置淬透，导致零件报废，或者易出现在A端和B段交界位置淬火硬度和层深不符合要求，也易出现B段淬火长度不符合要求。

解决以上问题，传统方法是分两次淬火，先淬B段，再淬A端，或者先淬A端，再淬B段。如果先淬B段再淬A端，由于B段末端位置与A端仅相距5.2mm，为了达到A端淬硬层深度和淬火硬度要求，A端加热至淬火温度后，由于热传导作用会影响已经淬火的B段末端位置的硬度和淬硬层深度。如果先淬A端再淬再淬B段，为了达到B段末端位置(如图中5.2处)的硬度和淬硬层深度，势必也会影响A端的硬度和淬硬层深度。

气阀通常选用4Cr10Si2Mo、X45Cr9Si-3等耐高温高合金钢材，由于合金含量高，采用空气作淬火介质即可达到图纸要求的淬火硬度，但是因气阀锁夹槽位置直径小(仅9.8mm)，在淬火空冷过程中零件表面积蓄的热量由于热传导作用会向零件芯部传递，造成气阀锁夹槽位置芯部温度升高，淬火后锁夹槽处的芯部硬度会接近甚至超过淬硬层极限硬度值435HV1，芯部淬透，则零件塑性和韧性差，极易在使用中断裂，因此锁夹槽决不允许淬透，淬透就报废！

为了减小表面热量向零件芯部传递，防止芯部淬透，可以采用水作淬火介质，但对这种材料淬水则极易出现裂纹。如果操作者手拿零件加热，冷却时可以浸油淬火，这种方式可以避免淬火裂纹，但这种方法加热时零件不便于旋转，加热极不均匀，尤其锁夹槽位置淬硬层深不均匀，手拿零件加热时零件与感应器间距不稳定，有时大有时小，或者零件在不同方向的部位与感应器间距不一致，也使得加热不均匀，导致淬硬层深度不均匀，所以手拿零件感应淬火的方法不可取。

为了淬火面加热均匀，零件通常装夹在机床卡盘上随卡盘高速旋转，淬火冷却时不宜取下零件浸油冷却，如果采用喷油冷却，淬火油势必会燃烧起来，设备不安全，油烟大也影响环保和职业健康。

另外，如何保证B段淬火长度符合15±1.5范围，也非常困难。图1所示气阀淬火加热时，因B段左端不淬火，这一段是冷的，淬火加热的热量要向B段左端传递，引起B段加热温度不均匀，如何保证B段淬火硬度和淬硬层深度均匀且符合图纸要求也是一大难题。

淬火加热功率和加热时间是感应淬火的重要控制参数，加热功率越大，加热时间应越短，这样既可以使零件加热到淬火温度，又不致淬硬层过深。当然加热功率不是越大越好，加热功率过大，可能烧伤零件；加热时间也不是越短越好，加热时间过短可能引起加热温度不足，导致淬火硬度不足，也可能导致淬硬层深度过浅，反之亦然。

淬火部位与感应头间距对感应淬火的影响，在相同工艺参数情况下工件淬火部位与感应头间距越小，工件表面产生的涡流越大，工件表面产生的热量越多，加热温度越高，越易淬硬，淬硬深度越深，但间距过小，由于工件长度或直径差异，或者装夹差异，易导致工件与感应接触造成烧伤工件。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种气阀感应淬火方法，适用于带有锁夹槽的气阀的感应淬火，采用特殊设计的感应器，以获得所需要的淬火硬度和淬硬层深度，尤其是保证锁夹槽位置淬硬层深度符合图纸要求，而不被淬透，并通过对方法和工艺参数的改进，有效提高感应淬火质量，提高工作效率，降低生产成本。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种气阀感应加工方法,用于阀杆直径较小的锁夹槽和阀杆小端面都淬火的气阀的感应淬火，其包括以下步骤：

