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EFD轎車等角速萬(wàn)向節(jié)典型零件淬火機(jī)床技術(shù)

2018-03-13

陳鍵
【易孚迪感應(yīng)設(shè)備（上海）有限公司廣州分公司】

　　現(xiàn)代轎車多采取發(fā)動(dòng)機(jī)前置、前輪驅(qū)動(dòng)的總體布置形式，前輪既是轉(zhuǎn)向輪又是驅(qū)動(dòng)輪。作為轉(zhuǎn)向輪，要求它能在Z大轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)任意轉(zhuǎn)動(dòng)某一角度；作為驅(qū)動(dòng)輪，則要求驅(qū)動(dòng)軸在車輪偏轉(zhuǎn)以及車輪相對(duì)于主減速器上下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，不間斷地把動(dòng)力從主減速器傳到驅(qū)動(dòng)車輪上。因此，其驅(qū)動(dòng)軸不能制成整體而要分段，并且要用萬(wàn)向節(jié)連接，以適應(yīng)行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)軸各段交角變化的需要。為保證驅(qū)動(dòng)軸兩端角速度變化均勻，其萬(wàn)向節(jié)必須能實(shí)現(xiàn)等速傳動(dòng)，即等角速萬(wàn)向節(jié)（CVJ）。由于現(xiàn)代轎車的前輪大都采用獨(dú)立懸架，則靠近差速器處和靠近車輪處均需有等角速萬(wàn)向節(jié)，其功能是將發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)變速器傳出來(lái)的扭矩均勻地傳給驅(qū)動(dòng)輪，同時(shí)還要滿足由于車輪跳動(dòng)而引起的軸向伸縮和轉(zhuǎn)向要求。

　　一、感應(yīng)加熱表面淬火的特點(diǎn)
　　現(xiàn)在世界上通用的辦法就是對(duì)等角速萬(wàn)向節(jié)的核心工件進(jìn)行表面淬火，此類工件在受扭轉(zhuǎn)和彎曲等交變負(fù)荷、沖擊負(fù)荷的作用下，表面層承受著比心部更高的應(yīng)力。在受摩擦的場(chǎng)合，表面層還不斷地被磨損，因此對(duì)表面層提出高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性和高疲勞極限等要求，只有表面強(qiáng)化才能滿足上述要求。由于表面淬火具有變形小、生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，因此在生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛。

　　等角速萬(wàn)向節(jié)淬火工藝主要分為感應(yīng)加熱表面淬火與滲碳滲氮表面淬火。感應(yīng)加熱表面淬火與滲碳滲氮表面淬火比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

　?。?）熱源在工件表層，加熱速度快，熱效率高。
　?。?）感應(yīng)淬火工藝減小淬火變形，工件因不是整體加熱，變形小。
　?。?）工件加熱時(shí)間短，表面氧化脫碳量少。
　?。?）工件表面硬度高，缺口敏感性小，沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度以及耐磨性等均有很大提高。有利于發(fā)揮材料的潛力，節(jié)約材料消耗，提高零件使用壽命。
　　（5）工藝重現(xiàn)性好，即重復(fù)性好，一致性高。
　　（6）容易實(shí)現(xiàn)局部淬火（對(duì)大零件也一樣）。
　　（7）設(shè)備緊湊，使用方便，勞動(dòng)條件好。
　?。?）便于機(jī)械化和自動(dòng)化。

　　感應(yīng)加熱的過(guò)程分為三部：工頻電流轉(zhuǎn)為交變的電流→交變的電流產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)→交變磁場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生渦流達(dá)到加熱的效果。

　　二、國(guó)內(nèi)外感應(yīng)淬火機(jī)床概況
　　結(jié)合等角速萬(wàn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)討論一下當(dāng)今國(guó)內(nèi)外感應(yīng)淬火機(jī)床的概況。常用的轎車等角速萬(wàn)向節(jié)分別為：
　?、偾蚧\式，即RF型，用在車輪一側(cè)，有等速作用，無(wú)軸向滑動(dòng)。
　?、谕彩?，即VL型，用在變速器差速器一側(cè)，既有等速作用又能軸向滑動(dòng)。

　　前輪驅(qū)動(dòng)用的等角速萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)軸亦稱傳動(dòng)軸（廣義上），位于驅(qū)動(dòng)橋差速器和前輪之間，如圖1所示。扭矩經(jīng)差速器的內(nèi)半軸、VL等角速萬(wàn)向節(jié)、中半軸、RF等角速萬(wàn)向節(jié)、前輪轂傳至驅(qū)動(dòng)輪（注：狹義上中半軸亦稱中間軸或者傳動(dòng)軸）。

圖1 廣義的傳動(dòng)軸

　　1.長(zhǎng)軸和短軸淬火機(jī)床
　　中半軸按照外形劃分，可分為長(zhǎng)軸和短軸。在等角速萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)軸中，長(zhǎng)軸和短軸是一一配對(duì)的。長(zhǎng)軸800～1000mm，短軸400～500mm。

