國際先進(jìn)的感應(yīng)淬火技術(shù)

1、電源國外IGBT、MOSFET和SIT全固態(tài)晶體管電源技術(shù)逐步成熟，并已商品化、系列化，目前有1200kW、50kHz;50~100kHz、30~600kW;300kW、80kHz;低頻段有取代晶閘管電源趨勢;MOSFET多采用并聯(lián)振蕩電路，SIT多采用串聯(lián)諧振電路，功率高達(dá)1000kW、頻率200kHz和400kW、400kHz。它們都是電子管式高頻電源的抱負(fù)替代產(chǎn)品。當(dāng)輸出功率與電子管電源相同時，節(jié)電35%～40%，節(jié)省安裝面積50%，節(jié)約冷卻水40%～50%。隨著科技的進(jìn)步，在高頻感應(yīng)淬火領(lǐng)域，MOSFET有望取代SIT。2、淬火機(jī)床感應(yīng)淬火機(jī)床更加趨向自動化，CNC控制逐漸增多，自動分檢零件與自動辨認(rèn)進(jìn)機(jī)零件功能的機(jī)床增多。(1)通用淬火機(jī)床通用淬火機(jī)床朝柔性化方向發(fā)展，一臺淬火機(jī)床可以對不同性能規(guī)定的不同零件感應(yīng)加熱淬火。德國研制的一種曲軸淬火機(jī)床，法蘭件感應(yīng)淬火柔性加工系統(tǒng)略加調(diào)整能解決不同尺寸的相似工件;對于軸類零件在一定直徑范圍內(nèi)(如30mm)與長度300～800mm范圍內(nèi)，對于相似淬火規(guī)定的軸類零件，淬火機(jī)能自動編制14種程序，自動辨認(rèn)進(jìn)機(jī)零件;Robotron.Eiotherm最近推出了雙主軸立式淬火機(jī)，在一個緊湊的工藝單元內(nèi)進(jìn)行工件的淬火與回火，能解決輪軸、三槽套及其他萬向節(jié)件，轉(zhuǎn)換工件只需2～5min，用計(jì)算機(jī)編程，根據(jù)工件號在2min內(nèi)就可調(diào)出有關(guān)工藝數(shù)據(jù);一汽引進(jìn)的GH公司數(shù)控淬火設(shè)備通用性強(qiáng)、自動化限度，在復(fù)雜零件上可實(shí)現(xiàn)多段變功變速，編程容易、操作方便。圖1是GH公司的數(shù)控淬火機(jī)床。(2)專用淬火機(jī)床專用淬火機(jī)床更加專用化，采用機(jī)械手上下零件，加熱、淬火、回火、校直、檢查完全自動進(jìn)行。先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)可以監(jiān)控并屏幕顯示淬火過程和工藝參數(shù)，跟蹤所有操作過程，如發(fā)現(xiàn)故障或工藝參數(shù)偏離給定值，便自動修正或自動列出不合格零件，使控制系統(tǒng)暫停工作并報(bào)警，同時屏幕上顯示故障性質(zhì)和所要修正的動作。更先進(jìn)的控制系統(tǒng)還適應(yīng)材料化學(xué)成分的波動，并自動調(diào)整比功率或加熱時間，以保證感應(yīng)淬火零件的質(zhì)量。例如日本高周波熱煉株式會社川崎工廠的臥式半軸淬火機(jī)床，上尾廠可同時淬三根半軸，群馬廠可同時淬兩根半軸，機(jī)床事實(shí)上是感應(yīng)熱解決生產(chǎn)線，全過程除校直、熒光探傷檢查需一名工人外，其余所有自動進(jìn)行。(3)機(jī)器人的應(yīng)用日本高周波熱煉株式會社制造的一臺立式通用淬火機(jī)床上配置一臺機(jī)器人，機(jī)器人將一個二匝的感應(yīng)器進(jìn)行依次平面掃描，使一塊塑料板變色，雖然使用電源功率只3kW，但也可以看出機(jī)器人在感應(yīng)熱解決中的應(yīng)用趨勢。