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典型汽車零件感應(yīng)熱處理技術(shù)的新發(fā)展
2018-07-30 00:00:00 來源:典型汽車零件感應(yīng)熱處理技術(shù)的新發(fā)展 點擊:1573 喜歡:0
感應(yīng)熱處理技術(shù)是一項高效、節(jié)能、環(huán)保的熱處理技術(shù),符合現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的3S和3C標(biāo)準(zhǔn)(Sure可靠、Safe安全、Saving節(jié)約及Cool低溫、Clean清潔、Clam安靜),幾十年來有了迅速的發(fā)展,特別是在汽車生產(chǎn)方面得到了廣泛應(yīng)用。我國感應(yīng)熱處理技術(shù)在汽車制造業(yè)的真正應(yīng)用,開始于20世紀(jì)50年代一汽投產(chǎn)時,到目前一直處于蓬勃發(fā)展中,以商用車為例,感應(yīng)淬火零件數(shù)量達到100多種,占全部熱處理零件數(shù)量的70%左右,我國感應(yīng)熱處理技術(shù)水平已進入世界先進行列。
本文先簡要介紹一下感應(yīng)熱處理設(shè)備,然后以典型零件為例重點介紹感應(yīng)淬火工藝的發(fā)展情況。
1 感應(yīng)熱處理設(shè)備
1.1 感應(yīng)加熱電源
感應(yīng)加熱電源的發(fā)展經(jīng)歷了機械式中頻發(fā)電機組和真空管式高頻電源、SCR中頻電源及IGBT電源三個發(fā)展階段。在中頻段,工業(yè)發(fā)達國家已用SCR中頻電源和IGBT電源完全取代了中頻發(fā)電機組,我國自90年代中期開始淘汰中頻機組,現(xiàn)已基本完成;在高頻段,MOSFET和SIT也正在逐步取代真空管式高頻電源。
目前,大功率電源在國內(nèi)已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),質(zhì)量穩(wěn)定,價格僅為進口電源的1/3-1/2,國產(chǎn)淬火用SCR電源可以做到2000kW;新型的IGBT電源,工作頻率范圍寬,負(fù)載適應(yīng)性強,電效率高,工藝調(diào)整非常方便,國內(nèi)如高周波、恒進等公司均可生產(chǎn),頻率范圍覆蓋1-100 kHz,功率達到1000kW,可以完全取代進口,并已實現(xiàn)部分出口。
1.2 淬火機床
感應(yīng)淬火機床大體可分為通用淬火機床和專用淬火機床:通用淬火機床朝柔性化方向發(fā)展;專用淬火機床則更加專用化。它們有一個共同特點,即趨向于自動化,普遍采用了CNC控制,SIEMENS、FANUC等控制系統(tǒng)都有所應(yīng)用,國內(nèi)以東風(fēng)公司工藝所和一汽材工部為代表的公司研制成功了多臺(套)大型的感應(yīng)淬火成套設(shè)備(生產(chǎn)線),達到了國際先進水平。
圖1和圖2所示為東風(fēng)公司工藝研究所研制成功的全自動曲軸淬火成套設(shè)備及其監(jiān)控界面,該設(shè)備采用了功率分配、薄型淬火變壓器、獨立懸掛、緩沖進給、旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)停等新技術(shù),具有設(shè)備監(jiān)控、故障診斷、參數(shù)紀(jì)錄及零件返修等功能,另外還設(shè)計了模擬控制面板,操作者可以通過鼠標(biāo)或鍵盤控制機床動作。該設(shè)備根據(jù)需要同時懸掛3套以上的薄型變壓器-感應(yīng)器單元,工作過程中不需要更換感應(yīng)器。工作時只要將曲軸放在機床的上料位,設(shè)備自動完成全部淬火加工,不需要人工操作。
