本文结合相关标准及感应淬火知识点，从产品要求工艺性评估、工艺路线设计、工艺方案设计、工艺验证、工艺定额的设计及工艺维护等几个方面进行分析，并针对策划工作制定了相关规范，从而帮助生产企业有效避免淬火失效的频繁发生。

对于淬火这类特殊工艺来说，工艺开发阶段策划工作的质量对于后期加工质量及其稳定性影响尤甚。本文结合相关标准及感应淬火知识点，针对策划工作制定了相关规范。

根据经验梳理的淬火工艺开发过程一般分为：产品要求工艺性评估、工艺路线设计、工艺方案设计、工艺验证、工艺定额的设计及工艺维护几个步骤。

产品要求工艺性评估

在明确产品有淬火处理要求或只能通过淬火才能满足产品要求时，需要对产品要求进行工艺性评估。评估内容主要为淬火位置是否合理、结构上是否不适于淬火而需要进行设计优化、硬度要求是否符合材料的淬硬性特性以及硬度层层深和宽度等公差带是否过小而难以达到等。

对于要求不合理或无法达到产品要求的特性项，应与设计人员充分协商，以在满足产品质量要求的同时，确保工艺符合性达到百分之百。

图1 曲轴连杆轴颈淬硬层分布

1.淬火位置和结构的审核

（1）位置 位置的审核主要是根据淬火的特性审核产品图样的要求是否合理及能否达到，如曲轴连杆轴颈淬硬层中止在工件的危险断面上就是不合理的（见图1）。

根据曲轴在发动机内部的受力特性，主轴颈、连杆轴颈与曲拐的过度圆角处是最容易断裂的。

如图1a所示，将轴颈、圆角和曲拐连接处均匀淬硬可以很大程度地提高此处的疲劳强度。此项工艺的技术难点是在电源的分配上，目前有国外厂家已具备此项淬火工艺的能力。此工艺在一定程度上可以代替滚压工艺。

如图1b所示，使淬硬层远离危险断面（一般为4～8mm）为较合理的常见淬火方式，然后对淬火过渡区和圆角进行滚压提高其疲劳强度。

如图1c所示，淬硬层中止在危险断面是非常危险的，圆角处的应力与淬硬层过渡区的应力相叠加会急剧降低其疲劳强度。

（2）尖角 感应淬火时电流会在尖角处过分集中，易过热导致烧融、开裂，常优化设计为圆角来进行预防。

（3）油孔 如曲轴油孔，感应淬火时电流在孔的锐角处会过分集中，易导致烧融、开裂；常对孔口进行倒角或以铜锭堵住油孔来预防。

图2 双轴加工工艺路线

2.硬度等特性的审核

（1）硬度 产品图样需有明确的以HRC为计量单位的硬度要求；考虑到工件的淬硬性，一般只规定硬度的下限。目前双轴热处理都要求硬度不小于50HRC。在不考虑合金元素且碳含量小于0.8％时，淬硬性一直随含碳量增加而提高，在高碳区硬度增长趋势明显减慢。

（2）金相 产品图样需有明确的热处理后淬硬层金相组织等级要求。如某凸轮轴热处理后淬硬层金相组织要求为JB/T9205中规定的3～6级。

（3）深度及轴向位置 产品图样需有明确的回火后淬硬层深度、位置要求，并考虑加工是否易于检测。如曲轴轴颈、凸轮基圆的淬硬层和轴向位置公差带一般最小为1mm，凸轮桃尖淬硬层公差带一般最小为2.5mm。

工艺路线设计

最佳加工路线是在保证加工质量的前提下，能很好地提高加工效率、减少质量风险以及降低损耗。以发动机零件加工为例，淬火后必须进行回火，且淬火后越快进行回火效果越好。

1.感应淬火及配套工序布置

（1）清洗 推荐对淬火前的工件进行清洗，从而保证无前序切削液对淬火液的污染、保证无铁屑等造成“打火”报警。

（2）回火 经过淬火工艺后,工件内应力大、组织不稳定，淬火后需进行回火。回火可降低工件内应力、改善切削性能和稳定组织。对未经淬火的工件进行回火是没有意义的，而淬火后不进行回火的工件是不允许使用的，两者密不可分。

