曲轴颈圆角感应淬火技术的研究进展

曲轴颈圆角感应淬火技术的研究进展

由于节能和新能源能耗的发展，残余燃烧已成为加热领域的中心技术。曲轴颈圆角感应淬火,回转支承的内外齿、滚道等的感应淬火均具有突出的竞争力。本文论述了当前国内外感应淬火的新工艺、新装备。1轴端角的开口曲轴颈圆角感应淬火可提高轴颈的耐磨性和疲劳强度,已成为当前重载曲轴通用的工艺,并仍在不断地加以改进。1.1轴系自退火工艺的改进建议美国ATM公司1932年就开始研究曲轴颈的感应淬火技术,近年来对曲轴颈圆角淬火还在做进一步究研,其目标和成果有以下几个方面:(1)精确控制沿轴颈圆周的脉动功率和淬火液流量,以减少曲轴颈淬火后的弯曲变形,尽可能减少校直工作量。通过对V-8曲轴进行的各项试验,TIR(一周摆差)各均值已达到0.25～0.28mm。(2)发展自回火工艺。现以曲轴颈淬火后的自回火为例加以说明。由于连杆颈上止点与平衡块(下止点)附近金属质量差别极大,因此,必须在圆周上精确地改变淬火规范即加热功率和喷液量。试验表明,过去以30°转角为单位来调控温度巳显不够,需要改进。因为下止点处金属质量大,蓄热多,如果加热功率与喷液冷却条件相同,自回火温度会升高。而上止点处,金属质量小,蓄热少,在加热功率和喷液条件相同的情况下,自回火温度就较低,原来在圆周上每转30°变动一次功率以调整加热功率与自回火温度,就难以达到目的。(3)提高有效圈和定位块的使用寿命。(4)改进整套设备的布局,以利于检查维修。过去变压器、感应器组件的维修必须吊起后才能进行。现在在电源柜上方设置了工作台,解决了维修不便等问题。(5)对操作人员可视化并设置监控系统,以便优化工艺和TIR(一周摆差)。通过计算机及TIR测量仪控制的工艺参数有:功率、平衡压力和淬火液流量。监控并显示的有感应器电压、电流和淬火液流量、每根曲轴的淬火参数和TIR值,均能储存,作质保记录。还可对淬火工艺进行统计过程控制(SPC)。通过试验,该公司提出了一个新观点,认为工件的淬火畸变与原始的变形量没有关系,这个问题尚值得探讨。1.2半环形轴系的双半环感官的包压近年来,日本电气兴业公司研制的一种新型曲轴感应器正在申请专利,其轴颈被两个半环形感应器所包容,如图1所示。常规的半环形曲轴感应器的包容面一般接近于180°,而这种双半环感应器的包容面几乎增加了1倍。常规工艺的加热时间一般在10s左右,而双包感应器的加热时间可控制在4s以内。这种新型曲轴颈淬火感应器已用于轿车曲轴的淬火,其经济性、可靠性等正经受着生产考验。1.3alfigm自退火工艺近年来,德国ALFING曲轴制造公司对感应淬火后的轿车曲轴在曲轴淬火机上采用了自回火工艺。自回火工艺的采用,至少要具备两个条件,即精确的加热温度控制与精确的喷液时间和液温控制,前苏联曾广泛应用于开合型不旋转曲轴的感应淬火。此工艺既缩短了在线生产周期,又节省了线上生产面积,降低了回火能耗。ALFIMG曲轴公司应是对旋转曲轴采用自回火工艺的先行者。此外,德国ALFING机械厂(曲轴淬火机专业制造厂)近年研发出一种小型曲轴感应淬火装置COMPACT-S,适用于长度600mm以内的各型曲轴及主、付连杆颈,一端用半环型感应器,另一端用环形感应器,机床最多可挂9个感应器,最多可接5台100kW中频电源。其最突出的特点是曲轴感应淬火后利用内部余热进行自回火。轿车曲轴自回火工艺已在生产中得到应用。2无触点传感自动定位控制器的研制传统的轴承内外滚道由于直径大,常采用4～30kHz变频器扫描淬火,在淬火起点与终点之间一般留有30mm左右的过渡带,通常称为软带。早在上世纪50年代,前苏联即提出采用两个感应器从起点各自反方向扫描,最后两个感应器汇合,在汇合点由喷液器进行喷液淬火,见图2。此工艺后来未见用于生产。近年来,随着风电行业的发展,回转支承滚道无软带扫描淬火再次成为感应加热的重点研发项目。(1)国内一家感应加热公司已研发成功无软带感应淬火技术,并已在2007年申报了专利。(2)德国SMS-Elotherm公司开发了此项目,并且提出对淬硬层深大于6mm的工件要进行预热。