一種曲軸感應(yīng)熱處理的新工藝，該工藝不同于常規(guī)的工藝，曲軸不旋轉(zhuǎn)。與傳統(tǒng)的感應(yīng)淬火設(shè)備的操作相比較，本文概述了該項(xiàng)新靜態(tài)方法的技術(shù)優(yōu)點(diǎn), 即節(jié)約成本和空間。
曲軸廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)、泵、壓縮機(jī)等，并且屬于最關(guān)鍵的那一類部件，特別是對(duì)于質(zhì)量在15～40kg之間的發(fā)動(dòng)機(jī)。同時(shí)，對(duì)于有些曲軸的質(zhì)量超過700kg的曲軸(用于造船工業(yè)或火力發(fā)電的固定發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸)而言同樣如此。
一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhì)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(qiáng)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(zhuǎn)振動(dòng)小(NVH 特性)、幾何精度高、長(zhǎng)度短、低速扭轉(zhuǎn)時(shí)高承載能力和低成本。在曲軸制造質(zhì)量中，熱處理起了很重要的作用。
曲軸旋轉(zhuǎn)的常規(guī)技術(shù)
現(xiàn)有的大多數(shù)曲軸感應(yīng)淬火設(shè)備都要求曲軸在加熱過程中旋轉(zhuǎn)。當(dāng)曲軸繞主軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)每個(gè)曲柄銷和主軸頸通過一個(gè)靠近該曲柄銷和主軸頸表面的U型感應(yīng)器來進(jìn)行加熱。因?yàn)榍N軸線在主軸線半徑方向，所以曲柄銷將環(huán)繞主軸線運(yùn)行。曲軸的旋轉(zhuǎn)速度一般在24～32r/min之間變化。因此，U 型感應(yīng)器以及感應(yīng)淬火設(shè)備的一些其他相當(dāng)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(dòng)。該重型系統(tǒng)的圓形軌道運(yùn)動(dòng)必須保持非常精確。所有這些因素導(dǎo)致了常規(guī)感應(yīng)淬火設(shè)備的設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜、敏感、笨重、噪音大并且費(fèi)用高昂。
設(shè)備的可維護(hù)性、可靠性和硬化模式的可重復(fù)性也是常規(guī)技術(shù)用戶所關(guān)心的問題。特別是線圈的使用壽命短一直是個(gè)難題。而通常“U”形線圈的使用壽命不到2～ 3個(gè)星期。在使用現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)式曲軸淬火技術(shù)時(shí)，導(dǎo)致線圈的使用壽命短有幾個(gè)因素：
（1）常規(guī)技術(shù)要求線圈和熱處理工件的表面之間的空隙非常小(有時(shí)小于0.5mm)。狹小的空隙，相對(duì)較長(zhǎng)的加熱時(shí)間(7～12s)，曲軸表面的溫度(950℃以上)以及潮濕的工作環(huán)境都為銅質(zhì)線圈件的應(yīng)力腐蝕提供了有利的條件。
（2）銅焊線圈復(fù)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(yīng)力疲勞、線圈失效和裂縫擴(kuò)展提供了有利的條件，特別是在感應(yīng)線圈熱量聚集的銅焊接頭部位。
（3）由于狹小的空隙，線圈經(jīng)常與旋轉(zhuǎn)曲軸的表面發(fā)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(jīng)常造成線圈的過早失效。這種現(xiàn)象的發(fā)生是由于硬質(zhì)合金導(dǎo)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(tǒng)出錯(cuò)。
新穎的曲軸靜態(tài)淬火工藝
為了避免以上所述的缺點(diǎn)并且解決用戶所關(guān)心的曲軸旋轉(zhuǎn)的常規(guī)淬火工藝的其它問題，美國(guó)密安州Madison Height市的Inductoheat公司提出了一種新型無旋式技術(shù)。
該曲軸靜態(tài)淬火工藝無需在加熱和淬火周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)感應(yīng)器或曲軸，同時(shí)，在使用環(huán)狀?yuàn)A緊型線圈時(shí)無需大電流接觸。第一臺(tái)機(jī)器已制造出并用于一家世界領(lǐng)先的汽車制造廠家，并且第二臺(tái)也接近完工階段。