(4)機(jī)電一體化將電源、淬火機(jī)床、冷卻系統(tǒng)組成成套裝置，具有占地面積小、生產(chǎn)效率高、一次安裝調(diào)試容易等優(yōu)點(diǎn)。國外最近問世的曲軸固定加熱淬火裝置占地面積僅為組合式成套裝置的1/4。3、淬火工藝(1)靜止式曲軸感應(yīng)淬火采用靜止式曲軸感應(yīng)淬火新技術(shù)的最初的兩臺裝置在福特公司V6和V8曲軸淬火和回火工藝中得以應(yīng)用，表現(xiàn)出了良好的市場前景。其特點(diǎn)是:加熱時間短，一般僅為1.5～4s，傳統(tǒng)工藝是7～12s;電效率高、成本低;感應(yīng)器與工件之間允許有較大間隙，調(diào)整方便;操作簡樸、反復(fù)性好、易于維護(hù);占地面積小，僅為本來的20%左右。(2)低淬透性鋼齒輪淬火現(xiàn)在俄羅斯許多汽車工廠廣泛采用低淬透性鋼進(jìn)行整體感應(yīng)加熱表面淬火，已大量應(yīng)用于汽車、拖拉機(jī)后橋齒輪、挖掘機(jī)齒輪、傳動十字軸、火車車廂用滾動軸承、汽車板簧、鐵路螺旋彈簧等，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。(3)雙頻感應(yīng)加熱淬火國外雙頻淬火重要用于齒輪。20世紀(jì)90年代，美國用10kHz中頻和150kHz高頻電源，先讓齒輪在中頻感應(yīng)器中加熱，然后迅速降到高頻感應(yīng)器中加熱，最后落入油中淬火。進(jìn)入21世紀(jì)，此工藝又有新進(jìn)展，如GH公司采用電力電子開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率，使齒輪的齒頂和齒跟的加熱更加均勻，更好地保證了齒輪的淬火質(zhì)量。我國汽車工業(yè)應(yīng)用感應(yīng)熱解決技術(shù)現(xiàn)狀1、電源電源是感應(yīng)加熱的關(guān)鍵設(shè)備之一，隨著感應(yīng)加熱技術(shù)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、晶閘管中頻電源及全晶體管電源三個發(fā)展階段。在20世紀(jì)80年代后期，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，晶閘管中頻電源已完全取代了中頻發(fā)電機(jī)組，我國自90年代中期也已逐步取代。同機(jī)械式中頻發(fā)電機(jī)組相比，晶閘管(SCR)中頻電源具有以下優(yōu)點(diǎn):體積小、重量輕、材料消耗少;電效率高，逆變停止時幾乎不消耗電能，逆變效率可達(dá)90%以上;無機(jī)械運(yùn)動、噪音小、運(yùn)營可靠、負(fù)載匹配容易，可以根據(jù)負(fù)載情況擬定電源的頻率;啟動停止方便，頻率能自動跟蹤以保持最佳運(yùn)營狀態(tài);產(chǎn)品設(shè)計(jì)簡樸、制造周期短;安裝容易，不需要特殊的基礎(chǔ);維修方便等。我國的晶閘管中頻電源的共同特點(diǎn)是全集成化控制線路數(shù)字化限度高于90%、啟動成功率幾乎達(dá)成100%、除具有常規(guī)的水壓局限性、快熔熔斷、過流、過壓等保護(hù)功能外，還具有限流、限壓等保護(hù)功能、功能較齊全的晶閘管電源還配置逆變失敗、水溫監(jiān)視等可選功能，其頻率最高可以作到8kHz，額定功率可以作到1000kW左右，假如在裝配工藝上再進(jìn)一步改善的話，可以接近世界先進(jìn)水平。