热处理的高端感应加热方案doc.docx

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热处理的高端感应加热方案

    感应加热处理在100多年前开始为人所知，它的工业应用早在20世纪初就开始了。

仅用高频电子管振荡器和中频电动发电机就可以完成许多任务的快速加热方式已存在了很多年。

   现在，生产方案不仅更加灵活、多变，而且也更复杂。

对用户而言，具备更高可靠性的设备和更简化的人机界面（HMI）已经成为一种潜在的需要，因为这能够简化机器的操作以及工艺的控制。

   在这篇文章中，本人首先提出一个在感应加热中应用的最新的技术，然后阐述一些感应加热方面的特别应用的示例。

一、现代技术

1.电源

与20世纪60年代应用的电源大不相同，现在的电源是非常完善的，以晶体管为基础，它们在效率、功率和频率方面获得了很大的提高。

IGBT晶体管作为基础功率元件代表了现在绝大部分电源的部件。

EFD在80年代开发了非常便捷的电源，取名为MINAC（见图1）。

这种电源是当今在其功能范畴内体积最小的电源，它能够满足双输出不同功率的输出变压器，以完成两种不同的作业。

不难想象，这将给用户带来巨大利益。

图1MINAC18/25Twin

另一个重要创新是中频和高频电源模块同时输送给一个单线圈的专利方案，以MFC技术命名（多频率概念）。

EFD创造了（SINACSMFC系列）的整个电源系列，以适应热处理方案的商业用途，用单个系列的电源电柜、大范围的解决方案和根据需要的混合功率，来完成高功率应用。

SINAC200/100SMFC如图2所示，SINACSMFC输出站如图3所示。

图2SINAC  200/100SMFC

图3SINACSMFC输出站

属于不同商业用途的主要应用包括：

（1）商业热处理车间，当需要一个小体积电源来取代独立的中频、高频电源和机床——一个机床，一个线圈，一个电源。

（2）齿轮淬火，当需要混合的频率（如锥形齿轮，小链轮齿等）。

（3）其他的部件，为达到热处理的仿形效果，或者当材料由薄转厚时的一个扫描过程（例如传动部件等），而不需要更换感应线圈、电源。

2.实时过程监控

一个重要的改变是质量监控系统的增加，不仅是新的机器，而且许多翻新的现有生产线也需要这种方案。

在这种情况下，用户需要一个灵活的方案用于实时地同时监测几个过程。

这种单元通常建立在工业PC上，一些特殊软件和相应探测器实时监控生产参数。

通过这种系统来监测各种参数。

我们可以考虑一些重要参数：

功率（kW）或能量（kW/s）；频率（kHz）；加热时间（s）；淬火液流量（L/min）；淬火液温度（℃）；淬火延时（s）；表面温度（℃）；其他。

在实时过程监控中最有趣的是信号分析，它在一个固定的采样率上连续不断地控制所有的参数。

该采样率必须可以根据处理过程来调整，很容易理解，一个10kHz（每秒钟对所有参数采样10次）的取样率对一个120s的热处理过程已经是足够的了，但对于如加热时间范围在0.2～0.5s的齿轮仿形淬火过程，则需要1000kHz的取样率。

