感应淬火技术在汽车制造业的应用前景分析
2010-06-10
1、感应淬火工艺
随着汽车工业的迅速发展，我国采用感应淬火的零件的种类和品种不断增加。目前我国汽车零件感应淬火用材料包括：45#、40Cr、55MnVS、40MnB、42CrMo、35#、ZG45、球铁、合金铸铁等。感应加热淬火介质包括：水、聚乙烯醇、聚迷水溶性淬火介质、UCON、豪富顿251等。所采用的加热方式及应用主要包括：横向磁场静止一次加热淬火（销轴类零件、凸轮轴）；横向磁场连续加热淬火（减振器杆、变速叉轴、扭杆等）；横向磁场多段连续加热淬火（起动机轴、空压机轴等）；纵向磁场整体一次加热淬火（半轴等）；仿形感应器零件旋转加热淬火（球头销）；感应接触加热淬火（转向齿条）；内孔的一次及连续加热淬火（输出法兰、钟型壳内腔）；阶梯轴类零件的旋转加热淬火（小红旗后轮毂轴、转向节）；平面类零件的一次及连续加热淬火（钢板弹簧横向限位板）；薄壁类复杂零件一次及连续加热淬火（前轮毂、滑动轴叉）；复杂形状零件的一次加热淬火（钟型壳变截面轴）；槽口一次淬火（变速叉）；复杂回线工件旋转一次加热淬火（曲轴）等。
2、电源
电源是感应加热的关键设备之一，随着感应加热技术的发展，经历了机械式中频发电机组和真空管式高频电源、晶闸管中频电源及全晶体管电源三个发展阶段。在20世纪80年代后期，在工业发达国家，晶闸管中频电源已完全取代了中频发电机组，我国自90年代中期也已逐步取代。
同机械式中频发电机组相比，晶闸管（SCR）中频电源具有以下优点：体积小、重量轻、材料消耗少；电效率高，逆变停止时几乎不消耗电能，逆变效率可达90%以上；无机械运动、噪音小、运行可靠、负载匹配容易，可以根据负载情况确定电源的频率；启动停止方便，频率能自动跟踪以保持最佳运行状态；产品设计简单、制造周期短；安装容易，不需要特殊的基础；维修方便等。
我国的晶闸管中频电源的共同特点是全集成化控制线路数字化程度高于90%、启动成功率几乎达到100% 、除具有常规的水压不足、快熔熔断、过流、过压等保护功能外，还具有限流、限压等保护功能、功能较齐全的晶闸管电源还配置逆变失败、水温监视等可选功能，其频率最高可以作到8kHz，额定功率可以作到1000kW左右，如果在装配工艺上再进一步改进的话，可以接近世界先进水平。
随着技术的进步，跟踪80年代国际感应加热技术水平，我国于90年代中期开发出第一台电效率较高的50kW/50kHz IGBT电流型超音频感应加热电源(图2)。目前可做到频率0.4～50kHz、最大功率可达到800 kW，频率达到100kHz时功率达到100 kW 。
IGBT应用同期，我国还成功研制出20 kW/300kHz MOSFET高频电源，缩小了同国际先进水平的差距，随着大功率MOSFET器件的问世，大功率的晶体管高频电源有望年内在感应淬火中应用。
3、淬火机床
为了适应多品种的批量生产，在汽车生产应用中，我国引进的感应淬火机床种类由传统的专用设备逐步向柔性化程度较高的通用设备和专用淬火自动生产线发展。
通用淬火机床方面，一汽技术中心开发的卧式数控淬火机床（图3）主驱动采用交流伺服电机拖动，移动速度稳定均匀、定位准确、重复精度高；零件旋转采用变频调速，能适应多方面工艺要求；采用能量和数控技术对不同性能要求的不同零件感应加热淬火，甚至在同一零件上实现多段变功变速，编程容易可操作性强。
专用淬火机床方面，宁波市神光电炉有限公司经过多年努力，攻克一个个难关，采用功率脉冲分配技术、尾座自由顶尖技术、薄型淬火变压器技术、独立悬挂技术、悬挂平衡技术等分别研制成功曲轴全自动淬火机床（图4），与电源、水冷系统组成成套淬火设备可对车用内燃机曲轴进行各轴径的圆角+轴径淬火、轴径淬火自回火，采用计算机控制，通过显示屏对设备的加热、淬火工艺参数诸如电压、电流、频率、时间、压力、流量温度等进行监控和显示，目前国内多家采用。
这些机床在传动系统方面主要采用机械传动，代表现代机械传动技术的滚珠丝杠和直线导轨等先进技术被广泛采用；主驱动采用伺服数控、变频调速，移动速度稳定均匀；拖架定位准确，重复精度高；工件旋转采用变频调速取代固定转速，能适应多方面工艺要求；上下料系统采用较先进的步进链传动、托盘送进料、人工送取料。另外，在一条生产线中，大功率电源用于淬火，然后用较低功率回火，两个工序在一条生产线上自动完成，减少了重复上下工件的工序，降低了劳动强度，提高了生产效率。
4、其他器件及冷却系统
在气动式和接触器式功率切换器、电热电容器、淬火变压器、动作顺序控制及显示、变压器三维移动快换接头等方面，我国也取得了很多技术进步，使淬火技术和工艺水平不断提高。
对于冷却和淬火水循环装置，在消化理解国际感应加热成套设备用水冷系统最新技术基础上，我国自行研制成功适合我国国情的新型、高效、价廉的软水冷却机和水-水冷却机，换热效率高，大大提高了加热设备的可靠性，延长了设备的使用寿命。
虽然近年来我国感应淬火技术得到了迅速发展，但与工业发达国家相比，还有相当大的差距。
MOSFET高频电源是工业发达国家的首选产品，而我国在高频段仍以晶闸管交流调压、高压硅堆整流、节能型电子管振荡器式电源为主；IGBT超音频电源有部分取代晶闸管中频电源的趋势，而我国在这方面的应用还不够普及；近些年来虽然晶闸管中频电源应用较为普遍，但由于老企业改造步伐的限制，还有部分中频停留在发电机组。
必须指出，虽然我国能够生产MOSFET、 IGBT和SIT感应加热淬火用电源，但品种和规格没有国外那么多、那么细，由于关键主要电力电子器件国内还不能生产，必须进口， 所以从性能和技术水平方面和国外相比仍有相当大的差距。
总体来说，和工业发达国家相比，我国的数控及全自动淬火机床开发属起步阶段。在自动化水平上，国内设备大部分是人工上下料，自动化程度较低；能量监控虽有应用但技术还不够成熟；FUNAC、SIMENS伺服系统有所应用，但多为点位直线运动，属简易型，多轴连动类型的数控系统尚未得到应用。另外，计算机控制技术在感应加热淬火中应用远不如国外那样成熟，例如自动识别进机零件、不合格零件自动剔除；工艺参数跟踪及偏离给定值修正等。在感应器制造技术、感应器快换、导磁体材料与利用、冷却水循环系统、淬火介质研究与应用等方面也有相当大的差距。
鉴于这些差距，我国应积极行动，建立严格的引进消化政策，避免重复引进，限期淘汰耗能严重的电源，集中力量开发短缺部件，提高淬火机床配套质量等，使感应加热技术迅速赶上世界先进水平。
