熱處理的高端感應加熱方案

1、熱處理的高端感應加熱方案感應加熱處理在100多年前開始為人所知，它的工業(yè)應用早在 20世紀初就 開始了。僅用高頻電子管振蕩器和中頻電動發(fā)電機就可以完成許多任務的快速加熱方 式已存在了很多年?，F(xiàn)在，生產方案不僅更加靈活、多變，而且也更復雜。對用戶而言，具備更高 可靠性的設備和更簡化的人機界面（HMI）已經成為一種潛在的需要，因為這能夠簡化機 器的操作以及工藝的控制。在這篇文章中，本人首先提出一個在感應加熱中應用的最新的技術，然后闡述一些感應加熱方面的特別應用的示例。一、現(xiàn)代技術1. 電源與20世紀60年代應用的電源大不相同,現(xiàn)在的電源是非常完善的，以晶體管為基礎， 它們在效率、功率和頻率方面獲得

2、了很大的提高。IGBT晶體管作為基礎功率元件代表 了現(xiàn)在絕大部分電源的部件。EFD在 80年代開發(fā)了非常便捷的電源，取名為MINAQ見 圖1）。這種電源是當今在其功能范疇內體積最小的電源，它能夠滿足雙輸出不同功 率的輸出變壓器，以完成兩種不同的作業(yè)。不難想象，這將給用戶帶來巨大利益。圖 1 MINAC 18/25 Twin另一個重要創(chuàng)新是中頻和高頻電源模塊同時輸送給一個單線圈的專利方案，以MFC技術命名（多頻率概念）。EFD創(chuàng)造了 （SINAC S MFC系列）的整個電源系列，以適應熱處 理方案的商業(yè)用途，用單個系列的電源電柜、大范圍的解決方案和根據需要的混合功率，來完成高功率應用。 SINA

3、C 200/100 S MFC如圖2所示，SINAC S MF（輸出站如圖 3所示。圖 2 SINAC 200/100 S MFC圖3 SINAC S MFC輸出站屬于不同商業(yè)用途的主要應用包括：（1）商業(yè)熱處理車間，當需要一個小體積電源來取代獨立的中頻、 高頻電源和機床 一 一個機床，一個線圈，一個電源。（2）齒輪淬火，當需要混合的頻率（如錐形齒輪，小鏈輪齒等）。（3）其他的部件，為達到熱處理的仿形效果，或者當材料由薄轉厚時的一個掃描過程（例如傳動部件等），而不需要更換感應線圈、電源。2. 實時過程監(jiān)控一個重要的改變是質量監(jiān)控系統(tǒng)的增加，不僅是新的機器，而且許多翻新的現(xiàn)有生產 線也需要這種方

4、案。在這種情況下，用戶需要一個靈活的方案用于實時地同時監(jiān)測幾 個過程。這種單元通常建立在工業(yè)PC上，一些特殊軟件和相應探測器實時監(jiān)控生產參 數(shù)。通過這種系統(tǒng)來監(jiān)測各種參數(shù)。我們可以考慮一些重要參數(shù)：功率（kW或能量（kW/s）;頻率（kHz）；加熱時間（s）;淬火液流量（L/mi n）;淬火液溫度C）；淬火 延時（s）;表面溫度（C）；其他。在實時過程監(jiān)控中最有趣的是信號分析，它在一個固定的采樣率上連續(xù)不斷地控制所 有的參數(shù)。 該采樣率必須可以根據處理過程來調整，很容易理解，一個10kHz （每秒鐘對所有參數(shù)采樣10次）的取樣率對一個120s的熱處理過程已經是足夠的了，但對 于如加熱時間范圍在

5、0.20.5s的齒輪仿形淬火過程，則需要1000kHz的取樣率。 通過信號分析，事實上，參考一個被考慮成破壞性的采樣曲線，通過采樣獲得一個可 比較的總能量，在加工過程中參數(shù)的變化不會帶來相關問題。實時監(jiān)控系統(tǒng)主屏幕如 圖4所示。圖4實時監(jiān)控系統(tǒng)主屏幕二、實例1. 飛機引擎的齒輪淬火設備這種設備使用我們標準 PM設備并安裝SINAC S MFC電源（見圖5）。西門子840D和 我們獨有的RTM100同時監(jiān)控工藝過程和設備，實時提供最可靠的過程控制。根據客 戶的需求，使用MFC技術的電源可以同時或分開輸送中頻和高頻。曲軸淬火感應器選用及保養(yǎng)要點2圖5使用SINAC S MFC勺PM設備曲軸軸頸感應