2 典型零件的淬火工藝
2.1 半軸
半軸感應(yīng)淬火的主要目的是提高扭轉(zhuǎn)強度,感應(yīng)淬火后其扭轉(zhuǎn)疲勞強度比調(diào)質(zhì)態(tài)提高十幾倍,目前國內(nèi)外汽車半軸都采用了感應(yīng)淬火工藝。半軸淬火技術(shù)分環(huán)形感應(yīng)器連續(xù)淬火和矩形感應(yīng)器一次淬火兩種,技術(shù)都比較成熟。隨著汽車載重量的增加,特別是發(fā)動機功率的大幅增加,半軸逐漸成為動力傳動系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié),所以最近兩年,就如何提高半軸強度又開始了新的研究,普遍的做法是增加半軸直徑,現(xiàn)在已經(jīng)增大到φ60mm或更大,同時為減小半軸法蘭部位過渡圓角的應(yīng)力水平,增大圓角尺寸,從R7mm增加到R20mm或更大。材料和熱處理科研人員正研究如何提高半軸淬火硬化層的深度,擴大法蘭部位淬火范圍,這是提高零件強度的有效措施,試驗數(shù)據(jù)表明,將半軸的淬硬層提高到43%以上能夠獲得理想的扭轉(zhuǎn)疲勞強度等性能指標(biāo)。
較大的半軸廠為提高生產(chǎn)率,往往選擇矩形感應(yīng)器一次淬火工藝,該工藝需要選用大功率變頻電源,如東風(fēng)車橋公司在半軸淬火中就選用了500kW的電源。
在大功率半軸淬火工藝過程中,由于加熱時間短,電網(wǎng)的波動對淬火質(zhì)量影響明顯,為此研究人員設(shè)計了能量控制器,能量控制器工作原理主要是監(jiān)控電源輸出功率的變化,積分后計算出能量,通過控制中頻電壓或加熱時間保證功率或加熱能量的穩(wěn)定,從而控制淬火質(zhì)量。能量控制器最早由國外引進,現(xiàn)在國內(nèi)也已工業(yè)化生產(chǎn),在其它零件的加工中也有應(yīng)用。
2.2 曲軸
曲軸熱處理強化技術(shù)有很多種,過去國內(nèi)應(yīng)用最多的是滲氮強化,東風(fēng)汽車公司早在1974年開始在國內(nèi)率先采用感應(yīng)淬火工藝,但一直到2000年左右,國內(nèi)才開始大量淘汰滲氮工藝。感應(yīng)淬火可以提高曲軸疲勞強度130%以上,是目前大功率發(fā)動機曲軸強化的必選工藝。過去全自動曲軸淬火機床一直依靠進口,目前國內(nèi)設(shè)備已經(jīng)能夠滿足要求。
美國的應(yīng)達公司最近開發(fā)成功曲軸靜止淬火技術(shù),利用集流器原理實現(xiàn)軸徑的靜止加熱淬火,其特點是生產(chǎn)效率高、設(shè)備成本低、占地面積小。但該技術(shù)僅局限于軸徑淬火,不能實現(xiàn)圓角淬火,非常適合中小型發(fā)動機曲軸軸徑淬火,在我國還未推廣使用。
感應(yīng)器是保證曲軸淬火質(zhì)量最關(guān)鍵的裝備部件,隨著制作工藝的不斷完善,曲軸淬火感應(yīng)器的制作水平也取得很大提升,目前國內(nèi)主要感應(yīng)器制造廠都可以制造整體成型的有效圈,減少焊接接口,感應(yīng)器的壽命、制作精度提高、制作周期大幅縮短,為曲軸淬火穩(wěn)定生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。
2.3 凸輪軸
凸輪軸感應(yīng)淬火的目的是提高凸輪及軸徑部位的硬度,增加耐磨性。常用的凸輪軸淬火機為立式淬火機,單軸或雙軸結(jié)構(gòu)可以同時對一件或兩件零件進行單部位加工,目前國產(chǎn)凸輪軸淬火機都采用了CNC控制,可以實現(xiàn)感應(yīng)器與零件精確定位。為防止相鄰的部位由于磁場逸散發(fā)生退火,凸輪軸感應(yīng)器上設(shè)計安裝了聚磁裝置,用高導(dǎo)磁材料制作,如硅鋼片、鐵氧體等。為降低制造成本,也有在感應(yīng)器下方安裝單獨的噴液裝置的,在加熱同時對已經(jīng)淬火的相鄰區(qū)域噴液冷卻,效果也不錯。