　　感應(yīng)淬火方式上，長(zhǎng)軸比較合適掃描式淬火，短軸可以掃描式淬火，如短軸節(jié)拍要求非常高，可以選擇一次性淬火的方案。掃描式淬火的特點(diǎn)是，機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，中頻發(fā)生器功率要求不高，節(jié)拍中等，設(shè)備投入成本低，運(yùn)行成本低，需操作者連續(xù)工作配合機(jī)床上下料，在使用過(guò)程中品種切換方便。

　　短軸一次性淬火機(jī)床特點(diǎn)是機(jī)床設(shè)計(jì)復(fù)雜，機(jī)械化程度非常高，中頻發(fā)生器功率大，淬火液水箱及冷卻水要求也相應(yīng)提高，短軸一次性淬火生產(chǎn)比掃描式的節(jié)拍可以提高3倍左右，但設(shè)備的造價(jià)也會(huì)提高3倍。換言之，一次性淬火機(jī)床的初期投入比較大，使用后在單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的成本較低，適合大型企業(yè)穩(wěn)定的大批量生產(chǎn)時(shí)使用，暫時(shí)還不適合國(guó)內(nèi)中半軸生產(chǎn)廠家使用，一則是因?yàn)樵O(shè)備的前期投入大，還有很重要的原因是感應(yīng)器成本高，設(shè)備柔性低。

　　2.中空軸和實(shí)軸淬火機(jī)床
　　中半軸按設(shè)計(jì)形式，可分為中空軸和實(shí)軸?，F(xiàn)在常用的是實(shí)軸，如圖2c所示，但將來(lái)汽車的發(fā)展是減低重量、降低制造和運(yùn)行成本，圖2a、2b中空軸如下圖第二組會(huì)成為主流。

　　實(shí)軸的淬火工藝國(guó)內(nèi)較為成熟，主要是軸體及花鍵部位淬火，淬硬層一般3～6mm，感應(yīng)加熱中頻電源選擇在200～300kW，頻率在10kHz左右。加熱工程中，由于軸的各部位尺寸會(huì)發(fā)生變化，因此機(jī)床會(huì)根據(jù)程序的指令調(diào)整中頻發(fā)生器的輸出功率和掃描速度，中頻發(fā)生器輸出的頻率則無(wú)法在加熱過(guò)程中改變，而是由工件和發(fā)生器的匹配情況決定。

　　中空軸的整根軸是由空心的管加工而成，或者由焊管焊接在兩端的花鍵上，這樣一來(lái)制造成本降低50%以上，現(xiàn)在還不是太普遍，只在德國(guó)及日本某些供應(yīng)商處有生產(chǎn)。中空部分的淬火工藝有淬透和不淬透之分，如圖2a工件的中空部分由于比較薄，若工藝要是中間部分不淬透，則意味著工件表面要流經(jīng)非常高頻率的電流，同時(shí)意味著機(jī)床的中頻發(fā)生器需要在掃描過(guò)程中可以切換輸出兩個(gè)頻率段的感應(yīng)電流，此類工藝還在摸索階段，有待更多的實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證。中空軸的淬火工藝國(guó)內(nèi)還處在摸索和學(xué)習(xí)階段，雖然將來(lái)會(huì)是趨勢(shì)，但是考慮到工藝等因素未成熟，短時(shí)間內(nèi)估計(jì)無(wú)法生產(chǎn)。

圖2

　　3.半自動(dòng)機(jī)床和全自動(dòng)機(jī)床
　　從自動(dòng)化程度上，機(jī)床分為半自動(dòng)機(jī)床和全自動(dòng)機(jī)床。半自動(dòng)機(jī)床由工人將工件上下料，按下啟動(dòng)鍵發(fā)出指令通知機(jī)床就位，機(jī)床的控制系統(tǒng)收到信號(hào)后關(guān)閉安全門(mén)，自動(dòng)完成淬火，噴淋，開(kāi)啟安全門(mén)，等待下一次的指令。這種半自動(dòng)機(jī)床方式由于造價(jià)較低，人員操作強(qiáng)度中等，整體運(yùn)行費(fèi)用低，為行業(yè)所接受。

　　全自動(dòng)機(jī)床則在半自動(dòng)機(jī)床的基礎(chǔ)上加入傳送帶裝置以完成工件的傳輸和上下料機(jī)構(gòu)以完成工件的就位，上下料機(jī)構(gòu)分為機(jī)器人（Robot），機(jī)械卡抓這兩種。機(jī)器人適合大型工件或高復(fù)雜性高節(jié)拍要求的應(yīng)用，成本較高，機(jī)械卡抓適合中小型工件和低節(jié)拍要求，這兩者并沒(méi)有特別大的區(qū)別，主要應(yīng)用中國(guó)外頂級(jí)的汽車零部件制造廠家，由于國(guó)外的人工成本較高和對(duì)品質(zhì)的穩(wěn)定性要求極高，基本上是采用自動(dòng)化生產(chǎn)線。其特點(diǎn)是次投資大，對(duì)維修人員的要求高，基本上不需要普通的操作工，運(yùn)行成本偏低。但同時(shí)需要有充足的備件和快速的恢復(fù)能力，否則自動(dòng)化生產(chǎn)線停機(jī)造成的產(chǎn)能損失將遠(yuǎn)大于半自動(dòng)生產(chǎn)線。