（3）校直/滚压 热处理后工件会产生一定的形变，若形变过大则对后续精加工会有影响，需要进行校直。对于凸轮轴这种长径比较大的工件，淬火形变会比较明显。对于曲轴，一般会对未热处理的轴颈过渡圆角处进行滚压以提高其疲劳强度，而滚压的同时也会对曲轴进行校直。

（4）探伤 工件进行淬火、回火都可能会出现裂纹，故需要对热处理后的工件进行探伤。

2.整线常见布局

目前淬火工序布置常见的有毛坯淬火和半成品淬火两种，其优缺点如表1所示。

正常情况下，如新生产线规划优先考虑进行半成品淬火。若存在粗、精加工在一道序完成的淬火对象时，也应该优先考虑进行半成品淬火，因为半成品相对毛坯而言，形状尺寸、定位面平整度等有较大提高，淬火质量更加稳定。

3.一般工艺路线

总结以上两点，淬火及其配套工序优先放在粗加工之后、精加工之前，这样能在保证加工质量的前提下尽可能地降低加工成本。双轴加工工艺路线如图2所示。

4.注意事项

（1）淬火机床应尽量放置在较通风的区域，利于水汽、油烟的排放。

（2）若采用自回火，应预留工件自回火区域空间。

（3）与精密磨床等尽量不共用一条电源线路。

工艺方案设计

本文将从淬火设备配置选型、各主要参数的选择、淬火液的选择以及相应辅具的选用来阐述感应淬火工艺方案。

1.机床配置的选型

配置的选择主要为卧式和立式的选择、机床主要形式的选择、上下料方式和淬火回火之间取料方式的选择等，其中卧式、立式淬火机的优点及适用对象如表2所示。

2.主要参数的选择

（1）频率的选择 电流频率的选择主要是选择频率范围，即选择频带。在效果上，8000Hz与10000Hz基本上是相同的，但是8000Hz与30000Hz、30000Hz与250000Hz就不能通用了，因为它们不在一个频带上，有一个数量级的差别。

（2）线圈是否仿形的选择 对截面为圆形的淬火对象，线圈选定为圆形。而截面非圆形的就需要依据客户需求来判定线圈是否需要仿形（仿工件截面形状），线圈仿形与否的优缺点如表3所示。

根据表3并结合客户无淬硬层深度均匀的要求，某凸轮轴淬火机床选取了圆形感应线圈。

（3）线圈直径的选择 线圈直径D由工件最大旋转直径d及线圈与工件的间隙L决定，D=（d +2L）。理论上来说，间隙L越小，加热效率越高。但L值过小可能会引起工件与感应线圈的接触从而造成短路，烧坏零件表面。实际选型中，间隙可参照如表4所示的前序加工的跳动要求和外圆淬火间隙推荐来选择。

（4）加热时间等参数的选择 感应淬火主要关注的参数有加热时间、加热电压和加热电流，具体请见下文所述的工艺文件配备。

3.淬火液的选择

理想的冷却介质功能应该是帮助工件高温区缓冷、C曲线鼻尖区快冷以及马氏体转变区缓冷（见图3），从而在保证淬火质量的情况下，尽量减少内应力的产生。

感应淬火一般都是采用单液淬火，操作简单、易实现机械化和自动化。选择时以厂家推荐、调试为准。要注意的是必须保存终验收时淬火液的冷速曲线报告（包括pH值、浓度），明确当时淬火液的冷却能力，以备后期查验。另外，淬火机床必须要有对淬火液的加热和冷却功能。一般要求淬火液工作状态温度变化控制在5℃范围以内。

4.其他

（1）均热时间 指加热停止到冷却开始的这段时间，淬火机必须具有可调整均热时间的功能，便于工艺维护。

（2）顶紧压力 淬火时若存在轴向的顶紧压力，会加大工件的形变，特别是对于长径比较大的细长件。若淬火机床是以工件中心孔为旋转中心，应保证顶尖与中心孔存在一定的间隙。

（3）导磁体 导磁体具有使尽可能多的磁场穿透需要淬火的区域、提高加热效率的趋流功能和使尽可能少的磁场穿透不需要淬火的区域、避免其温度升高的保护功能，淬火线圈应尽可能的选择附着导磁体。

