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典型汽車零件感應熱處理技術的新發展
2018-07-30 00:00:00 來源：典型汽車零件感應熱處理技術的新發展 點擊：1662 喜歡：0
感應熱處理技術是一項高效、節能、環保的熱處理技術，符合現代工業生產的3S和3C標準（Sure可靠、Safe安全、Saving節約及Cool低溫、Clean清潔、Clam安靜），幾十年來有了迅速的發展，特別是在汽車生產方面得到了廣泛應用。我國感應熱處理技術在汽車制造業的真正應用，開始于20世紀50年代一汽投產時，到目前一直處于蓬勃發展中，以商用車為例，感應淬火零件數量達到100多種，占全部熱處理零件數量的70%左右，我國感應熱處理技術水平已進入世界先進行列。
本文先簡要介紹一下感應熱處理設備，然后以典型零件為例重點介紹感應淬火工藝的發展情況。
1 感應熱處理設備
1.1 感應加熱電源
感應加熱電源的發展經歷了機械式中頻發電機組和真空管式高頻電源、SCR中頻電源及IGBT電源三個發展階段。在中頻段，工業發達國家已用SCR中頻電源和IGBT電源完全取代了中頻發電機組，我國自90年代中期開始淘汰中頻機組，現已基本完成；在高頻段，MOSFET和SIT也正在逐步取代真空管式高頻電源。
目前，大功率電源在國內已經實現工業化生產，質量穩定，價格僅為進口電源的1/3－1/2，國產淬火用SCR電源可以做到2000kW；新型的IGBT電源，工作頻率范圍寬，負載適應性強，電效率高，工藝調整非常方便，國內如高周波、恒進等公司均可生產，頻率范圍覆蓋1－100 kHz，功率達到1000kW，可以完全取代進口，并已實現部分出口。
1.2 淬火機床
感應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等控制系統都有所應用，國內以東風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）大型的感應淬火成套設備（生產線），達到了國際先進水平。
圖1和圖2所示為東風公司工藝研究所研制成功的全自動曲軸淬火成套設備及其監控界面，該設備采用了功率分配、薄型淬火變壓器、獨立懸掛、緩沖進給、旋轉準停等新技術，具有設備監控、故障診斷、參數紀錄及零件返修等功能，另外還設計了模擬控制面板，操作者可以通過鼠標或鍵盤控制機床動作。該設備根據需要同時懸掛3套以上的薄型變壓器－感應器單元，工作過程中不需要更換感應器。工作時只要將曲軸放在機床的上料位，設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
半軸感應淬火的主要目的是提高扭轉強度，感應淬火后其扭轉疲勞強度比調質態提高十幾倍，目前國內外汽車半軸都采用了感應淬火工藝。半軸淬火技術分環形感應器連續淬火和矩形感應器一次淬火兩種，技術都比較成熟。隨著汽車載重量的增加，特別是發動機功率的大幅增加，半軸逐漸成為動力傳動系統中的薄弱環節，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，現在已經增大到φ60mm或更大，同時為減小半軸法蘭部位過渡圓角的應力水平，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，試驗數據表明，將半軸的淬硬層提高到43%以上能夠獲得理想的扭轉疲勞強度等性能指標。
較大的半軸廠為提高生產率，往往選擇矩形感應器一次淬火工藝，該工藝需要選用大功率變頻電源，如東風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，電網的波動對淬火質量影響明顯，為此研究人員設計了能量控制器，能量控制器工作原理主要是監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定，從而控制淬火質量。能量控制器最早由國外引進，現在國內也已工業化生產，在其它零件的加工中也有應用。
2.2 曲軸
曲軸熱處理強化技術有很多種，過去國內應用最多的是滲氮強化，東風汽車公司早在1974年開始在國內率先采用感應淬火工藝，但一直到2000年左右，國內才開始大量淘汰滲氮工藝。感應淬火可以提高曲軸疲勞強度130％以上，是目前大功率發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，目前國內設備已經能夠滿足要求。
美國的應達公司最近開發成功曲軸靜止淬火技術，利用集流器原理實現軸徑的靜止加熱淬火，其特點是生產效率高、設備成本低、占地面積小。但該技術僅局限于軸徑淬火，不能實現圓角淬火，非常適合中小型發動機曲軸軸徑淬火，在我國還未推廣使用。
感應器是保證曲軸淬火質量最關鍵的裝備部件，隨著制作工藝的不斷完善，曲軸淬火感應器的制作水平也取得很大提升，目前國內主要感應器制造廠都可以制造整體成型的有效圈，減少焊接接口，感應器的壽命、制作精度提高、制作周期大幅縮短，為曲軸淬火穩定生產奠定了基礎。
2.3 凸輪軸
凸輪軸感應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，單軸或雙軸結構可以同時對一件或兩件零件進行單部位加工，目前國產凸輪軸淬火機都采用了CNC控制，可以實現感應器與零件精確定位。為防止相鄰的部位由于磁場逸散發生退火，凸輪軸感應器上設計安裝了聚磁裝置，用高導磁材料制作，如硅鋼片、鐵氧體等。為降低制造成本，也有在感應器下方安裝單獨的噴液裝置的，在加熱同時對已經淬火的相鄰區域噴液冷卻，效果也不錯。
為提高生產率，科研人員還開發了凸輪軸多部位同時淬火技術，該技術可以同時對一根凸輪軸上所有淬火部位進行淬火加工，該技術在東風的EQ491發動機凸輪軸生產線上使用。圖5為一種用于多部位淬火的感應器。
2.4 齒輪
人們對齒輪感應淬火的研究和應用歷史悠久，但在汽車齒輪上的應用非常有限，其原因是汽車齒輪服役條件苛刻，承受的力矩大。以東風和一汽為代表的汽車廠近年來在積極探索如何通過感應淬火提高齒輪強度，以降低齒輪材料和工藝成本，提高齒輪精度。
出于生產率的考慮和汽車齒輪零件的特點，汽車齒輪感應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。汽車齒輪感應淬火應用最普遍的是發動機飛輪齒圈，絕大多數齒圈采用感應淬火。東風公司已經在一些變速箱齒輪上實現感應淬火，用價格便宜的中碳合金鋼替代價格高的滲碳齒輪鋼，取得了良好的經濟效益。
2.5 球頭
球頭類零件感應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。但由于外形復雜，感應淬火難度比較大，其關鍵是感應器的設計，如何利用好感應加熱原理的幾個效應，得到更加均勻的加熱溫度是感應熱處理工作者的不斷追求。圖8為一種形狀復雜的球頭銷淬火區域外形，該零件為汽車懸掛系統重要零件，設計者在矩形感應器的基礎上很好的利用了圓環效應，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
球座為典型的復雜、薄壁、內孔淬火小零件，內孔與球頭接觸的區域淬火硬化，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，我國感應熱處理技術水平和工業發達國家相比，還存在一些差距，例如：在材料方面的低淬鋼、非調質鋼和可控淬透性鋼的應用；在淬火機床的數控技術、計算機技術及精密機械傳動技術的應用；在電源方面的高質量、高可靠性的功率元件的開發；精密感應器的制造技術等等。為縮短這些差距，國內同行仍需付出巨大努力。
2005年，我國汽車產量已達到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，國內感應熱處理廠商如能充分利用高水平的設備和先進的生產工藝，滿足汽車零部件生產的高效率和高質量的要求，就能真正成為感應熱處理技術強國。
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