1)装夹

将气阀装夹在旋转工作台上，找正阀杆小端外圆跳动量≤0.1，阀杆小端高度差异≤0.1，设定工作台转速200～400转/分钟。

2)气阀感应加热

启动作台旋转，对阀杆小端面和锁夹槽同时进行感应淬火；感应淬火采用的感应器包括左汇流板、左汇流排、右汇流排、右汇流板、绝缘板、右汇流管、挡板、感应头、导磁体和左汇流管；所述左、右汇流板的一端分别与左、右汇流排连接，另一端分别与左、右汇流管连接，左、右汇流板中间由绝缘板隔开，并通过螺钉、绝缘垫圈和螺母连接并锁紧；所述感应头为门型结构，两端竖梁分别与左、右汇流管焊接连接，竖梁的末端各安装有导磁体，导磁体向门型结构内开口；感应头长度L1和宽度L2根据气阀阀杆锁夹槽淬火长度和外径设计。

将所述感应头套在阀杆上，调整感应头的横梁位置与阀杆小端面A的间隙为2.5mm，调整竖梁与阀杆外圆间隙分布对称均匀，设定感应器加热位置，淬火加热功率30±5Kw，加热时间2±0.5秒，频率为80±10KHz。

3)气阀淬火冷却

加热后的气阀喷淬火液冷却，喷淋时间1～5秒，其中淬火液浓度为15～20％，淬火液压力为3～6Bar，AQ251淬火液流量15～40升/分钟，温度15～35℃。

4)回火

回火温度180±20℃，保温2小时后出炉后空冷。

进一步，回火完成后还包括检测：检测气阀各位置淬硬层深度，气阀A端和B段外圆淬火硬度，检测锁夹槽位置芯部硬度。

具体地，所述感应头由壁厚1.5mm，6mm×6mm的方型空心紫铜管绕制而成，感应头长度L1为31mm，宽度L2为15mm。

具体地，所述感应头的横梁和竖梁连接处的内转角和外转角为直角

具体地，所述导磁体由铁氧体磁芯烧结而成，导磁体开口端尺寸6.2×6，其余三个方向尺寸均为3mm，导磁体厚度6mm。

具体地，所述淬火液为AQ251淬火液，是一种聚乙二醇水溶性聚合物淬火介质，通过调整浓度可获得介于水、油之间的任一冷却能力，且具有逆溶性。

本发明有益效果：

1、本发明采用同时对气阀A端和B段感应淬火，能准确保证气阀A端和B段交界处硬度和淬硬层深度符合图纸要求，有效防止两次淬火过程中热影响区的不利影响(即对第二段(端)淬火时由于热传导作用影响先淬火那段(端)的淬火硬度和淬硬层深度)。而且提高感应淬火工序的生产效率1倍以上，降低该工序生产成本50％以上。

2、本发明通过合理且精确的门型感应器设计，满足对气阀A端和B段同时感应淬火，分别达到两个部位不同的淬火硬度和淬硬层深度要求。本发明在门型感应感应头的下端安装导磁体，减小阀杆B段外圆温度差异，准确的保证气阀B段淬火长度和该长度范围内的硬度和淬硬层深度符合图纸技术要求。

3、本发明通过精确的控制气阀感应加热参数和淬火冷却参数，准确的保证气阀锁夹槽淬硬层深度符合图纸要求，且不被淬透。有效确保气阀锁夹槽部位硬度和韧性的完美结合，还能有效的防止气阀感应淬火裂纹。

4、本发明所涉加工方法，先装夹气找正小头跳动量≤0.1，阀杆小端高度差异≤0.1，气阀感应淬火时装夹在设备工作台上高速旋转(转速200～400转/分钟)，避免手拿工件加热不均匀，更可靠的保证工件淬硬层深度和淬火硬度的均匀且一致。

5、本发明所涉加工方法，气阀感应淬火采用喷AQ251水基淬火液加快气阀冷却，可有效地防止工件淬火空冷时表面积蓄的热量由于热传导作用继续向零件芯部传递，造成气阀锁夹槽位置芯部温度升高过高，导致芯部淬透，采用该方法后气阀芯部保持原调质硬度。