無旋式硬化系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)立刻被用戶的材料專家、制造工程師和質(zhì)量專家所認(rèn)可。系統(tǒng)其中的一些特性描述如下。
無需曲軸旋轉(zhuǎn)的靜態(tài)加熱方法具有幾個(gè)實(shí)際的益處，諸如操作簡(jiǎn)單、可靠性高、可維護(hù)性、緊湊性(僅占常規(guī)工藝要求的占地面積的20%)以及成本降低。根據(jù)用戶的要求，曲軸可垂直或水平地進(jìn)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(guān)鍵的因素之一，因?yàn)樗苯佑绊懙侥ハ魅コ慕饘倭俊Ｓ绊懬S變形有幾個(gè)因素包括有材料性能、硬度分布、殘余應(yīng)力等。其中最重要的一個(gè)因素就是在曲軸內(nèi)部(包括主軸頸、曲柄銷和平衡塊)產(chǎn)生的總熱量。被加熱金屬的量越大，金屬膨脹越大，從而導(dǎo)致變形越大。
曲軸靜態(tài)淬火工藝技術(shù)顯著的優(yōu)點(diǎn)之一就是加熱時(shí)間短，一般在1.5～4s之間(相比較常規(guī)工藝的7～12s)。由于加熱時(shí)間短，僅有很少量的金屬被加熱。其熱影響區(qū)的極小化導(dǎo)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(shí)間短，減少了曲柄銷和主軸頸表面的晶粒生長(zhǎng)、脫碳和氧化，提高了硬化區(qū)的冶金性能。該硬化區(qū)已明確定義，并且“邊界清晰”，不會(huì)因加熱時(shí)間較長(zhǎng)而出現(xiàn)“模糊過渡區(qū)”。該區(qū)由帶有極少量殘余奧氏體的細(xì)晶粒馬氏體微觀組織構(gòu)成，無任何自由鐵素體在常規(guī)工藝中，當(dāng)用戶研究硬度分布時(shí)經(jīng)常會(huì)觀察到臨界數(shù)量的自由鐵素體。它在曲柄銷和主軸頸表面上的存在對(duì)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(shí)間短也能產(chǎn)生通常所稱的“感應(yīng)超高速硬化”現(xiàn)象，此時(shí)硬度比給定鋼號(hào)的正常最大硬度提高2～4HRC。這就允許用戶使用更低的鋼號(hào)(更低的碳含量)而不會(huì)失去預(yù)期的表面硬度以及產(chǎn)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(tài)淬火工藝感應(yīng)器視為環(huán)狀封閉型線圈，感應(yīng)渦流沿著熱處理部位(有一普通渦流環(huán))的周圍流動(dòng)。另一方面，當(dāng)使用常規(guī)的U形感應(yīng)線圈設(shè)計(jì)方法時(shí)，熱源局限于局部的渦流本身，從而導(dǎo)致線圈功效的降低，特別是在居里溫度之上時(shí)。因此曲軸靜態(tài)硬化工藝線圈的電效率高于U形線圈。另外，同常規(guī)技術(shù)相比，曲軸靜態(tài)硬化工藝線圈對(duì)工件和線圈之間的空隙變化的敏感性會(huì)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(tài)淬火工藝感應(yīng)器視為傳統(tǒng)的環(huán)狀圓柱形線圈。因而，產(chǎn)生對(duì)稱加熱并且硬度分布更加均勻。相反，當(dāng)使用U 形線圈時(shí)，無對(duì)稱加熱模式, 并且在任何給定時(shí)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(yīng)器的無對(duì)稱加熱性能會(huì)導(dǎo)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(tài)淬火工藝的加熱時(shí)間只是常規(guī)工藝的三到四分之一，當(dāng)使用新技術(shù)時(shí)，線圈的熱效率也將增強(qiáng)(輻射和對(duì)流損失減少)。曲軸靜態(tài)淬火工藝技術(shù)對(duì)于曲柄銷和主軸頸的相鄰物體(曲臂和平衡塊)的不規(guī)則外形不是很敏感。線圈設(shè)計(jì)結(jié)合了大量的新型電磁解決方案，從而使得該技術(shù)實(shí)際上對(duì)相鄰物體的差異不再敏感。