通过信号分析，事实上，参考一个被考虑成破坏性的采样曲线，通过采样获得一个可比较的总能量，在加工过程中参数的变化不会带来相关问题。

实时监控系统主屏幕如图4所示。

图4实时监控系统主屏幕

二、实例

1.飞机引擎的齿轮淬火设备

这种设备使用我们标准PM设备并安装SINACSMFC电源（见图5）。

西门子840D和我们独有的RTM100，同时监控工艺过程和设备，实时提供最可靠的过程控制。

根据客户的需求，使用MFC技术的电源可以同时或分开输送中频和高频。

图5使用SINACSMFC的PM设备

对齿轮这个特别工件，加热时间是非常短的（低于0.2s）。

工件旋转速度设置在600r/min左右，当淬火时降低至50r/min。

一个CNC控制轴保证这个特性。

根据工件结构，淬火可以通过喷淋或直接将工件浸透在淬火液中实现。

应用实例如图

曲轴淬火感应器选用及保养要点

曲轴轴颈感应淬火的目的，是提高轴颈硬度，增加其耐磨性；当轴颈圆角部份连同淬上时，更提高了曲轴的疲劳强度。

曲轴的淬火部位,一般包括主轴颈、连杆颈、法兰油封面与前轴颈等部位，示如图1

：

图1曲轴淬火的各部位示意

    曲轴淬火感应器就是为这些部位进行淬火的工具，其有效圈的尺寸，亦随轴颈的直径、开挡宽度或淬火宽度而异。

1、曲轴颈淬火区域，有以下多种：

（1）、只淬轴颈表面，如图2-1。

（2）、轴颈表面及圆角部位同时淬硬，如图2-2。

（3）、轴颈表面及止推面同时淬硬，如图2-3。

（4）、轴颈止推面单独淬硬，如图2-4。

（5）、法兰油封面及前轴油封面的淬火，如图2-5。

2、曲轴淬火感应器的结构：

曲轴颈淬火，最早是采用分合型的，因为曲柄挡住了有效圈进入靠近轴颈表面，只能用分合方式，才能进入该部位。

这种感应器结构简单，但存在淬硬区宽度在轴颈圆周上分布不均匀及轴颈上油孔易淬裂和不易进行带圆角淬火等缺点，因此，从20世纪60年代以来，已呈淘汰趋势。

随之取代分合型的，是旋转加热曲轴的半环型感应器，这种现代化的曲轴淬火感应器已为一汽集团、一拖集团、东汽集团所属发动机、柴油机厂所采用。

半环型曲轴淬火感应器,根据淬火方式的不同，又可分为浸淬式（不带喷液器）与喷液式（带喷液器）两种，典型的曲轴感应器，见图3。

图3 典型的曲轴淬火感应器

半环型曲轴感应器，因其结构复杂、制造精度高。

因此，早期曾依赖进口，20世纪80年代后，国内开始研制成功，现已完全国产化，并且有自已设计的中国风格产品供应国内用户，为国家节省了大量外汇。

图4是洛阳升华感应加热有限公司自行设计制造的大型曲轴感应器，轴颈直径为D=230mm。

3、曲轴淬火感应器的保养

曲轴淬火感应器是一种精密昂贵的工模具，保养是否合理，直接影响感应器的使用寿命，因此，注意感应器的合理保养是十分重要的。

（1） 保持有效圈工作面清洁

图5是半环型感应器的加热圈工作面，曲轴有效圈工作时，会吸附轴颈表面上的铁沫，如果不是每班清擦干净，会形成硬壳，既影响感应器效率，还会使有效圈与工件间隙变小，产生短路，烧坏有效圈。