6、本发明采用的感应器中的相关零件多采用标准件，在保证使用的情况下大大降低了制造成本。

附图说明

图1是气阀淬火部位图；A端为气阀阀杆小端面，B段为气阀阀杆锁夹槽淬火部位；

图2是感应器的结构示意图；

图3是感应头的结构示意图；

图3A是图3的左视图；

图3B是图3的俯视图；

图3C是图3的A-A剖面图；

图4是装上导磁体的感应头的结构示意图；

图4A是图4的左视图；

图4B是图4的俯视图；

图4C是图4的A-A剖面图；

图5是气阀淬火部位与感应器相互位置图；

图5A是图5的左视图(其中感应头是剖面)。

具体实施方式

下面结合附图和材质为40Cr10Si2Mo的某柴油机气阀感应淬火工艺的实施例，对本发明作进一步说明。

气阀的结构和参数如图1所示，气阀感应淬火要求为：杆端面A表面淬硬，硬度58±3HRC，淬硬层深度1.8～3.5mm(477HV1处)；杆外圆B段表面淬硬，硬度≥52HRC，淬硬层深度0.9～2.3mm(435HV1处)。

本实施例采用感应器如图2、图3和图4所示，感应器包括左汇流板1、左汇流排2、右汇流排3、右汇流板4、绝缘板5、凹型绝缘垫圈6、垫圈7、内六角螺钉8、橡胶圈9、右汇流管10、绝缘板11、感应头12、导磁体13、左汇流管14、绝缘垫圈15、大垫圈16、六角螺母17等零件组成。其中，左汇流板1、左汇流排2、右汇流排3、右汇流板4都由厚度12mm的纯铜板制作，左汇流排上设计宽度8mm，深度6.3mm的定位槽以便于整套感应器的装夹定位，左汇流排2和右汇流排3均钻有φ10通孔分别与左汇流管14和右汇流管10焊接连接。左汇流排2和右汇流排3组装后左端面应在同一平面上，与设备电源输出端连接。左汇流板1和右汇流板4分别与左汇流排2和右汇流排3焊接连接，它们中间由绝缘板11隔开，左汇流排2和右汇流排3通过内六角螺钉8、凹型绝缘垫圈6、垫圈7、橡胶圈9、绝缘垫圈15、大垫圈16、六角螺母17连接并锁紧，内六角螺钉8穿过凹型绝缘垫圈6既能锁紧左汇流排2和右汇流排3，又不能让内六角螺钉8通电。左汇流管14和右汇流管10分别焊接在左汇流板1和右汇流板4上，左汇流管14和右汇流管10右端与感应头12焊接连接。左汇流管14和右汇流管10由壁厚1.5mm，15mm×10mm的方型空心紫铜管绕制而成。

本实施例中，感应器的感应头尤其关键，感应头设计成如图3所示的门型结构，门型结构感应头可以实现阀杆端面和锁夹槽外圆同时淬火。参见图3A、图3B和图3C，感应头12由壁厚1.5mm，6mm×6mm的方型空心紫铜管绕制而成，感应头两端分别与左汇流管14、右汇流管10焊接连接，冷却水从右汇流排依次流入右汇流管、感应头和左汇流管，从左汇流排流出，以冷却整套感应器。

图3中感应头长度L1和宽度L2需结合气阀阀杆锁夹槽淬火长度和外径来设计，本实施例中感应头L1为31mm，L2为15mm。

参见图4、图4A、图4B和图4C，导磁体13安装在感应头12下端，门型感应头下端安装导磁体可以减少B段锁夹槽外圆感应加热的温差，保证B段长度淬火硬度和淬硬层深度符合图纸要求。导磁体13安装在感应头12下端，导磁体由铁氧体磁芯烧结而成，导磁体开口端尺寸6.2×6，其余三个方向尺寸均为3mm，导磁体厚度6mm。感应头下部左右两边各安装2个导磁体，导磁体向门型内开口。

本实施例中，感应头12在如图3所示位置①和位置②处须保留直角，在位置①处保留直角是为了方便安装导磁体，位置②如果有过渡圆弧则感应淬火时阀杆小端倒角位置加热温度会过高。

