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詳談*的感應淬火技術
閱讀：2452 發布時間：2012-2-161、電源
國外IGBT、MOSFET和SIT全固態晶體管電源技術逐步成熟，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多采用并聯振蕩電路，SIT多采用串聯諧振電路，功率高達1000 kW、頻率200kHz和400kW、400kHz。它們都是電子管式高頻電源的理想替代產品。當輸出功率與電子管電源相同時，節電35%～40%，節省安裝面積50%，節約冷卻水40%～50%。隨著科技的進步，在高頻感應淬火領域，MOSFET有望取代SIT。
2、淬火機床 感應淬火機床更加趨向自動化，CNC控制逐漸增多，自動分檢零件與自動識別進機零件功能的機床增多。
(1)通用淬火機床
通用淬火機床朝柔性化方向發展，一臺淬火機床可以對不同性能要求的不同零件感應加熱淬火。德國研制的一種曲軸淬火機床，法蘭件感應淬火柔性加工系統略加調整能處理不同尺寸的相似工件;對于軸類零件在一定直徑范圍內(如30mm)與長度300～800 mm范圍內，對于相似淬火要求的軸類零件，淬火機能自動編制14種程序，自動識別進機零件;Robotron.Eiothermzui近推出了雙主軸立式淬火機，在一個緊湊的工藝單元內進行工件的淬火與回火，能處理輪軸、三槽套及其他萬向節件，轉換工件只需2～5min，用計算機編程，根據工件號在2 min內就可調出有關工藝數據;一汽引進的GH公司數控淬火設備通用性強、自動化程度，在復雜零件上可實現多段變功變速，編程容易、操作方便。圖1是GH公司的數控淬火機床。
(2)淬火機床
淬火機床更加化，采用機械手上下零件，加熱、淬火、回火、校直、檢查*自動進行。*的計算機控制技術可以監控并屏幕顯示淬火過程和工藝參數，跟蹤全部操作過程，如發現故障或工藝參數偏離給定值，便自動修正或自動列出不合格零件，使控制系統暫停工作并報警，同時屏幕上顯示故障性質和所要修正的動作。更*的控制系統還適應材料化學成分的波動，并自動調整比功率或加熱時間，以保證感應淬火零件的質量。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床，上尾廠可同時淬三根半軸，群馬廠可同時淬兩根半軸，機床實際上是感應熱處理生產線，全過程除校直、熒光探傷檢查需一名工人外，其余全部自動進行。
(3)機器人的應用
日本高周波熱煉株式會社制造的一臺立式通用淬火機床上配置一臺機器人，機器人將一個二匝的感應器進行依次平面掃描，使一塊塑料板變色，雖然使用電源功率只3 kW，但也可以看出機器人在感應熱處理中的應用趨勢。
(4)機電一體化
將電源、淬火機床、冷卻系統組成成套裝置，具有占地面積小、生產效率高、一次安裝調試容易等優點。國外zui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)靜止式曲軸感應淬火
采用靜止式曲軸感應淬火新技術的zui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用，表現出了良好的市場前景。其特點是:加熱時間短，一般僅為1.5～4s，傳統工藝是7～12s;電效率高、成本低;感應器與工件之間允許有較大間隙，調整方便;操作簡單、重復性好、易于維護;占地面積小，僅為原來的20%左右。
(2)低淬透性鋼齒輪淬火
現在俄羅斯許多汽車工廠廣泛采用低淬透性鋼進行整體感應加熱表面淬火，已大量應用于汽車、拖拉機后橋齒輪、挖掘機齒輪、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，取得了較大的經濟效益。
(3)雙頻感應加熱淬火
國外雙頻淬火主要用于齒輪。20世紀90年代，美國用10kHz中頻和150kHz高頻電源，先讓齒輪在中頻感應器中加熱，然后迅速降到高頻感應器中加熱，zui后落入油中淬火。進入21世紀，此工藝又有新進展，如GH公司采用電力電子開關轉換頻率，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量。
我國汽車工業應用感應熱處理技術現狀
1、電源
電源是感應加熱的關鍵設備之一，隨著感應加熱技術的發展，經歷了機械式中頻發電機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展階段。在20世紀80年代后期，在工業發達國家，晶閘管中頻電源已*取代了中頻發電機組，我國自90年代中期也已逐步取代。
同機械式中頻發電機組相比，晶閘管(SCR)中頻電源具有以下優點: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90%以上;無機械運動、噪音小、運行可靠、負載匹配容易，可以根據負載情況確定電源的頻率;啟動停止方便，頻率能自動跟蹤以保持*運行狀態;產品設計簡單、制造周期短;安裝容易，不需要特殊的基礎;維修方便等。
我國的晶閘管中頻電源的共同特點是全集成化控制線路數字化程度高于90%、啟動成功率幾乎達到100% 、除具有常規的水壓不足、快熔熔斷、過流、過壓等保護功能外，還具有限流、限壓等保護功能、功能較齊全的晶閘管電源還配置逆變失敗、水溫監視等可選功能，其頻率zui高可以作到8kHz，額定功率可以作到1000kW左右，如果在裝配工藝上再進一步改進的話，可以接近*水平。