（2） 要保证感应器锥形接触面（或接触板）与变压器二次接触板部分紧贴，以减少接触电阻，并要定期用细砂布清除此表面的氧化皮或油污。

（3） 间隔定位块的固定螺钉要经常检查，发现松动时，应及时拧紧。

（4） 每周用塞尺与轴颈样件，测量有效圈与轴颈的间隙，当间隙值小于1/100轴颈直径时，必须调整间隙到原设计尺寸。

（5） 定位块磨损值超过1/1000轴颈直径时，要更换新的定位块。

（6） 导磁体老化或锈蚀严重时，必须更换新的导磁体。

（7） 感应器冷却水应使用软化水，水流量与水压必须稳定，当出水口水温超过70℃时，要查原因，并进行通水量检查与清洗管路。

4、曲轴淬火感应器的发展

  曲轴淬火感应器，特别是半环型感应器造价昂贵，因此如何降低造价，提高效率及增长使用寿命成为主要研发项目。

   美国InductoHeat公司已研制出固定式（静止式）曲轴淬火感应器，特点是加热时，工件不转动，节能、高效、感应器寿命长。

但目前在生产中使用的，限于圆角不淬火的轴颈，对带圆角淬火的轴颈，尚未见报导。

曲轴圆角淬火技术

   曲轴是内燃机中的最重要的零件之一，它的使用寿命往往决定了内燃机的使用寿命。

1920年美国克拉克公司，将发明不久的感应淬火技术用于曲轴轴颈硬化，大大地提高了曲轴的耐磨性，从而提高了内燃机的工作寿命（当时主要问题是曲轴硬度低耐磨性差）。

近几十年来曲轴的疲劳断裂又突显出来，而且疲劳源多发生在连杆轴颈曲柄内侧的圆角处，为此许多厂家提出提高曲轴的疲劳强度的要求。

提高曲轴疲劳强度的关键是提高曲轴圆角的残余压缩应力。

曲轴圆角（含轴颈）的感应淬火是使圆角获得>600MPa巨大残余压缩应力首选方法。

日本某一公司对内燃机曲轴进行了系列的弯曲疲劳实验，实验证明圆角感应淬火曲轴有最高的疲劳强度（996MPa），圆角滚压曲轴疲劳强度为次（890MPa），氮化曲轴第三（720MPa）。

美国公司也有相近的数据。

   曲轴圆角淬火一般要使用“半圈感应器”淬火，亦称依洛森（Elotherm）淬火法。

它是将感应器扣在轴颈上，曲轴在旋转中进行加热和喷水淬火（也有在曲轴轴颈加热到淬火温度后，翻入水池中进行冷却淬火）。

这种方法不仅方便了曲轴进出感应器，简化了淬火机床的动作，也同时也解决了用传统的分合式感应器淬火经常出现的油孔裂纹、硬化区域宽窄不均、硬化层厚度不均和变形大等问题。

业内人士普遍认为依洛森淬火法是曲轴感应淬火技术的一大进步。

有资料表明，曲轴轴颈感应淬火可将发动机寿命提高到8000小时，而轴颈及圆角感应淬火可使发动机寿命提高到10000小时。

   实现圆角淬火必须解决的关键技术是功率分配技术。

曲轴“半圈感应器”淬火涉及到许多技术，例如变频电源、淬火机床及感应器等，这些技术也是很重要的，但这些技术我国在80年代初期已初步解决。

记得当年，我和我的同事在进行曲轴圆角淬火工艺研究时遇到了这样的难题：

曲轴的连杆轴颈用半圈感应器加热时，当曲柄内侧圆角刚刚达到淬火温度的时候，连杆轴颈外侧的轴肩已经熔化。

究其原因是曲轴的结构造成的。

连杆轴颈的圆角周边的质量环境有很大差异，在曲柄内侧的圆角里面“肉厚”，有较大的热容量，在圆角表面达到淬火温度的同时也有一定的热量传导到里面去了；而其反方向因圆角里面“肉薄”，热容量自然要小些，当圆角表面达到淬火温度的时候，有同样多的热量向里面传导，但因为“肉薄”，容纳热量的材料质量少，而轴肩处是“半岛”形状，其里面能够接受传导来热量的体积有限，于是产生了热量堆积，致使轴肩熔化。

显然要完好地进行曲轴圆角的淬火加热，曲柄内侧和曲柄外侧的加热功率应该是变化的，即曲柄内侧功率要大，曲柄外侧功率要小，这一技术被称为功率分配技术。

可惜当时我国还没有这种技术，我和我的同事只能摇头叹息。

上海恒精公司在90年代中期率先开发成功这一技术，并成功地用于大小曲轴的圆角淬火。

该技术是在曲柄内侧加热时提供100%的功率，在曲柄外侧加热时提供60%（或70%）的功率，并且随着曲轴的转动，每转15°角增加（或减小）一定量的功率。

上海恒精公司近年来销售十几套曲轴淬火设备，每年生产曲轴几百万件，其中绝大部分中小型曲轴出口到美国。

下面介绍几种曲轴圆角淬火实例：

照片1是重型汽车的发动机曲轴连杆轴颈淬火层分布图形（轴颈长度41.6，直径71.5）;照片2是通用发动机曲轴连杆轴颈的淬火层分布图形（轴颈长度26.6，直径40.4）;照片3是通用发动机曲轴连杆轴颈的淬火层分布图形（轴颈长度22，直径28.8）;照片4是通用发动机曲轴连杆轴颈的淬火层分布图形（轴颈长度16.9，直径18.8）。

