感应热处理的应用和发展

感应热处理的应用和发展感应热处理的应用和发展 感应加热热处理是用感应电流使工件局部加热的表面热处理工艺 这种热 处理工艺常用于表面淬火 也可用于局部退火或回火 有时也用于整体淬火和 回火 20 世纪 30 年代初 美国 苏联先后开始应用感应加热方法对零件进行 表面淬火 随着工业的发展 感应加热热处理技术不断改进 应用范围也不断扩 大 我国感应加热在工业上的应用 起步于 20 世纪 50 年 代 在机床制造 纺 织机制造 汽车 拖拉机工业等部门应用最早 当时的感应加热技术 绝大部 分来自前苏联 少部分来自捷克 比利时等国家 50 年代末 我国已自制出电 子管式高频电源与机械式中频发电机 感应熔炼 感应透热 淬火 介质加热 等各种设备与工艺相继在工业上得到应用 60 年代后 各个部门 企业在自力 更生精神鼓舞下 研制出晶闸管中频电源 改进了电子管式高频电源 并设计 制造了各种型式的淬火机床 其典型结构已汇编入原机械部第六设计院的淬火 机集 共 55 种 对外开放以来 通过出国考察 进口设备 引进技术等多种渠 道 工业发达国家的现代感应加热技术逐渐进入了我国工业的各个部门 使感 应加热一节能 高效 自动化 高重现性 环保的技术更有效地得到利用 基本原理基本原理 感应热处理的基本原理是将工件放入感应器 线圈 内 当感应器中通入一 定频率的交变电流时 周围即产生交变磁场 交变磁场的电磁感应作用使工件内 产生封闭的感应电流 涡流 感应电流在工件截面上的分布很不均匀 工件 表层电流密度很高 向内逐渐减小 这种现象称为集肤效应 工件表层高密度 电流的电能转变为热能 使表层的温度升高 即实现表面加热 电流频率越高 工件表层与内部的电流密度差则越大 加热层越薄 在加热层温度超过钢的临 界点温度后迅速冷却 即可实现表面淬火 特点特点 感应加热的主要优点是 不必整体加热 工件变形小 电能消耗小 无公害 加热速度快 工件表面氧化脱碳较轻 表面淬硬层可根据需要进 行调整 易于控制 加热设备可以安装在机械加工生产线上 易于实现机械 化和自动化 便于管理 且可减少运输 节约人力 提高生产效率 淬硬层 马氏体组织较细 硬度 强度 韧性都较高 表面淬火后工件表层有较大压 缩内应力 工件抗疲劳破断能力较高 感应加热热处理也有一些缺点 与火焰 淬火相比 感应加热设备较复杂 而且适应性较差 对某些形状复杂的工件难 以保证质量 工艺上的优点工艺上的优点 1 淬火机可以安装在生产线上而不是集中在热处理车间 可减少工件往返 运输工作 2 为减少操作者劳动量 采用半自动或全自动的淬火机 如曲轴颈半自动 淬火机 履带销全自动淬火机等 履带销淬火生产率达 180 件 h 工人只需往 料斗加零件 3 采用多工件加热感应器 如隔套端面加热感应器一次加热 4 件 刹车 蹄片 矩形面淬火 感应器一次可加热 7 个工件 4 带夹具感应器解决了工件与感应器同心及定位基准的调整工作 如汽车 钢板弹簧销等多种小零件 换上感应器 电 热规范一调整 即刻可以生产 工件进出感应器极快 生产率极高 5 高频淬火采用自回火工艺 一汽 一拖的曲轴颈中频淬火及生产线上用 45 钢制轴类 销子类小零件均采用 K3 舍皮里科夫斯基所创建的自回火工艺 节省了电能 劳力与生产面积 简化了工序 6 推广用中碳钢感应淬火代替调质与渗碳工艺 以汽车热处理件为例 感应热处理件的数量与千克重不断增加 建厂开始时 1957 年 解放车只 31 种 148 5kg 感应淬火件 到 80 年代 CA141 汽车 的感应淬火件已扩大到 52 种 重 245kg 数量为原来的 167 重量为原来的 165 7 电子管高频电源是主要的变频电源 只有第一汽车制造厂大量应用机式 中频发电机 并且采用一台变频机供给 3 5 个淬火台 各个淬火台可以轮流 交替工作 即第一台上工件正加热 第二台可以在喷液 第三台可以在装卸料 等 大大地提高了机式发电机的负载系数 具体应用具体应用 国内感应淬火机床及淬火生产线近年来在生产厂与制造厂的共同努力下 也取得长足的进步 突出表现在 1 曲轴感应淬火机床 国内专业厂已能生产数控四工位旋转淬火机床 浸液淬火 六缸曲轴专 用淬火机床与单缸曲轴淬火机床 均已配用数控系统 