隨著技術的進步，跟蹤80年代感應加熱技術水平，我國于90年代中期開發出*臺電效率較高的50kW/50kHz IGBT電流型超音頻感應加熱電源(圖2)。目前可做到頻率0.4～50kHz、zui大功率可達到800 kW，頻率達到100kHz時功率達到100 kW 。
圖2 IGBT電流型超音頻感應加熱電源
IGBT應用同期，我國還成功研制出20 kW/300kHz MOSFET高頻電源，縮小了同*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在感應淬火中應用。
2、淬火工藝
隨著汽車工業的迅速發展，我國采用感應淬火的零件的種類和品種不斷增加。目前我國汽車零件感應淬火用材料包括:45#、40Cr、55MnVS、40MnB、42CrMo、35#、ZG45、球鐵、合金鑄鐵等。感應加熱淬火介質包括:水、*、聚迷水溶性淬火介質、UCON、豪富頓251等。所采用的加熱方式及應用主要包括:橫向磁場靜止一次加熱淬火(銷軸類零件、凸輪軸);橫向磁場連續加熱淬火(減振器桿、變速叉軸、扭桿等);橫向磁場多段連續加熱淬火(起動機軸、空壓機軸等);縱向磁場整體一次加熱淬火(半軸等);仿形感應器零件旋轉加熱淬火(球頭銷);感應接觸加熱淬火(轉向齒條);內孔的一次及連續加熱淬火(輸出法蘭、鐘型殼內腔);階梯軸類零件的旋轉加熱淬火(小紅旗后輪轂軸、轉向節);平面類零件的一次及連續加熱淬火(鋼板彈簧橫向限位板);薄壁類復雜零件一次及連續加熱淬火(前輪轂、滑動軸叉);復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);復雜回線工件旋轉一次加熱淬火(曲軸)等。
3、淬火機床
為了適應多品種的批量生產，在汽車生產應用中，我國引進的感應淬火機床種類由傳統的設備逐步向柔性化程度較高的通用設備和淬火自動生產線發展。
通用淬火機床方面，一汽技術中心開發的臥式數控淬火機床(圖3)主驅動采用交流伺服電機拖動，移動速度穩定均勻、定位準確、重復精度高;零件旋轉采用變頻調速，能適應多方面工藝要求;采用能量和數控技術對不同性能要求的不同零件感應加熱淬火，甚至在同一零件上實現多段變功變速，編程容易可操作性強。
圖3 通用數控淬火機床
淬火機床方面，二汽和天舒機電科技有限公司經過多年努力，攻克一個個難關，采用功率脈沖分配技術、尾座自由*技術、薄型淬火變壓器技術、獨立懸掛技術、懸掛平衡技術等分別研制成功曲軸全自動淬火機床(圖4)，與電源、水冷系統組成成套淬火設備可對車用內燃機曲軸進行各軸徑的圓角+軸徑淬火、軸徑淬火自回火，采用計算機控制，通過顯示屏對設備的加熱、淬火工藝參數諸如電壓、電流、頻率、時間、壓力、流量溫度等進行監控和顯示，目前國內多家采用。
圖4 工作中的全自動曲軸淬火機床
這些機床在傳動系統方面主要采用機械傳動，代表現代機械傳動技術的滾珠絲杠和直線導軌等*技術被廣泛采用;主驅動采用伺服數控、變頻調速，移動速度穩定均勻;拖架定位準確，重復精度高;工件旋轉采用變頻調速取代固定轉速，能適應多方面工藝要求;上下料系統采用較*的步進鏈傳動、托盤送進料、人工送取料。另外，在一條生產線中，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線上自動完成，減少了重復上下工件的工序，降低了勞動強度，提高了生產效率。
4、其他器件及冷卻系統
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進步，使淬火技術和工藝水平不斷提高。
對于冷卻和淬火水循環裝置，在消化理解感應加熱成套設備用水冷系統技術基礎上，我國自行研制成功適合我國國情的新型、、價廉的軟水冷卻機和水-水冷卻機，換熱效率高，大大提高了加熱設備的可靠性，延長了設備的使用壽命。
認清差距，開拓進取
雖然近年來我國感應淬火技術得到了迅速發展，但與工業發達國家相比，還有相當大的差距。
MOSFET高頻電源是工業發達國家的產品，而我國在高頻段仍以晶閘管交流調壓、高壓硅堆整流、節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用還不夠普及;近些年來雖然晶閘管中頻電源應用較為普遍，但由于老企業改造步伐的限制，還有部分中頻停留在發電機組。
必須指出，雖然我國能夠生產MOSFET、 IGBT和SIT感應加熱淬火用電源，但品種和規格沒有國外那么多、那么細，由于關鍵主要電力電子器件國內還不能生產，必須進口， 所以從性能和技術水平方面和國外相比仍有相當大的差距。
總體來說，和工業發達國家相比，我國的數控及全自動淬火機床開發屬起步階段。在自動化水平上，國內設備大部分是人工上下料，自動化程度較低;能量監控雖有應用但技術還不夠成熟;FUNAC、SIMENS伺服系統有所應用，但多為點位直線運動，屬簡易型，多軸連動類型的數控系統尚未得到應用。另外，計算機控制技術在感應加熱淬火中應用遠不如國外那樣成熟，例如自動識別進機零件、不合格零件自動剔除;工藝參數跟蹤及偏離給定值修正等。在感應器制造技術、感應器快換、導磁體材料與利用、冷卻水循環系統、淬火介質研究與應用等方面也有相當大的差距。
鑒于這些差距，我國應積極行動，建立嚴格的引進消化政策，避免重復引進，限期淘汰耗能嚴重的電源，集中力量開發短缺部件，提高淬火機床配套質量等，使感應加熱技術迅速趕上*水平。