J9九游会-典型汽车零件感应热处理技术的新发展

作者：赵俊平吴永强　　感应器热处理技术是一项高效、节约能源、环保的热处理技术，合乎现代工业生产的3S和3C标准(Sure可信、Safe安全性、Saving节约及Cool低温、Clean洗手、Clam安静)，几十年来有了很快的发展，特别是在汽车生产方面获得了广泛应用。我国感应器热处理技术在汽车制造业的确实应用于，开始于20世纪50年代一汽投产时，到目前仍然正处于蓬勃发展中，以商用车为事例，感应器淬火零件数量超过100多种，占到全部热处理零件数量的70%左右，我国感应器热处理技术水平已转入世界先进设备行列。　　本文再行详细讲解一下感应器热处理设备，然后以典型零件为事例重点讲解感应器淬火工艺的发展情况。

　　1感应器热处理设备　　1.1感应器冷却电源　　感应器冷却电源的发展经历了机械式中频发电机组和真空管式高频电源、SCR中频电源及IGBT电源三个发展阶段。在中频段，工业发达国家可用SCR中频电源和IGBT电源几乎代替了中频发电机组，我国自90年代中期开始出局中频机组，现基本已完成;在低频段，MOSFET和SIT也正在逐步代替真空管式高频电源。　　目前，大功率电源在国内早已构建工业化生产，质量平稳，价格仅有为进口电源的1/3-1/2，国产淬火用SCR电源可以做2000kW;新型的IGBT电源，工作频率范围长，阻抗适应性强劲，电效率高，工艺调整十分便利，国内如高周波、恒进等公司均可生产，频率范围覆盖面积1-100kHz，功率超过1000kW，可以几乎代替进口，并已构建部分出口。　　1.2淬火机床　　感应器淬火机床大体可分成标准化淬火机床和专用淬火机床：标准化淬火机床朝柔性化方向发展;专用淬火机床则更为专用化。

它们有一个联合特点，即趋向于自动化，广泛使用了CNC掌控，SIEMENS、FANUC等控制系统都有所应用于，国内以东风公司工艺所和一汽材工部为代表的公司研制成功了多台(套)大型的感应器淬火成套设备(生产线)，超过了国际先进设备水平。　　图1全自动曲轴淬火机床　　图2监控界面　　图1和图2右图为东风公司工艺研究所研制成功的全自动曲轴淬火成套设备及其监控界面，该设备使用了功率分配、薄型淬火变压器、独立国家挂、缓冲器进给、转动准停等新技术，具备设备监控、故障诊断、参数纪录及零件返修等功能，另外还设计了仿真控制面板，操作者可以通过鼠标或键盘掌控机床动作。该设备根据必须同时挂3套以上的薄型变压器-感应器单元，工作过程中不必须替换感应器。

工作时只要将曲轴放到机床的上料位，设备自动已完成全部淬火加工，不必须人工操作者。　　2典型零件的淬火工艺　　2.1半轴　　半轴感应器淬火的主要目的是提升挽回强度，感应器淬火后其挽回疲劳强度比调质态提升十几倍，目前国内外汽车半轴都使用了感应器淬火工艺。半轴淬火技术分环形感应器倒数淬火和矩形感应器一次淬火两种，技术都较为成熟期。

随着汽车载重量的减少，尤其是发动机功率的大幅度减少，半轴渐渐沦为动力传动系统中的薄弱环节，所以最近两年，就如何提升半轴强度又开始了新的研究，广泛的作法是减少半轴直径，现在早已减小到60mm或更大，同时为增大半轴法兰部位过渡性圆角的形变水平，减小圆角尺寸，从R7mm减少到R20mm或更大。材料和热处理科研人员于是以研究如何提升半轴淬火硬化层的深度，不断扩大法兰部位淬火范围，这是提升零件强度的有效地措施，试验数据指出，将半轴的淬硬层提升到43%以上需要获得理想的挽回疲劳强度等性能指标。

较小的半轴厂为提升生产率，往往自由选择矩形感应器一次淬火工艺，该工艺必须搭配大功率变频电源，如东风车桥公司在半轴淬火中就搭配了500kW的电源。　　图3半轴自动淬火机床　　在大功率半轴淬火工艺过程中，由于冷却时间较短，电网的波动对淬火质量影响显著，为此研究人员设计了能量控制器，能量控制器工作原理主要是监控电源输出功率的变化，分数后计算出来出有能量，通过掌控中频电压或冷却时间确保功率或冷却能量的平稳，从而掌控淬火质量。能量控制器最先由国外引入，现在国内也已工业化生产，在其它零件的加工中也有应用于。

　　2.2曲轴　　曲轴热处理增强技术有很多种，过去国内应用于最少的是渗氮增强，东风汽车公司早在1974年开始在国内首度使用感应器淬火工艺，但仍然到2000年左右，国内才开始大量出局渗氮工艺。感应器淬火可以提升曲轴疲劳强度130%以上，是目前大功率发动机曲轴增强的必选工艺。