6、淬火的目的，是提高軸頸硬度，增加其耐磨性；當軸頸圓角部份連同淬上時，更提高了曲軸疲勞強度。曲軸的淬火部位，一般包括主軸頸、連桿頸、法蘭油封面與前軸頸等部位，示如圖 1對齒輪這個特別工件，加熱時間是非常短的（低于0.2s ）。工件旋轉速度設置在600r/min左右，當淬火時降低至50r/min。一個CNC空制軸保證這個特性。根據工件 結構，淬火可以通過噴淋或直接將工件浸透在淬火液中實現(xiàn)。應用實例如圖0圖1曲軸淬火的各部位示意曲軸淬火感應器就是為這些部位進行淬火的工具，其有效圈的尺寸，亦隨軸頸的直徑、開擋寬度 淬火寬度而異。1、曲軸頸淬火區(qū)域，有以下多種：（1）、只淬軸頸表面，如圖2-1。（2）

7、、軸頸表面及圓角部位同時淬硬，如圖2-2。（3） 、軸頸表面及止推面同時淬硬，如圖2-3。（4）、軸頸止推面單獨淬硬，如圖 2-4。（5） 、法蘭油封面及前軸油封面的淬火，如圖2-5。5)2-22、曲軸淬火感應器的結構：曲軸頸淬火，最早是采用分合型的，因為曲柄擋住了有效圈進入靠近軸頸表面，只能用分合方式，才能進 該部位。這種感應器結構簡單，但存在淬硬區(qū)寬度在軸頸圓周上分布不均勻及軸頸上油孔易淬裂和不易進 帶圓角淬火等缺點，因此，從20世紀60年代以來，已呈 淘汰趨勢。隨之取代分合型的，是旋轉加熱曲軸 半環(huán)型感應器，這種現(xiàn)代化的曲軸淬火感應器已為一汽集團、一拖集團、東汽集團所屬發(fā)動機、柴油機廠

8、采用。半環(huán)型曲軸淬火感應器，根據淬火方式的不同，又可分為浸淬式（不帶噴液器）與噴液式（帶噴液器 兩種，典型的曲軸感應器，見圖 3。1.分合型2.浸淬型3、噴液型圖3 典型的曲軸淬火感應器半環(huán)型曲軸感應器，因其結構復雜、制造精度高。因此，早期曾依賴進口，20世紀80年代后，國內開始研成功，現(xiàn)已完全國產化，并且有自已設計的中國風格產品供應國內用戶，為國家節(jié)省了大量外匯。 圖4是洛陽升華感應加熱有限公司自行設計制造的大型曲軸感應器，軸頸直徑為D=230m。3、曲軸淬火感應器的保養(yǎng)曲軸淬火感應器是一種精密昂貴的工模具，保養(yǎng)是否合理，直接影響感應器的使用壽命，因此，注意感應 的合理保養(yǎng)是十分重要的。（1

9、） 保持有效圈工作面清潔圖5是半環(huán)型感應器的加熱圈工作面，曲軸有效圈工作時，會吸附軸頸表面上的鐵沫，如果不是每班清擦 凈，會形成硬殼，既影響感應器效率，還會使有效圈與工件間隙變小，產生短路，燒壞有效圈。圖4大型曲軸淬火感應器（左位宜軸頸右位垃軸頸D=86mm）（2）要保證感應器錐形接觸面（或接觸板）與變壓器二次接觸板部分緊貼，以減少接觸電阻，并要定期 細砂布清除此表面的氧化皮或油污。（3）間隔定位塊的固定螺釘要經常檢查，發(fā)現(xiàn)松動時，應及時擰緊。（4）每周用塞尺與軸頸樣件，測量有效圈與軸頸的間隙，當間隙值小于1/100軸頸直徑時，必須調整間到原設計尺寸。（5）定位塊磨損值超過1/1000軸頸直徑

10、時，要更換新的定位塊。（6）導磁體老化或銹蝕嚴重時，必須更換新的導磁體。（7）感應器冷卻水應使用軟化水，水流量與水壓必須穩(wěn)定，當出水口水溫超過70C時，要查原因，并進通水量檢查與清洗管路。4、曲軸淬火感應器的發(fā)展曲軸淬火感應器，特別是半環(huán)型感應器造價昂貴，因此如何降低造價，提高效率及增長使用壽命成為 要研發(fā)項目。美國Inducto Heat公司已研制出固定式（靜止式）曲軸淬火感應器，特點是加熱時，工件不轉動 節(jié)能、高效、感應器壽命長。但目前在生產中使用的，限于圓角不淬火的軸頸，對帶圓角淬火的軸頸，尚 見報導。曲軸圓角淬火技術曲軸是內燃機中的最重要的零件之一，它的使用壽命往往決定了內燃 機的使用