隨著技術(shù)的進(jìn)步，跟蹤80年代國際感應(yīng)加熱技術(shù)水平，我國于90年代中期開發(fā)出第一臺電效率較高的50kW/50kHzIGBT電流型超音頻感應(yīng)加熱電源(圖2)。目前可做到頻率0.4～50kHz、最大功率可達(dá)成800kW，頻率達(dá)成100kHz時功率達(dá)成100kW。圖2IGBT電流型超音頻感應(yīng)加熱電源IGBT應(yīng)用同期，我國還成功研制出20kW/300kHzMOSFET高頻電源，縮小了同國際先進(jìn)水平的差距，隨著大功率MOSFET器件的問世，大功率的晶體管高頻電源有望年內(nèi)在感應(yīng)淬火中應(yīng)用。2、淬火工藝隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，我國采用感應(yīng)淬火的零件的種類和品種不斷增長。目前我國汽車零件感應(yīng)淬火用材料涉及:45#、40Cr、55MnVS、40MnB、42CrMo、35#、ZG45、球鐵、合金鑄鐵等。感應(yīng)加熱淬火介質(zhì)涉及:水、聚乙烯醇、聚迷水溶性淬火介質(zhì)、UCON、豪富頓251等。所采用的加熱方式及應(yīng)用重要涉及:橫向磁場靜止一次加熱淬火(銷軸類零件、凸輪軸);橫向磁場連續(xù)加熱淬火(減振器桿、變速叉軸、扭桿等);橫向磁場多段連續(xù)加熱淬火(起動機(jī)軸、空壓機(jī)軸等);縱向磁場整體一次加熱淬火(半軸等);仿形感應(yīng)器零件旋轉(zhuǎn)加熱淬火(球頭銷);感應(yīng)接觸加熱淬火(轉(zhuǎn)向齒條);內(nèi)孔的一次及連續(xù)加熱淬火(輸出法蘭、鐘型殼內(nèi)腔);階梯軸類零件的旋轉(zhuǎn)加熱淬火(小紅旗后輪轂軸、轉(zhuǎn)向節(jié));平面類零件的一次及連續(xù)加熱淬火(鋼板彈簧橫向限位板);薄壁類復(fù)雜零件一次及連續(xù)加熱淬火(前輪轂、滑動軸叉);復(fù)雜形狀零件的一次加熱淬火(鐘型殼變截面軸);槽口一次淬火(變速叉);復(fù)雜回線工件旋轉(zhuǎn)一次加熱淬火(曲軸)等。3、淬火機(jī)床為了適應(yīng)多品種的批量生產(chǎn)，在汽車生產(chǎn)應(yīng)用中，我國引進(jìn)的感應(yīng)淬火機(jī)床種類由傳統(tǒng)的專用設(shè)備逐步向柔性化限度較高的通用設(shè)備和專用淬火自動生產(chǎn)線發(fā)展。通用淬火機(jī)床方面，一汽技術(shù)中心開發(fā)的臥式數(shù)控淬火機(jī)床(圖3)主驅(qū)動采用交流伺服電機(jī)拖動，移動速度穩(wěn)定均勻、定位準(zhǔn)確、反復(fù)精度高;零件旋轉(zhuǎn)采用變頻調(diào)速，能適應(yīng)多方面工藝規(guī)定;采用能量和數(shù)控技術(shù)對不同性能規(guī)定的不同零件感應(yīng)加熱淬火，甚至在同一零件上實(shí)現(xiàn)多段變功變速，編程容易可操作性強(qiáng)。圖3通用數(shù)控淬火機(jī)床專用淬火機(jī)床方面，二汽和天舒機(jī)電科技有限公司通過數(shù)年努力，攻克一個個難關(guān)，采用功率脈沖分派技術(shù)、尾座自由頂尖技術(shù)、薄型淬火變壓器技術(shù)、獨(dú)立懸掛技術(shù)、懸掛平衡技術(shù)等分別研制成功曲軸全自動淬火機(jī)床(圖4)，與電源、水冷系統(tǒng)組成成套淬火設(shè)備可對車用內(nèi)燃機(jī)曲軸進(jìn)行各軸徑的圓角+軸徑淬火、軸徑淬火自回火，采用計(jì)算機(jī)控制，通過顯示屏對設(shè)備的加熱、淬火工藝參數(shù)諸如電壓、電流、頻率、時間、壓力、流量溫度等進(jìn)行監(jiān)控和顯示，目前國內(nèi)多家采用。