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美國先進的無旋式曲軸感應淬火和回火技術

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介紹一種曲軸感應熱處理的新工藝,該工藝不同于常規的工藝,曲軸不旋轉。與傳統的感應淬火設備的操作相比較,本文概述了該項新靜態方法的技術優點, 即節約成本和空間。

曲軸廣泛應用于內燃機、泵、壓縮機等,并且屬于最關鍵的那一類部件,特別是對于質量在15~40kg之間的發動機。同時,對于有些曲軸的質量超過700kg的曲軸(用于造船工業或火力發電的固定發動機的曲軸)而言同樣如此。

一個發動機曲軸, 特別是鑄造件或鍛造件,包括由曲臂/平衡塊相互連接的一系列曲柄銷和主軸頸。鋼質鍛件、球墨鑄鐵件、微合金鍛件和奧貝球墨鑄鐵件都是最常用的曲軸材料。曲軸最重要的一些要求是:高強度和高彈性、良好的抗疲勞和抗磨損性能、剛度好、重量輕、低噪音和扭轉振動小(NVH 特性)、幾何精度高、長度短、低速扭轉時高承載能力和低成本。在曲軸制造質量中,熱處理起了很重要的作用。

曲軸旋轉的常規技術

現有的大多數曲軸感應淬火設備都要求曲軸在加熱過程中旋轉。當曲軸繞主軸線旋轉時每個曲柄銷和主軸頸通過一個靠近該曲柄銷和主軸頸表面的U型感應器來進行加熱。因為曲柄銷軸線在主軸線半徑方向,所以曲柄銷將環繞主軸線運行。曲軸的旋轉速度一般在24~32r/min之間變化。因此,U 型感應器以及感應淬火設備的一些其他相當笨重的部件(包括供電輸出變

壓器、水冷線圈、匯流線圈、電纜等等),其重量通常超過900kg,必須與連桿軸頸的軌道一起移動。該重型系統的圓形軌道運動必須保持非常精確。所有這些因素導致了常規感應淬火設備的設計相當復雜、敏感、笨重、噪音大并且費用高昂。

設備的可維護性、可靠性和硬化模式的可重復性也是常規技術用戶所關心的問題。特別是線圈的使用壽命短一直是個難題。而通?!癠”形線圈的使用壽命不到2~ 3個星期。在使用現有的旋轉式曲軸淬火技術時,導致線圈的使用壽命短有幾個因素:

(1)常規技術要求線圈和熱處理工件的表面之間的空隙非常小(有時小于0.5mm)。狹小的空隙,相對較長的加熱時間(7~12s),曲軸表面的溫度(950℃以上)以及潮濕的工作環境都為銅質線圈件的應力腐蝕提供了有利的條件。

(2)銅焊線圈復雜的幾何形狀具有眾多接頭,再加上大量的熱量以及電磁力的存在為應力疲勞、線圈失效和裂縫擴展提供了有利的條件,特別是在感應線圈熱量聚集的銅焊接頭部位。

(3)由于狹小的空隙,線圈經常與旋轉曲軸的表面發生意外碰撞(線圈“坐”在曲軸軸頸上),因而線圈的損壞(線圈的過度使用)經常造成線圈的過早失效。這種現象的發生是由于硬質合金導向器(定位器)的磨損無法控制,或在其他方面,如無接觸線圈位置跟蹤系統出錯。

新穎的曲軸靜態淬火工藝

為了避免以上所述的缺點并且解決用戶所關心的曲軸旋轉的常規淬火工藝的其它問題,美國密安州Madison Height市的Inductoheat公司提出了一種新型無旋式技術。

該曲軸靜態淬火工藝無需在加熱和淬火周期內旋轉或移動感應器或曲軸,同時,在使用環狀夾緊型線圈時無需大電流接觸。**臺機器已制造出并用于一家世界領先的汽車制造廠家,并且第二臺也接近完工階段。