过去全自动曲轴淬火机床仍然依赖进口，目前国内设备早已需要满足要求。美国的应达公司最近研发顺利曲轴惯性淬火技术，利用集流器原理构建轴径的惯性冷却淬火，其特点是生产效率高、设备成本低、占地面积小。

但该技术仅有局限于轴径淬火，无法构建圆角淬火，非常适合中小型发动机曲轴轴径淬火，在我国还并未推展用于。感应器是确保曲轴淬火质量最关键的装备部件，随着制作工艺的不断完善，曲轴淬火感应器的制作水平也获得相当大提高，目前国内主要感应器制造厂都可以生产整体成型的有效地圈，增加焊模块，感应器的寿命、制作精度提升、制作周期大幅度延长，为曲轴淬火平稳生产奠下了基础。　　图4曲轴惯性淬火技术　　2.3凸轮轴　　凸轮轴感应器淬火的目的是提升凸轮及轴径部位的硬度，减少耐磨性。常用的凸轮轴淬火机为立式淬火机，单轴或双轴结构可以同时对一件或两件零件展开单部位加工，目前国产凸轮轴淬火机都使用了CNC掌控，可以构建感应器与零件精确定位。

为避免邻接的部位由于磁场逸散再次发生热处理，凸轮轴感应器上设计加装了聚磁装置，用高导磁材料制作，如硅钢片、铁氧体等。为减少生产成本，也有在感应器下方加装分开的喷液装置的，在冷却同时对早已淬火的邻接区域喷液加热，效果也不俗。

　　图5多部位凸轮轴感应器　　为提升生产率，科研人员还研发了凸轮轴多部位同时淬火技术，该技术可以同时对一根凸轮轴上所有淬火部位展开淬火加工，该技术在东风的EQ491发动机凸轮轴生产线上用于。图5为一种用作多部位淬火的感应器。

　　2.4齿轮　　人们对齿轮感应器淬火的研究和应用于历史悠久，但在汽车齿轮上的应用于十分受限，其原因是汽车齿轮服役条件严苛，忍受的力矩大。以东风和一汽为代表的汽车厂近年来在积极探索如何通过感应器淬火提升齿轮强度，以减少齿轮材料和工艺成本，提升齿轮精度。

　　图6齿轮双频淬火　　图7齿轮单频淬火　　出于生产率的考虑到和汽车齿轮零件的特点，汽车齿轮感应器淬火不使用沿齿沟的单齿淬火工艺，主要使用整体冷却淬火工艺。整体淬火又分两种：单频冷却和双频冷却。

双频冷却淬火技术可以获得更佳的仿形淬硬层，对于提升齿轮疲劳强度、增大淬火变形等十分不利，单频冷却淬火获得的硬化层仿形效果比较差些，图6和图7表明了它们的淬火硬化层差异。但并非双频淬火一定比单频淬火好，对于小模数齿轮，为取得更高的强度，往往必须将齿部几乎淬透，并且在齿根以下获得一定深度的淬硬层。汽车齿轮感应器淬火应用于最广泛的是发动机飞轮齿圈，绝大多数齿圈使用感应器淬火。东风公司早已在一些变速箱齿轮上构建感应器淬火，用价格便宜的中碳合金钢替代价格低的渗碳齿轮钢，获得了较好的经济效益。

　　2.5球头　　球头类零件感应器淬火后可以有效地提升疲劳强度，这也是其它热处理工艺无法比拟的。但由于外形简单，感应器淬火可玩性较为大，其关键是感应器的设计，如何利用好感应器冷却原理的几个效应，获得更为均匀分布的冷却温度是感应器热处理工作者的大大执着。图8为一种形状简单的球头售淬火区域外形，该零件为汽车挂系统最重要零件，设计者在矩形感应器的基础上很好的利用了圆环效应，使零件两边的R部位与球面均匀分布冷却淬火，获得理想效果。

　　图8球头淬火形貌　　2.6球座　　球座为典型的简单、薄壁、内孔淬火小零件，内孔与球头认识的区域淬火硬化，并且在外延的锥面部分也要淬硬以提升强度。图9为球座淬火外形。　　3差距和机遇　　总体来说，我国感应器热处理技术水平和工业发达国家比起，还不存在一些差距，例如：在材料方面的较低淬钢、非调质钢和高效率淬透性钢的应用于;在淬火机床的数控技术、计算机技术及仪器机械传动技术的应用于;在电源方面的高质量、高可靠性的功率元件的研发;仪器感应器的生产技术等等。

为延长这些差距，国内同行仍须要代价极大希望。2005年，我国汽车产量已超过570余万辆，汽车零部件的需求量很大。

我国的汽车零部件也于是以逐步划入全球订购体系，国内感应器热处理厂商如能充分利用高水平的设备和先进设备的生产工艺，符合汽车零部件生产的高效率和高质量的拒绝，就能确实沦为感应器热处理技术强国。

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