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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(diǎn)擊：1565 喜歡：0
感應(yīng)熱處理技術(shù)是一項(xiàng)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(shí)，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(dá)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(jìn)入世界先進(jìn)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(diǎn)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(jī)械式中頻發(fā)電機(jī)組和真空管式高頻電源、SCR中頻電源及IGBT電源三個(gè)發(fā)展階段。在中頻段，工業(yè)發(fā)達(dá)國家已用SCR中頻電源和IGBT電源完全取代了中頻發(fā)電機(jī)組，我國自90年代中期開始淘汰中頻機(jī)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(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定，價(jià)格僅為進(jìn)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(qiáng)，電效率高，工藝調(diào)整非常方便，國內(nèi)如高周波、恒進(jìn)等公司均可生產(chǎn)，頻率范圍覆蓋1－100 kHz，功率達(dá)到1000kW，可以完全取代進(jìn)口，并已實(shí)現(xiàn)部分出口。
1.2 淬火機(jī)床
感應(yīng)淬火機(jī)床大體可分為通用淬火機(jī)床和專用淬火機(jī)床：通用淬火機(jī)床朝柔性化方向發(fā)展；專用淬火機(jī)床則更加專用化。它們有一個(gè)共同特點(diǎn)，即趨向于自動(dòng)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(tái)（套）大型的感應(yīng)淬火成套設(shè)備（生產(chǎn)線），達(dá)到了國際先進(jìn)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(dòng)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(dú)立懸掛、緩沖進(jìn)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(jì)了模擬控制面板，操作者可以通過鼠標(biāo)或鍵盤控制機(jī)床動(dòng)作。該設(shè)備根據(jù)需要同時(shí)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(shí)只要將曲軸放在機(jī)床的上料位，設(shè)備自動(dòng)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(qiáng)度，感應(yīng)淬火后其扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)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(dòng)機(jī)功率的大幅增加，半軸逐漸成為動(dòng)力傳動(dòng)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(qiáng)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(shí)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(kuò)大法蘭部位淬火范圍，這是提高零件強(qiáng)度的有效措施，試驗(yàn)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(qiáng)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(shí)間短，電網(wǎng)的波動(dòng)對(duì)淬火質(zhì)量影響明顯，為此研究人員設(shè)計(jì)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(jì)算出能量，通過控制中頻電壓或加熱時(shí)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(jìn)，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(qiáng)化技術(shù)有很多種，過去國內(nèi)應(yīng)用最多的是滲氮強(qiáng)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(qiáng)度130％以上，是目前大功率發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸強(qiáng)化的必選工藝。過去全自動(dòng)曲軸淬火機(jī)床一直依靠進(jìn)口，目前國內(nèi)設(shè)備已經(jīng)能夠滿足要求。
美國的應(yīng)達(dá)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(shí)現(xiàn)軸徑的靜止加熱淬火，其特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)圓角淬火，非常適合中小型發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)為立式淬火機(jī)，單軸或雙軸結(jié)構(gòu)可以同時(shí)對(duì)一件或兩件零件進(jìn)行單部位加工，目前國產(chǎn)凸輪軸淬火機(jī)都采用了CNC控制，可以實(shí)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(jì)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(dú)的噴液裝置的，在加熱同時(shí)對(duì)已經(jīng)淬火的相鄰區(qū)域噴液冷卻，效果也不錯(cuò)。
為提高生產(chǎn)率，科研人員還開發(fā)了凸輪軸多部位同時(shí)淬火技術(shù)，該技術(shù)可以同時(shí)對(duì)一根凸輪軸上所有淬火部位進(jìn)行淬火加工，該技術(shù)在東風(fēng)的EQ491發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)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(qiáng)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(diǎn)，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(duì)于提高齒輪疲勞強(qiáng)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(duì)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(duì)于小模數(shù)齒輪，為獲得更高的強(qiáng)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(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)感應(yīng)淬火，用價(jià)格便宜的中碳合金鋼替代價(jià)格高的滲碳齒輪鋼，取得了良好的經(jīng)濟(jì)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(qiáng)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(jì)，如何利用好感應(yīng)加熱原理的幾個(gè)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(jì)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(qiáng)度。圖9為球座淬火外形。
3 差距和機(jī)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(dá)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(jī)床的數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及精密機(jī)械傳動(dòng)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(dá)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(jìn)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(qiáng)國。
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