無旋式硬化系統的優點立刻被用戶的材料專家、制造工程師和質量專家所認可。系統其中的一些特性描述如下。

無需曲軸旋轉的靜態加熱方法具有幾個實際的益處,諸如操作簡單、可靠性高、可維護性、緊湊性(僅占常規工藝要求的占地面積的20%)以及成本降低。根據用戶的要求,曲軸可垂直或水平地進行操作和熱處理。

外形尺寸變形的減小歷來就是曲軸熱處理中最關鍵的因素之一,因為它直接影響到磨削去除的金屬量。影響曲軸變形有幾個因素包括有材料性能、硬度分布、殘余應力等。其中最重要的一個因素就是在曲軸內部(包括主軸頸、曲柄銷和平衡塊)產生的總熱量。被加熱金屬的量越大,金屬膨脹越大,從而導致變形越大。

曲軸靜態淬火工藝技術顯著的優點之一就是加熱時間短,一般在1.5~4s之間(相比較常規工藝的7~12s)。由于加熱時間短,僅有很少量的金屬被加熱。其熱影響區的極小化導致金屬膨脹的最小化,從而顯著減小了尺寸和外形的變化(一般變形小于0.025mm),因而磨削的要求也就得以降低。

由于加熱時間短,減少了曲柄銷和主軸頸表面的晶粒生長、脫碳和氧化,提高了硬化區的冶金性能。該硬化區已明確定義,并且“邊界清晰”,不會因加熱時間較長而出現“模糊過渡區”。該區由帶有極少量殘余奧氏體的細晶粒馬氏體微觀組織構成,無任何自由鐵素體在常規工藝中,當用戶研究硬度分布時經常會觀察到臨界數量的自由鐵素體。它在曲柄銷和主軸頸表面上的存在對曲柄銷和主軸頸的耐磨性和其他一些重要特性造成危害。

加熱時間短也能產生通常所稱的“感應超高速硬化”現象,此時硬度比給定鋼號的正常**硬度提高2~4HRC。這就允許用戶使用更低的鋼號(更低的碳含量)而不會失去預期的表面硬度以及產品的硬度分布。

考慮電磁方面,曲軸的任何加熱部位(主軸頸、曲柄銷、油封)將曲軸靜態淬火工藝感應器視為環狀封閉型線圈,感應渦流沿著熱處理部位(有一普通渦流環)的周圍流動。另一方面,當使用常規的U形感應線圈設計方法時,熱源局限于局部的渦流本身,從而導致線圈功效的降低,特別是在居里溫度之上時。因此曲軸靜態硬化工藝線圈的電效率高于U形線圈。另外,同常規技術相比,曲軸靜態硬化工藝線圈對工件和線圈之間的空隙變化的敏感性會大大降低,并允許在線圈和軸頸表面之間有更大的空隙。

曲軸的加熱部位(主軸頸、曲柄銷、油封)將曲軸靜態淬火工藝感應器視為傳統的環狀圓柱形線圈。因而,產生對稱加熱并且硬度分布更加均勻。相反,當使用U 形線圈時,無對稱加熱模式, 并且在任何給定時間里,僅加熱曲軸部位(即:主軸頸或曲柄銷)的一半。曲柄銷和主軸頸的另一半采用“浸濕冷卻”模式。U形感應器的無對稱加熱性能會導致硬度分布不均勻并且還可能造成該加熱工件的橢圓變形。

既然采用曲軸靜態淬火工藝的加熱時間只是常規工藝的三到四分之一,當使用新技術時,線圈的熱效率也將增強(輻射和對流損失減少)。曲軸靜態淬火工藝技術對于曲柄銷和主軸頸的相鄰物體(曲臂和平衡塊)的不規則外形不是很敏感。線圈設計結合了大量的新型電磁解決方案,從而使得該技術實際上對相鄰物體的差異不再敏感。