在节能、节材、环保等理念成为人们共识的今天，几乎所有内燃机的生产厂家都在追求产品的小型化、轻量化、长寿命化，曲轴圆角技术为这一目标的实现提供了强有力地技术支持。

应该说曲轴圆角淬火技术的市场前景是远大的。

新型静止式曲轴淬火工艺

1．目前存在的问题

现在，大部分曲轴感应淬火机床在淬火时，曲轴需要旋转。

“U”型感应器对每个连杆颈和主轴颈进行加热时，要求曲轴在围绕自身主轴旋转时，感应器应尽可能靠近连杆颈或主轴颈的轴承面，因为连杆颈相对主轴颈径向偏心，连杆颈会围绕主轴颈作旋转运动。

曲轴的旋转速度各不相同，一般为24~32r/min。

由于连杆颈相对主轴颈径向偏心，感应淬火机床的一些部件（包括电源的输出变压器，水冷感应器，铜排和电缆等），重量一般超过900kg，并且必须和曲轴一起在相同的轨道上作旋转运动。

为保证如此笨重的系统的旋转轨迹的运行精度，需要配备一个特别的跟踪系统，在曲轴旋转时，在不同的位置输出不同的功率。

对传统的曲轴淬火机床，这些要求将使设备变得相当复杂，体积庞大，噪声和制作成本提高。

2．静止式曲轴淬火工艺

相对于以上的问题，静止式曲轴淬火工艺在加热和淬火过程中，感应器或曲轴则无需旋转或移动，同时消除了在使用圆形对壳式感应器时需要大电流接触的情况（静止式感应器不是对壳式的结构）。

静止式曲轴淬火工艺主要有以下优点：

（1）由于在加热/淬火工艺中曲轴不旋转，因此加热时不必在轨道上移动那些重达900kg甚至更重的重型结构，同时也没有高电流触点或活动电缆的磨损，它仅有动作很小的”开合”运动。

（2）感应器非常坚固耐用。

它是用铜块在数控机床上加工的，没有任何钎焊部分。

这消除了感应器的变形和硬化曲线的漂移。

在感应器的设计中，采用了很少的部件，这意味着可靠性更高。

与传统曲轴淬火工艺相比，在静止式技术中，感应器与轴颈的间隙比前者大得多。

这样，为减少应力腐蚀和应力疲劳提供了有利条件。

使用静止式技术，感应器等工具的寿命至少提高了4倍。

（3）没有导向装置/定位销的磨损。

静止式技术使用的感应器不需要接触式的导向装置或任何一种复杂而昂贵的非接触式感应器定位跟踪系统。

（4）精确的数控感应器成形工艺与可快速更换的工作台接近装置，保证了在更换感应器后，感应器能够自动调校与曲轴的位置，无需花费时间逐个调整感应器的位置。

这样统一了结构，就可以快速、无差错地调试设备，将设备迅速投入生产。

（5）相对使用“U”型感应器的传统淬火工艺而言，用新技术处理过的曲轴的连杆轴颈和主轴颈具有优良的组织结构。

这些特性为：

极大地减少了轴颈表面的晶粒增长、脱碳、氧化；淬硬区与“脆区”分界明显，没有“模糊过渡区”，这说明无需延长加热时间；淬硬层由晶粒细小的马氏体以及少量的残余奥氏体构成，没有游离铁素体。

静止式曲轴淬火工艺是从经济角度来设计的，设备紧凑，设备的占地面积减少了80%，易于维修。

静止式曲轴淬火工艺可以节约大量能源。

3.结语

应达工业（上海）有限公司是应达集团在华的全资子公司，公司已通过QS－9000TE,ISO－9000认证体系，是世界上最大的感应加热设备制造商之一，被福特汽车公司授予Q1级证书。

应达公司已在美国福特公司安装制造了2台用于生产V-6和V-8曲轴的静止式曲轴淬火生产线，第三台生产线正在制造过程中。