11、壽命。1920年 美國克拉克公司，將發(fā)明不久的感應淬火技術用于曲 軸軸頸硬化，大大地提高了曲軸的耐磨性，從而提高了內燃機的工作壽命 （當 時主要問題是曲軸硬度低耐磨性 差）。近幾十年來曲軸的疲勞斷裂又突顯出 來，而且疲勞源多發(fā)生在連桿軸頸曲柄內側的圓角處，為此許多廠家提出提高曲軸的疲勞強度的要求。提高曲軸疲勞強度的關鍵是提高曲軸圓角的殘余壓縮應力。曲軸圓角（含軸頸）的感應淬火是使圓角獲得 600MPai大殘余壓縮 應力首選方法。日本某一公司對內燃機曲軸進行了系列的彎曲疲勞實驗，實驗證明圓角感應淬火曲軸有最高的疲勞強度 （996MPa，圓角滾壓曲軸疲勞強度為次（890MPa，氮化曲軸第三（720

12、MPa。美國公司也有相近的數(shù)據。曲軸圓角淬火一般要使用“半圈感應器”淬火，亦稱依洛森（Elotherm ） 淬火法。它是將感應器扣在軸頸上，曲軸在旋轉中進行加熱和噴水淬火（也有 在曲軸軸頸加熱到淬火溫度后，翻入水池中進行冷卻淬火）。這種方法不僅方 便了曲軸 進出感應器，簡化了淬火機床的動作，也同時也解決了用傳統(tǒng)的分 合式感應器淬火經常出現(xiàn)的油孔裂紋、硬化區(qū)域寬窄不均、硬化層厚度不均和 變形大等問題。業(yè)內人士普遍認為依洛森淬火法是曲軸感應淬火技術的一大 進步。有資料表明，曲軸軸頸感應淬火可將發(fā)動機壽命提高到8000小時，而軸頸及圓角感應淬火可使發(fā)動機壽命提高到 10000小時。實現(xiàn)圓角淬火必須解

13、決的關鍵技術是功率分配技術。曲軸“半圈感應 器”淬火涉及到許多技術，例如變頻電源、淬火機床及感應器等，這些技術也 是很重要的，但這些技術我國在80年 代初期已初步解決。記得當年，我和我 的同事在進行曲軸圓角淬火工藝研究時遇到了這樣的難題：曲軸的連桿軸頸用半圈感應器加熱時，當曲柄內側圓角剛剛達到淬火溫度的時候，連桿軸頸外側的軸肩已經熔化。究其原因是曲軸的結構造成的。連桿軸頸的圓角周邊的質 量環(huán)境有很大差異，在曲柄內側的圓角里面“肉厚”，有較大的熱容量，在圓角表面達到淬火溫度的同時也有一定的熱量傳導到里面去了；而其反方向因圓角里面“肉薄”，熱容量自然要小些，當圓角表面達到淬火溫度的時候，有同樣多的

14、熱量向里面?zhèn)鲗?，但因為“肉薄”，容納熱量的材料質量少，而軸 肩處是“半島”形狀，其里面能夠接受傳導來熱量的體積有限，于是產生了熱 量堆 積，致使軸肩熔化。顯然要完好地進行曲軸圓角的淬火加熱，曲柄內側 和曲柄外側的加熱功率應該是變化的， 即曲柄內側功率要大，曲柄外側功率要 小，這一技術被 稱為功率分配技術?？上М敃r我國還沒有這種技術，我和我 的同事只能搖頭嘆息。上海恒精公司在 90年代中期率先開發(fā)成功這一技術， 并成功地用于大小曲軸的圓角淬火。該技術是在曲柄內側加熱時提供100%勺功率，在曲柄外側加熱時提供 60%（或70%的功率，并且隨著曲軸的轉動， 每轉15角增加（或減?。┮欢康墓β?。上海

15、恒精公司近年來銷售十幾套 曲軸淬火設備，每年生產曲軸幾百萬件，其中絕大部分中小型曲軸出口到美國。 下面介紹幾種曲軸圓角淬火實例：照片1是重型汽車的發(fā)動機曲軸連桿軸頸淬 火層分布圖形（軸頸長度41.6，直徑71.5 ）;照片2是通用發(fā)動機曲軸連桿軸 頸的淬火層分布圖形（軸頸長度26.6，直徑40.4）;照片3是通用發(fā)動機曲軸 連桿軸頸的淬火層分布圖形（軸頸長度22,直徑28.8）;照片4是通用發(fā)動機 曲軸連桿軸頸的淬火層分布圖形（軸頸長度16.9，直徑18.8）。在節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保等理念成為人們共識的今天，幾乎所有內燃機的生產 廠家都在追求產品的小型化、輕量化、長壽命化，曲軸圓角技術為這一目標的