本实施例的柴油机气阀感应淬火工艺方法，包括以下步骤：

1)用折光仪检查淬火液浓度应15～20％，检查淬火液压力应3～6Bar。本实施例中，可以选用淬火液AQ251。

2)将感应器安装在设备电源输出端，用压紧螺钉锁紧感应器，接通冷却水，感应器与电源输出端接触面应不漏水。安装上淬火液喷淋装置，调整AQ251淬火液流量应15～40升/分钟，温度应15～35℃。

3)将气阀装夹在旋转工作台上，找正阀杆小端外圆跳动量≤0.1，阀杆小端高度差异≤0.1，在程序中设定工作台转速400转/分钟。

这里，气阀感应淬火时是装夹在设备工作台上高速旋转，如果手拿工件则不便于旋转，加热不均匀，而且零件与感应器间距不稳定，造成工件淬火硬度和淬硬层深度不均匀性，这样装夹和转动可以避免手拿工件产生的问题。

4)气阀感应加热

如图5和图5A所示，调整感应头横梁位置与阀杆小端面A的间隙为2.5，调整感应头竖梁与阀杆外圆间隙应分布对称均匀，设定感应器加热位置，淬火加热功率30Kw，加热时间2秒，设备使用频率为80KHz。

这里，气阀阀杆小端面A和感应器间距L3(本实施例中L3为2.5)直接关系到气阀阀杆小端面A处的淬火硬度和淬硬层深度。小端面A既受到感应头上端横梁产生磁场作用，又受到感应头两侧竖框产生磁场作用，两个磁场双重作用使得阀杆小端面A加热温度略高于B段锁夹槽外圆，因此小端面A的淬火硬度和淬硬层深度大于B段锁夹槽外圆。如果在没有安装导磁体的情况下B段锁夹槽外圆加热效果也不是完全相同的，如图5所示，阀杆B段上端由于受到阀杆小端面A热量传递和感应头上端横梁及两侧竖框都产生交变磁场叠加作用形成感应电流大，阀杆B段下端只受到感应头两侧竖框产生交变磁场作用形成感应电流小，而且下端加热的热量由于热传导作用会向下传递，因此阀杆B上端的加热温度比下端高。本发明特征在于在感应头上于阀杆B段下端末端对应位置往上安装上导磁体如图4和图5所示，把两侧竖框产生的交变磁场趋赶到门形感应头内侧，增强该处的靠近阀杆面的交变磁场，从而增大该处感应电流，以此降低B段锁夹槽外圆加热温度差异,更好的保证B段长度和该长度内的淬火硬度和淬硬层深度符合图纸要求。

5)气阀淬火冷却

本发明，气阀感应淬火采用喷AQ251水基淬火液加快气阀冷却，防止工件在空冷淬火时表面积蓄的热量由于热传导作用继续向零件芯部传递，造成气阀锁夹槽位置芯部温度升高过高，导致芯部淬透。当然喷淬火液的冷却工艺参数也是有讲究的，如果AQ251水基淬火液浓度过低，相当于用水淬火冷却，易出现淬火裂纹；如果AQ251水基淬火液浓度过高，则冷却速度又过慢，没起到加速冷却的效果；喷淋时间也要准确控制，在淬火冷却高温段要快速冷却，防止表面热量传到芯部，在淬火冷却低温段则要缓慢冷却防止出现淬火裂纹，这就需要准确控制喷AQ251水基淬火液的喷淋时间，在喷淋结束时工件表面能冒热的蒸汽，表面水份能迅速蒸发，这样才能有效的防止淬火裂纹。使用AQ251淬火液优点是淬火液浓度可以根据需要进行调整。其次淬火液基础成份是水，淬火过程中不会燃烧，不会产生安全风险，也不产生油烟，没有环保问题，不危及操作人员职业健康。另外，淬火液中添加了防锈剂，淬火后会在短期内有一定的防锈效果。依据淬火工件的材料、大小、和结构。本发明中，AQ251淬火液浓度为使用范围一般为5～20％，工件喷淋或浸入AQ251淬火液的时间由几秒到几分钟不等。本发明中，AQ251淬火液浓度为15～20％，淬火喷淋时间为1～5秒。