靜態曲軸硬化工藝的控制能力相當出色。除了可以改變熱處理軸頸寬度方向的硬度分布外,還可以改變曲柄銷和主軸頸周圍的硬度分布。這種良好的控制能力也可用來防止局部的加熱不足或者過熱。例如:油孔區域通常被認為是“麻煩區”。油孔以表面為基準經常轉變角度(油孔),因而一邊的金屬質量相對于另一邊減少了。由于質量的減少,在該區域應存在金屬過熱的危險,結果就有可能產生裂紋甚至出現局部熔化。曲軸靜態淬火工藝采用先進的線圈設計概念顯著地降低了該區域的感應功率密度并且解決了以上問題。另外,當軸頸左右兩邊的平衡塊不一致時,可控制加熱以防止加熱模式從一邊轉到另一邊時發生改變。這種控制“軸頸徑向方向”加熱方式的能力也可應用于無對稱孔區域。

“從上至下”和“從左到右”橫截面也可控制。這包括所謂的“魚尾”形區域(或線圈的“分裂”區)。在傳統的感應系統中,由于電流抵消現象產生了電磁場的變形。作為這種“魚尾”效應的結果,可能出現軟點或硬化模式的“ 頸縮”。實際上,這就是在曲軸靜態淬火工藝技術發展階段有待解決的主要問題之一。在靜態淬火工藝中無明顯軟點或硬化模式的“ 頸縮”。此外,當使用靜態淬火工藝時,無“雙環”模式出現。事實上,一些使用硬質合金導向器(定位器)的U 形感應器有著明顯的缺點:

(1)定位器的適當調整要求特殊的組織培訓及豐富的經驗并且還存在人為誤差。

(2)在高溫時,曲柄銷/ 主軸頸表面上的硬質合金導向器將“外來夾雜”帶入軸頸表面,有時它可增加應力。不過,這個特殊因素如果使用嚴格的最終磨削方法則可以消除。

(3)必須精確地監控硬質合金的磨損及其位置,這通常是相當艱難的任務。否則,硬化模式就可能轉換或者感應線圈摩擦曲軸表面,從而降低線圈的使用壽命。

(4)每個定位器都不過是又一個可能出錯的零件,因而機器的可靠性無法保證。

為了提高線圈的電效率, 常規曲軸淬火技術必須將疊片結構放置在接近于加熱表面的位置(被加熱表面和疊片結構表面的空隙通常小于0.5mm)。熱曲軸表面的輻射和對流熱量的散逸以及內在熱量的循環(較曲軸靜態淬火工藝的熱量循環時間要長3~4倍)也縮短了這些疊片結構的使用壽命并且導致它們的過早老化?!凹訜?冷卻”循環、電磁末端效應和實際的電磁力也降低了疊片結構的使用壽命。

有了先進的靜態線圈,不再需要這些疊片結構。靜態線圈采用的是特殊的更耐用的導磁體,更難達到磁飽和,并且不會產生像常規方法使用的疊片結構那么多的熱量或電磁力。

由于感應器的電磁“閉形”,線圈功率因素非常重要,而線圈區的漏磁量(線圈外部磁場)可以忽略不計。

由于加熱時間短,曲軸的殘余熱量減小,這是曲軸靜態淬火工藝技術的另一個顯著的優點。在許多情況下,殘余熱量少帶來的優點是免去了特殊的冷卻系統,因而能節約大量的資金以及地面空間。圖5、6、7用圖解方式比較了曲軸靜態淬火工藝與使用U 形感應器的常規技術的“時間—溫度”分布情況。比較的結果通過使用專業版感應加熱軟件“ADVANCE”獲得。為便于比較,假設采用常規方法和曲軸靜態淬火工藝技術時,淬火之前的表面溫度相同。該新技術同時也是節約空間的技術。與常規工藝相比較,顯示了曲軸靜態淬火工藝感應淬火/回火系統的緊湊性。無需曲軸旋轉的靜態加熱方法在人機工程學上很具有吸引力并且存在另外一些優點,該優點影響到了曲軸感應淬火/回火工藝的其他方面。(轉自:鑄造生態圈)

附圖:自動化鐵型覆砂曲軸生產線

自動化鐵型覆砂鏟齒生產線.jpg