為提高生產(chǎn)率,科研人員還開發(fā)了凸輪軸多部位同時淬火技術(shù),該技術(shù)可以同時對一根凸輪軸上所有淬火部位進行淬火加工,該技術(shù)在東風(fēng)的EQ491發(fā)動機凸輪軸生產(chǎn)線上使用。圖5為一種用于多部位淬火的感應(yīng)器。
2.4 齒輪
人們對齒輪感應(yīng)淬火的研究和應(yīng)用歷史悠久,但在汽車齒輪上的應(yīng)用非常有限,其原因是汽車齒輪服役條件苛刻,承受的力矩大。以東風(fēng)和一汽為代表的汽車廠近年來在積極探索如何通過感應(yīng)淬火提高齒輪強度,以降低齒輪材料和工藝成本,提高齒輪精度。
出于生產(chǎn)率的考慮和汽車齒輪零件的特點,汽車齒輪感應(yīng)淬火不采用沿齒溝的單齒淬火工藝,主要采用整體加熱淬火工藝。整體淬火又分兩種:單頻加熱和雙頻加熱。雙頻加熱淬火技術(shù)可以得到更好的仿形淬硬層,對于提高齒輪疲勞強度、減小淬火變形等非常有利,單頻加熱淬火得到的硬化層仿形效果相對差些,圖6和圖7顯示了它們的淬火硬化層差別。但并非雙頻淬火一定比單頻淬火好,對于小模數(shù)齒輪,為獲得更高的強度,往往需要將齒部完全淬透,并且在齒根以下得到一定深度的淬硬層。汽車齒輪感應(yīng)淬火應(yīng)用最普遍的是發(fā)動機飛輪齒圈,絕大多數(shù)齒圈采用感應(yīng)淬火。東風(fēng)公司已經(jīng)在一些變速箱齒輪上實現(xiàn)感應(yīng)淬火,用價格便宜的中碳合金鋼替代價格高的滲碳齒輪鋼,取得了良好的經(jīng)濟效益。
2.5 球頭
球頭類零件感應(yīng)淬火后可以有效提高疲勞強度,這也是其它熱處理工藝無法比擬的。但由于外形復(fù)雜,感應(yīng)淬火難度比較大,其關(guān)鍵是感應(yīng)器的設(shè)計,如何利用好感應(yīng)加熱原理的幾個效應(yīng),得到更加均勻的加熱溫度是感應(yīng)熱處理工作者的不斷追求。圖8為一種形狀復(fù)雜的球頭銷淬火區(qū)域外形,該零件為汽車懸掛系統(tǒng)重要零件,設(shè)計者在矩形感應(yīng)器的基礎(chǔ)上很好的利用了圓環(huán)效應(yīng),使零件兩邊的R部位與球面均勻加熱淬火,取得理想效果。
2.6 球座
球座為典型的復(fù)雜、薄壁、內(nèi)孔淬火小零件,內(nèi)孔與球頭接觸的區(qū)域淬火硬化,并且在外延的錐面部分也要淬硬以提高強度。圖9為球座淬火外形。
3 差距和機遇
總體來說,我國感應(yīng)熱處理技術(shù)水平和工業(yè)發(fā)達國家相比,還存在一些差距,例如:在材料方面的低淬鋼、非調(diào)質(zhì)鋼和可控淬透性鋼的應(yīng)用;在淬火機床的數(shù)控技術(shù)、計算機技術(shù)及精密機械傳動技術(shù)的應(yīng)用;在電源方面的高質(zhì)量、高可靠性的功率元件的開發(fā);精密感應(yīng)器的制造技術(shù)等等。為縮短這些差距,國內(nèi)同行仍需付出巨大努力。
2005年,我國汽車產(chǎn)量已達到570余萬輛,汽車零部件的需求量極大。我國的汽車零部件也正逐步納入全球采購體系,國內(nèi)感應(yīng)熱處理廠商如能充分利用高水平的設(shè)備和先進的生產(chǎn)工藝,滿足汽車零部件生產(chǎn)的高效率和高質(zhì)量的要求,就能真正成為感應(yīng)熱處理技術(shù)強國。
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