圖4工作中的全自動曲軸淬火機(jī)床這些機(jī)床在傳動系統(tǒng)方面重要采用機(jī)械傳動，代表現(xiàn)代機(jī)械傳動技術(shù)的滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌等先進(jìn)技術(shù)被廣泛采用;主驅(qū)動采用伺服數(shù)控、變頻調(diào)速，移動速度穩(wěn)定均勻;拖架定位準(zhǔn)確，反復(fù)精度高;工件旋轉(zhuǎn)采用變頻調(diào)速取代固定轉(zhuǎn)速，能適應(yīng)多方面工藝規(guī)定;上下料系統(tǒng)采用較先進(jìn)的步進(jìn)鏈傳動、托盤送進(jìn)料、人工送取料。此外，在一條生產(chǎn)線中，大功率電源用于淬火，然后用較低功率回火，兩個工序在一條生產(chǎn)線上自動完畢，減少了反復(fù)上下工件的工序，減少了勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。4、其他器件及冷卻系統(tǒng)在氣動式和接觸器式功率切換器、電熱電容器、淬火變壓器、動作順序控制及顯示、變壓器三維移動快換接頭等方面，我國也取得了很多技術(shù)進(jìn)步，使淬火技術(shù)和工藝水平不斷提高。對于冷卻和淬火水循環(huán)裝置，在消化理解國際感應(yīng)加熱成套設(shè)備用水冷系統(tǒng)最新技術(shù)基礎(chǔ)上，我國自行研制成功適合我國國情的新型、高效、價(jià)廉的軟水冷卻機(jī)和水-水冷卻機(jī)，換熱效率高，大大提高了加熱設(shè)備的可靠性，延長了設(shè)備的使用壽命。認(rèn)清差距，開拓進(jìn)取雖然近年來我國感應(yīng)淬火技術(shù)得到了迅速發(fā)展，但與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，尚有相稱大的差距。MOSFET高頻電源是工業(yè)發(fā)達(dá)國家的首選產(chǎn)品，而我國在高頻段仍以晶閘管交流調(diào)壓、高壓硅堆整流、節(jié)能型電子管振蕩器式電源為主;IGBT超音頻電源有部分取代晶閘管中頻電源的趨勢，而我國在這方面的應(yīng)用還不夠普及;近些年來雖然晶閘管中頻電源應(yīng)用較為普遍，但由于老公司改造步伐的限制，尚有部分中頻停留在發(fā)電機(jī)組。必須指出，雖然我國可以生產(chǎn)MOSFET、IGBT和SIT感應(yīng)加熱淬火用電源，但品種和規(guī)格沒有國外那么多、那么細(xì)，由于關(guān)鍵重要電力電子器件國內(nèi)還不能生產(chǎn)，必須進(jìn)口，所以從性能和技術(shù)水平方面和國外相比仍有相稱大的差距。總體來說，和工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，我國的數(shù)控及全自動淬火機(jī)床開發(fā)屬起步階段。在自動化水平上，國內(nèi)設(shè)備大部分是人工上下料，自動化限度較低;能量監(jiān)控雖有應(yīng)用但技術(shù)還不夠成熟;FUNAC、SIMENS伺服系統(tǒng)有所應(yīng)用，但多為點(diǎn)位直線運(yùn)動，屬簡易型，多軸連動類型