本实施例中，向加热后的气阀喷AQ251淬火液冷却，喷淋时间3秒。

以上步骤4)和5)都由设备自动完成，程序设定好，启动程序即可

6)回火

回火温度180±20℃，保温2小时后出炉后空冷。

当然也可以制作两个相同的感应器，利用感应淬火设备的回火工位，在中频回火工位上感应回火。本实施例采用箱式回火炉回火。

7)检测

按GB/T 5617《钢的感应淬火或火焰淬火后有效硬化层深度的测定》和JB/T6012.2《内燃机进、排气门第2部分：金相检验》检测气阀各位置淬硬层深度。按JB/T 9204《钢件感应淬火金相检验》检测气阀金相组织。按GB/T 230《金属材料洛氏硬度试验》检气阀A端和B段外圆淬火硬度。为了防止气阀锁夹槽位置淬透，工艺增加检测锁夹槽位置芯部硬度。

检测结果如下表1所示：

表1气阀感应淬火检测结果

采用本发明方法感应淬火的气阀数百件，全部经过着色探伤和荧光探伤检查，未发现一件裂纹。

所有检测结果符合图纸要求。

在采用本发明方法前，该类气阀感应淬火分成两次完成，第1次对B段锁夹槽外圆淬火，感应器需要准确的在起点位置停留(图中15左端)一段时间再移动加热淬火；第2次再对A端面淬火。这种方案A端和B段交界位置(图中5.2左端)的硬度和层深无法达到图纸要求，而且锁夹槽常常淬透，导致报废。采用本发明后，感应淬火质量稳定可靠，而且感应淬火生产率提高1倍以上，该工序生产成本节约50％以上。

以上对本发明的原理及实施方式进行了阐述，对于本领域的一般技术人员熟知的技术未详细说明，以上说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思进行诸多修改和变化。因此，凡属于柴油机气阀感应加工技术领域中，技术人员依据本发明的构思采用的提高气阀感应淬火质量的加工方法，皆应在本权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种气阀感应加工方法,其特征在于，包括以下步骤：

1）装夹

将气阀装夹在旋转工作台上，找正阀杆小端外圆跳动量，阀杆小端高度差异，设定工作台转速200～400转/分钟；

2）气阀感应加热

启动作台旋转，对阀杆小端面和锁夹槽同时进行感应淬火；感应淬火采用的感应器的感应头为门型结构，两端竖梁分别与左、右汇流管焊接连接，竖梁的末端各安装有导磁体，导磁体向门型结构内开口；感应头长度L1和宽度L2根据气阀阀杆锁夹槽淬火长度和外径设计；

将所述感应头套在阀杆上，调整感应头的横梁位置与阀杆小端面A的间隙为2.5，调整竖梁与阀杆外圆间隙分布对称均匀，设定感应器加热位置，淬火加热功率30±5Kw，加热时间2±0.5秒，频率为80±10KHz；

3)气阀淬火冷却

加热后的气阀喷淬火液冷却，喷淋时间1～5秒，其中淬火液浓度为15～20%，淬火液压力为3～6Bar，AQ251淬火液流量15～40升/分钟，温度15～35℃；

4）回火

回火温度180±20℃，保温2小时后出炉后空冷。

2.根据权利要求1所述的气阀感应加工方法,其特征在于，回火完成后还包括检测：检测气阀各位置淬硬层深度，气阀A端和B段外圆淬火硬度，检测锁夹槽位置芯部硬度。

3.根据权利要求1或2所述的气阀感应加工方法,其特征在于，所述感应头由壁厚1.5mm，6mm×6mm的方型空心紫铜管绕制而成，感应头长度L1为31，宽度L2为15。

4.根据权利要求1或2所述的气阀感应加工方法,其特征在于所述感应头的横梁和竖梁连接处的内转角和外转角为直角。

5.根据权利要求1或2所述的气阀感应加工方法,其特征在于所述导磁体由铁氧体磁芯烧结而成，导磁体开口端尺寸6.2×6，其余三个方向尺寸均为3mm，导磁体厚度6mm。

6.根据权利要求1或2所述的气阀感应加工方法,其特征在于所述淬火液为AQ251淬火液。

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