伺服电机 滚珠丝杠传 动等先进器件 改变了国内原来长期依赖进口的局面 2 PC 钢筋生产线 国内钢丝 钢筋热处理生产线 经历了 10 多年的研制 生产与改进 从 凹螺纹预应力钢丝生产线开始 发展到不锈钢丝 低松弛钢丝及钢绞线等多个 品种 生产线则由单线发展为双线 电源配置则从晶闸管与超音频电子管电源 相组合 发展为晶闸管中频与 IGBT 电源相组合 因此使得能耗降低 进给速 度加快 占地面积减少 与发达国家同类产品相比具有一定的先进性 3 半轴一次加热淬火机床 在汽车行业 已成功地采用横向磁场矩形管感应器大功率一次加热半轴杆 部及圆弧部的工艺 它替代了原来半轴扫描淬火工艺 生产节拍由 6min 降至 40s 半轴扭转疲劳强度提高 10 倍以上 此机床将加热淬火 自回火 校直集 中在一台机床 上完成 机床采用计算机控制 具有故障诊断等功能 已 在东汽等公司应用于生产多年 4 转向齿条高频电阻加热淬火机床高频电阻加热比感应淬火设备费用低而 生产率高 国内已有多家工厂能生产此种机床 另外还有许多其他生产线与淬 火机床如 4m 10m 立式通用机床 V 型导轨淬火机床 直缝钢管焊缝退火生 产线 钢管低温热喷镀生产线 钢管防腐生产线 薄钢带高频光亮退火设备 长内孔淬火床 高频不锈钢锅底焊接设备 气门端头 气门摇臂多工位淬火机 床 汽车轮毂内槽淬火机床等等 品种之多 是上一世纪所无法相比的 感应加热技术的其他应用感应加热技术的其他应用 感应加热在其他工业 如包装业 医疗器材制造等领域的应用 国内目前 也有很大进展 1 软包装感应加热横断密封 采用聚乙烯 纸 铝箔复合而成的包装材料 用于做奶的软包装 这种液 态奶灌装生产线 过去依赖进口 瑞典一家公司生产的软包装线 铝箔 6 35 m 厚 用感应加热横断密封 如图 3 所示 500kHz 频率 80A 线圈电 流 密封胍冲 170 260ms 生产率 20000 件 h 国内包装公司已研制出 TLP 100C 单头无菌枕灌装机 自制了感应器 解决了国内软包装乳品市场 的迫切需求 瓶盖密封用感应器等均已国产化 2 金属与塑料粘合的铝塑复合管与轿车防擦板钢 塑材料的粘合等均已成功地采用感应加热工艺 感应加热技术的选用与优 化感应加热工艺的选用 一般针对高生产率的族类零件 并且是高技术工艺 附加值高 过去这些工艺的设计 以经验设计为主 或通过试验开发新工 艺 这些试验工作包括选择电源 加热方式 对钢材进行感应淬火工艺试验并 取得淬火结果报告等需要一系列细致繁重的工作 有些工艺试验需反复多次 费时费力 近年来 由于计算机模拟技术的发展 这些工艺试验已经可以在办 公室用计算机模拟软件来进行 它可以选用不同电源频率 功率密度 感应器 各种钢材 各种加热温度 各种淬火剂进行模拟 绘制出硬度 淬硬层深度曲 线 并打印出试验报告 早在 1997 年的第一次国际感应热处理学术会上 据与会的上海工业大学 嘉用机械有限公司朱会文厂长介绍 感应加热计算机模拟交流论文就有 19 篇 占全部论文的四分之一 工业发达国家的相关大企业 早已应用计算机模拟软 件来进淬火工艺的优化 以达到提高工件淬火质量与生产率 并降低能耗与生 产费用的目的 以齿轮双频感应淬火为例 根据齿轮的模数 两种频率的选择 与加热时间均可通过计算机模拟来确定 我国汽车工业应用感应热处理技术现状我国汽车工业应用感应热处理技术现状 1 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 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 2 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 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 二汽和天舒机电科技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 认清差距 开拓进取认清差距 开拓进取 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