靜態(tài)曲軸硬化工藝的控制能力相當(dāng)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(qū)域通常被認(rèn)為是“麻煩區(qū)”。油孔以表面為基準(zhǔn)經(jīng)常轉(zhuǎn)變角度(油孔)，因而一邊的金屬質(zhì)量相對(duì)于另一邊減少了。由于質(zhì)量的減少，在該區(qū)域應(yīng)存在金屬過熱的危險(xiǎn)，結(jié)果就有可能產(chǎn)生裂紋甚至出現(xiàn)局部熔化。曲軸靜態(tài)淬火工藝采用先進(jìn)的線圈設(shè)計(jì)概念顯著地降低了該區(qū)域的感應(yīng)功率密度并且解決了以上問題。另外，當(dāng)軸頸左右兩邊的平衡塊不一致時(shí)，可控制加熱以防止加熱模式從一邊轉(zhuǎn)到另一邊時(shí)發(fā)生改變。這種控制“軸頸徑向方向”加熱方式的能力也可應(yīng)用于無對(duì)稱孔區(qū)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(qū)域(或線圈的“分裂”區(qū))。在傳統(tǒng)的感應(yīng)系統(tǒng)中，由于電流抵消現(xiàn)象產(chǎn)生了電磁場(chǎng)的變形。作為這種“魚尾”效應(yīng)的結(jié)果，可能出現(xiàn)軟點(diǎn)或硬化模式的“ 頸縮”。實(shí)際上，這就是在曲軸靜態(tài)淬火工藝技術(shù)發(fā)展階段有待解決的主要問題之一。在靜態(tài)淬火工藝中無明顯軟點(diǎn)或硬化模式的“ 頸縮”。此外，當(dāng)使用靜態(tài)淬火工藝時(shí)，無“雙環(huán)”模式出現(xiàn)。事實(shí)上，一些使用硬質(zhì)合金導(dǎo)向器(定位器)的U 形感應(yīng)器有著明顯的缺點(diǎn)：
(1)定位器的適當(dāng)調(diào)整要求特殊的組織培訓(xùn)及豐富的經(jīng)驗(yàn)并且還存在人為誤差。
(2)在高溫時(shí)，曲柄銷/ 主軸頸表面上的硬質(zhì)合金導(dǎo)向器將“外來夾雜”帶入軸頸表面，有時(shí)它可增加應(yīng)力。不過，這個(gè)特殊因素如果使用嚴(yán)格的最終磨削方法則可以消除。
(3)必須精確地監(jiān)控硬質(zhì)合金的磨損及其位置，這通常是相當(dāng)艱難的任務(wù)。否則，硬化模式就可能轉(zhuǎn)換或者感應(yīng)線圈摩擦曲軸表面，從而降低線圈的使用壽命。
(4)每個(gè)定位器都不過是又一個(gè)可能出錯(cuò)的零件，因而機(jī)器的可靠性無法保證。
為了提高線圈的電效率, 常規(guī)曲軸淬火技術(shù)必須將疊片結(jié)構(gòu)放置在接近于加熱表面的位置(被加熱表面和疊片結(jié)構(gòu)表面的空隙通常小于0.5mm)。熱曲軸表面的輻射和對(duì)流熱量的散逸以及內(nèi)在熱量的循環(huán)(較曲軸靜態(tài)淬火工藝的熱量循環(huán)時(shí)間要長(zhǎng)3～4倍)也縮短了這些疊片結(jié)構(gòu)的使用壽命并且導(dǎo)致它們的過早老化。“加熱-冷卻”循環(huán)、電磁末端效應(yīng)和實(shí)際的電磁力也降低了疊片結(jié)構(gòu)的使用壽命。
有了先進(jìn)的靜態(tài)線圈，不再需要這些疊片結(jié)構(gòu)。靜態(tài)線圈采用的是特殊的更耐用的導(dǎo)磁體，更難達(dá)到磁飽和，并且不會(huì)產(chǎn)生像常規(guī)方法使用的疊片結(jié)構(gòu)那么多的熱量或電磁力。
由于感應(yīng)器的電磁“閉形”，線圈功率因素非常重要，而線圈區(qū)的漏磁量(線圈外部磁場(chǎng))可以忽略不計(jì)。
由于加熱時(shí)間短，曲軸的殘余熱量減小，這是曲軸靜態(tài)淬火工藝技術(shù)的另一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)。在許多情況下，殘余熱量少帶來的優(yōu)點(diǎn)是免去了特殊的冷卻系統(tǒng)，因而能節(jié)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(tài)淬火工藝與使用U 形感應(yīng)器的常規(guī)技術(shù)的“時(shí)間—溫度”分布情況。比較的結(jié)果通過使用專業(yè)版感應(yīng)加熱軟件“ADVANCE”獲得。為便于比較，假設(shè)采用常規(guī)方法和曲軸靜態(tài)淬火工藝技術(shù)時(shí)，淬火之前的表面溫度相同。該新技術(shù)同時(shí)也是節(jié)約空間的技術(shù)。與常規(guī)工藝相比較，顯示了曲軸靜態(tài)淬火工藝感應(yīng)淬火/回火系統(tǒng)的緊湊性。無需曲軸旋轉(zhuǎn)的靜態(tài)加熱方法在人機(jī)工程學(xué)上很具有吸引力并且存在另外一些優(yōu)點(diǎn)，該優(yōu)點(diǎn)影響到了曲軸感應(yīng)淬火/回火工藝的其他方面。
| |
|
? 請(qǐng)關(guān)注 微信公眾號(hào): steeltuber. 轉(zhuǎn)載請(qǐng)保留鏈接: http://www.bviltd.cn/Steel-Knowledge/Advanced-non-rotating-crankshaft-induction-quenching-and-tempering-technology.html
|