（4）转速 感应淬火时工件旋转可以保证加热、冷却均匀，转速一般取60～360r/min之间，工件直径越大、结构越复杂，转速取的越小。要注意的是连续淬火时，需要注意避免因旋转速度过低、移动速度过快时产生螺旋软带。

5.回火的选择

（1）回火方式的选择 按是否需要回火专用设备，回火方式可分为自回火和炉式回火，其各自优缺点如表5所示。对于曲轴和凸轮轴的回火，应尽可能地选择自回火。根据自回火的原理，淬火时使工件芯部得到合适的能量就满足了进行自回火的前提条件。同样，同时淬火相较于连续淬火更适用于自回火。

（2）回火温度的选择 按照回火温度范围，可分为低温、中温和高温回火（见表6）；其中双轴回火一般都选择低温回火。

需要注意的是，回火温度的选取要避开250～350℃这个温度范围，因为工件这个温度范围回火会产生回火脆性，回火后易断。

6.辅具的选择

（1）折光仪 用以检测淬火液的浓度，推荐使用手持式折光仪。

（2）测温仪 用以测量热处理工艺过程中的相关温度，如477凸轮轴自回火温度。推荐选用Raytek公司的R3ILRL3U型手持式红外测温仪，其测量范围为–30～1200℃，D：S达到120：1。

（3）硬度计 用以检测工件硬度，推荐使用便携式硬度计。

工艺验证

1.设备验收前提

设备应满足相关的电气、机械要求，符合相关色彩管理规定。

2.质量验收

（1）加工工艺过程 设备加工工艺过程需符合协议要求。

（2）加工节拍 设备加工节拍需满足协议要求。

（3）连续加工质量稳定性 连续加工30件，位置、硬度、层深、金相和形变等均满足要求。

（4）参数公差 各项参数公差的上下限必须通过试切验证。

（5）投产参数稳定性 连续投产7个工作日，参数均稳定在公差范围内。

（6）各项功能的确认 参数能正常调节、监控的参数超差能立即报警。

（7）探测频次的确认 所有控制项目的探测频次的制定，均应在设备调试期间得到充分的验证。对于周期较长的频次（半年以上），可以特殊要求，但应与设备厂家沟通确认。

（8）淬火液的特性确认 化验淬火液，明确质量验证时淬火液的冷速曲线，留存报告。

3.辅具验收

对于一般的辅助工具具有厂家提供的出厂检测报告或合格证并满足使用功能及外观良好为验收条件即可；对于需要定期标定或校准的检测类辅助工具来说，除满足上述条件外，还应提供专业检测机构标定或检定的证书。

工艺定额的设计

1.人员的配置

感应淬火人员应配备至少一名专业人员，经培训后知悉淬火作业的危险点，能独立判断加工时的明显异常点和质量缺陷。

2.工艺文件的配备

对于一般曲轴、凸轮轴的热处理工序，需配备《控制计划》和《作业指导书》，现场保存有终验收时淬火液冷速曲线作为后期监控淬火液冷却性能的对比标准。

（1）《控制计划》的要求 相关要求可根据表7所示内容进行制定。

（2）作业指导书的要求 作业指导书应明确安全注意事项、操作流程以及常见异常现象的判定及对应措施。

工艺维护

1.设备的标定

对于感应淬火设备（包括电流表、流量计等），必须满足定期标定的使用条件，具体的标定项目可参考表8所示的常见失效模式及原因。

2.其他辅具的标定

检测类的感应淬火辅助工具应作为通用检具进行监控和管理，按照相关制度结合本规范中要求，从严进行标定和维护。

3.人员的资格考评

对于感应淬火人员的考评应每年一次，满足相关岗位要求。

结语

淬火失效最常见的模式主要包括硬度过低、裂纹和金相等级不合格。表8列举了常见的10种失效模式及其对应的直接原因（如由于淬火液浓度降低导致的失效，只需分析到冷却过快）。如果在实际生产过程中能做好本文所要求的各项规范，就能很好地控制产品的加工质量，避免淬火失效的频繁发生。