在此项目中应用了该公司的两项专利,即①采用工件净功率监控器对滚道淬硬层质量进行在线实时监控,当感应器与工件的间隙由于工件畸变而产生变化时此监控器能精确反映加热工件的功率变化。监控器反映的功率变化与常规振荡回路上测量出的功率变化不同,它过滤掉了杂散的功率损耗,所以称为净功率监控器。图3表示净功率监控器与振荡回路监控的对比。图中上方曲线是一般振荡回路监控曲线,下方曲线为净功率监控曲线,当间隙变动0.2mm和0.4mm时,上方的曲线变动不明显,而下面的曲线就像放大镜那样发生明显的变化。②无触点感应器自动定位控制。这是SMS-Elotherm公司的又一专利技术,它在工件淬硬过程中实时传感并校正感应器的定位误差,同时,工件净功率监控器提供连续的在线质量监控。两项专利技术的结合得到了一致的重现性良好的淬硬层,使大滚柱、滚珠轴承具有更高的承载能力和较长的服役寿命。无触点感应器自动定位控制器示如图4所示。从图中可见有两个传感器,一个控制齿槽,另一个控制齿侧。3滚道加热、火炬对于直径较小的支承滚道,现在通常采用一个或多个感应器对飞速旋转的支承滚道进行加热,当滚道全部达到淬火温度时,进行一次淬火。同样对大型外齿及内齿轮,国内外均已成功应用一次加热淬火技术,其特点是需大功率变频电源与大流量淬火水泵,电源功率达1000kW,水泵流量达160t/h。4超高频热处理对于直径小于15mm的小內孔,即使采用高频电源淬火,国内也很难处理。因为难以使用直径3mm以下的通水铜管,多匝感应器3根ϕ3mm管(中间一根返回管和两个ϕ3mm截面)加间隙即达13mm。但若采用超高频电源,则铜管可以更细。图5表示一种支座內孔的超高频淬火,电源是SP-50,2.5MHz,50kW,加热时间为0.2s。淬硬层深为0.1～0.3mm,整个工作周期是24s/件。此项目日本电气兴业公司已申请专利。5双滚道产品的应用对于双滚道的感应淬火,如果每次淬一个滚道,则淬另一个滚道时会对上一个已经淬火的滚道产生回火,特别是对两个滚道相距较近的双滚道,矛盾更为突出。德国SMS-Elotherm公司提出的双滚道用双头感应器解决了这一问题,图6是其示意图。国内多家公司也应用了此项技术。6双周波合成电源德国ELDEC公司的同步双频(SDF)技术用于齿轮仿齿廓淬火早已为业内人士所知,现在各大公司均在发展此技术。日本电气兴业公司也已开发此技术,并有500kW,200kHz和400kHz两种周波合成的淬火设备。此电源的响应时间为0.05s,而加热时间可缩短至0.5s。双周波合成电源的波形示于图7。转向齿条采用双频组合扫描淬火是同步双频电源的应用实例之一。这种双轴立式淬火回火机采用了双频组合扫描方法,齿条部分可获得较深(3～5mm)的淬硬层,螺纹部分为中等深度(2～3mm)淬硬层,而杆部淬硬层则较浅(1～2mm),从而可以减小齿条的畸变。这种设备有250kW/8kHz及200kW/200kHz两种电源,工作周期仅50s/2件。7最低电流频率的确定俄罗斯高频电流科学研究院长期在进行大齿轮单齿感应淬火技术的研发工作,实践中总结出了许多齿轮淬火的选频与操作经验。其选频理论是电源频率的选取应使电流热透入深度小于齿顶宽的1/2,这样电流才不会产生抵消作用。据此提出了不同模数齿轮应选用的最低电流频率,见表1。表中Δ热为电流在该频率f时的热透入深度;m′临界为按齿顶宽度计算的临界模数;D等效为齿轮透热的等效深度。从表1可见,2.4kHz频率是适用于m24模数齿轮的最低频率,1760kHz频率是适用于m1模数齿轮的最低频率。此外,从实践中得出,模数m12以下的齿轮,可用邻齿冷却技术进行淬硬,而传统的淬火却是喷液器直接装在感应器下面。这种方法可减小齿槽的淬裂倾向。邻齿冷却淬火见图8。8应力热处理定额的作用最近,GB/T10201热处理合理用电导则已对感应加热部分提出如表2所列的电耗定额。这个定额是指导性的,它与过去不管大件小件都笼统地将感应淬火件按工件全部质量来计算的不合理方法不同,是以加热层质量来考核电耗量,是一种进步,有利于推动节能工艺的开展,并且对合理选频、感应器效率、变压器效率、母排效率、淬火机的负载率与变频器效率等,均有推