16、 實現(xiàn)提供了強有力地技術支持。應該說曲軸圓角淬火技術的市場前景是遠大 的。新型靜止式曲軸淬火工藝1.目前存在的問題現(xiàn)在，大部分曲軸感應淬火機床在淬火時，曲軸需要旋轉?！癠”型感應器對每個連桿頸和主軸頸進行加熱時，要求曲軸在圍繞自身主軸旋轉時，感應器應盡可能靠近連桿頸或主軸 頸的軸承面，因為連桿頸相對主軸頸徑向偏心，連桿頸會圍繞主軸頸作旋轉運動。曲軸的 旋轉速度各不相同，一般為2432r/min。由于連桿頸相對主軸頸徑向偏心，感應淬火機床的一些部件（包括電源的輸出變壓器，水冷感應器，銅排和電纜等），重量一般超過900kg， 并且必須和曲軸一起在相同的軌道上作旋轉運動。為保證如此笨重的系統(tǒng)的旋轉軌

17、跡的運 行精度，需要配備一個特別的跟蹤系統(tǒng)，在曲軸旋轉時，在不同的位置輸出不同的功率。 對傳統(tǒng)的曲軸淬火機床，這些要求將使設備變得相當復雜，體積龐大，噪聲和制作成本提2 .靜止式曲軸淬火工藝相對于以上的問題，靜止式曲軸淬火工藝在加熱和淬火過程中，感應器或曲軸則無需旋轉 或移動，同時消除了在使用圓形對殼式感應器時需要大電流接觸的情況（靜止式感應器不 是對殼式的結構）。靜止式曲軸淬火工藝主要有以下優(yōu)點：（1）由于在加熱/淬火工藝中曲軸不旋轉，因此加熱時不必在軌道上移動那些重達900kg甚至更重的重型結構，同時也沒有高電流觸點或活動電纜的磨損，它僅有動作很小的”開 合”運動。（2）感應器非常堅固耐用

18、。它是用銅塊在數(shù)控機床上加工的，沒有任何釬焊部分。這消除了感應器的變形和硬化曲線的漂移。在感應器的設計中，采用了很少的部件，這意味著可靠性更高。與傳統(tǒng)曲軸淬火工藝相比，在靜止式技術中，感應器與軸頸的間隙比前者大 得多。這樣，為減少應力腐蝕和應力疲勞提供了有利條件。使用靜止式技術，感應器等工具的壽命至少提高了 4倍。（3）沒有導向裝置/定位銷的磨損。靜止式技術使用的感應器不需要接觸式的導向裝置或任 何一種復雜而昂貴的非接觸式感應器定位跟蹤系統(tǒng)。（4） 精確的數(shù)控感應器成形工藝與可快速更換的工作臺接近裝置，保證了在更換感應器后， 感應器能夠自動調校與曲軸的位置，無需花費時間逐個調整感應器的位置。這

19、樣統(tǒng)一了結構，就可以快速、無差錯地調試設備，將設備迅速投入生產。（5）相對使用“ U”型感應器的傳統(tǒng)淬火工藝而言，用新技術處理過的曲軸的連桿軸頸和 主軸頸具有優(yōu)良的組織結構。這些特性為：極大地減少了軸頸表面的晶粒增長、脫碳、氧 化；淬硬區(qū)與“脆區(qū)”分界明顯，沒有“模糊過渡區(qū)”，這說明無需延長加熱時間；淬硬層由晶粒細小的馬氏體以及少量的殘余奧氏體構成，沒有游離鐵素體。靜止式曲軸淬火工藝是從經濟角度來設計的，設備緊湊，設備的占地面積減少了80%，易于維修。靜止式曲軸淬火工藝可以節(jié)約大量能源。3.結語應達工業(yè)（上海）有限公司是應達集團在華的全資子公司，公司已通過QS 9000TE, ISO 9000

20、認證體系，是世界上最大的感應加熱設備制造商之一，被福特汽車公司授予 Q1級證書。應達公司已在美國福特公司安裝制造了2臺用于生產V-6和V-8曲軸的靜止式曲軸淬火生產線，第三臺生產線正在制造過程中。當然，我們也不否認一見鐘情，就不能天長地久，但不是所有的人，都有這么好的福氣，遇到愿意疼你愛你，陪你在俗世煙火里細水長流的人。讓你心動的，不一定可以陪你一生到老，只有愿意陪你在柴米油鹽醬醋茶里，過平淡生活的人，才是你最終的選擇。我們很多人，心里都有一顆浪漫的種子，只是有的種子不斷發(fā)芽，抽枝，最后長成了一棵參天大樹。密匝的情感葉子，遮擋住了現(xiàn)實的視線，沉迷在浪漫的追求之中，不得自拔。都說婚姻，是一座圍城，它圍住了你的某一些欲望，尤其對浪漫的欲望。如果沒有婚姻這座圍城，那么關于性，人和低級動物，就沒有了區(qū)別。那么你的人生，可真謂是亂七八糟。別一直去詢問對方愛不愛你，嘴巴上的甜言蜜語，解決不了現(xiàn)實的殘忍。時間，是最好測量感情