　　4.液壓和全機(jī)械式
　　按照淬火設(shè)備的傳動(dòng)型式劃分，有液壓和全機(jī)械式兩種。液壓式有被淘汰之趨勢(shì)。全機(jī)械式采用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)通過(guò)滾珠絲杠傳動(dòng)、T型絲杠或直線移動(dòng)導(dǎo)軌等，移動(dòng)速度均勻、精確，易實(shí)現(xiàn)變速移動(dòng)。方便實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的加工過(guò)程和快速的生產(chǎn)節(jié)拍。

　　5.中頻加熱機(jī)床
　　由于中半軸在加熱過(guò)程中，工件在前工序冷加工時(shí)殘留的內(nèi)部應(yīng)力會(huì)被釋放，這些無(wú)規(guī)則的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致工件在X、Y、Z三個(gè)方向產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的變形，這就對(duì)中頻加熱機(jī)床提出了新的要求。國(guó)產(chǎn)設(shè)備采用的對(duì)應(yīng)措施是將輸出感應(yīng)器跟工件的距離加大，留出余量給工件可能產(chǎn)生的變形，這就犧牲了中頻發(fā)生器的效率，由于輸出感應(yīng)器跟工件的距離直接影響著加熱的效果，距離加大意味著需要更多的能量輸出和更長(zhǎng)的加熱時(shí)間才能達(dá)到預(yù)期的加熱效果，因此這種方式有被淘汰的趨勢(shì)。

　　國(guó)外設(shè)備采取的對(duì)應(yīng)措施是增加了工件防變形裝置，在工件產(chǎn)生變形的初期對(duì)工件進(jìn)行一個(gè)糾正和預(yù)防，同時(shí)感應(yīng)器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的自動(dòng)跟蹤，保證在感應(yīng)器跟工件在Z合理的距離內(nèi)緊密接觸，又不至于讓變形的工件碰上了感應(yīng)器導(dǎo)致設(shè)備故障。這種防變形裝置適用于絕大多數(shù)的單根中半軸加熱，大多數(shù)的兩根中半軸同時(shí)加熱，少數(shù)的三根軸同時(shí)加熱。單軸加熱時(shí)防變形與跟蹤裝置可以Z好地發(fā)揮作用，但由于是單根軸加熱，機(jī)床生產(chǎn)率偏低，這種方案少被選用；而三根軸同時(shí)加熱效率高，由于工件變形方向的無(wú)序，將使得工件跟蹤裝置無(wú)法發(fā)揮作用，由于這種方案機(jī)床比較復(fù)雜，對(duì)加熱前的工件之穩(wěn)定性有一定的要求否則可靠性無(wú)法保證，在國(guó)內(nèi)和國(guó)外生產(chǎn)中也不是太普遍使用；兩根軸同時(shí)加熱則在上述兩者之間，考慮了生產(chǎn)效率和成本控制的要求，同時(shí)可以適應(yīng)工件的小范圍變形的特性，除非兩個(gè)工件發(fā)生變形的方向差異特別明顯，這樣可能會(huì)損害防變形裝置或者對(duì)工件產(chǎn)生一些影響，此時(shí)可以考慮適當(dāng)將感應(yīng)器跟工件的距離加大，彌補(bǔ)工件本身的材料缺陷，在國(guó)內(nèi)的中半軸生產(chǎn)廠家，主要用的是雙軸同時(shí)淬火的機(jī)床方案。

　　6.中頻發(fā)生器
　　按照中頻發(fā)生器（見(jiàn)圖3）的結(jié)構(gòu)形式可以分為并聯(lián)補(bǔ)償型發(fā)生器（簡(jiǎn)稱并聯(lián)型）和串聯(lián)補(bǔ)償型發(fā)生器（簡(jiǎn)稱串聯(lián)型），如圖4所示。國(guó)產(chǎn)機(jī)床頻發(fā)生器制造商和使用者比較傾向于使用并聯(lián)型發(fā)生器，由于我國(guó)主要學(xué)習(xí)前蘇聯(lián)的中頻加熱技術(shù)，前蘇聯(lián)使用的就是并聯(lián)型發(fā)生器，在國(guó)產(chǎn)設(shè)備中接受并聯(lián)型發(fā)生器的人員也比較多，在原理上和制造工藝上國(guó)內(nèi)對(duì)此掌握得比較好，在生產(chǎn)和運(yùn)行方便學(xué)習(xí)起來(lái)比較容易。同時(shí)在使用過(guò)程中，調(diào)整發(fā)生器的輸出頻率比較方便，僅需要調(diào)整匹配箱中電容就可以實(shí)現(xiàn)頻率的小范圍調(diào)整，適合我國(guó)工業(yè)起步階段多品種少批量的情況下的生產(chǎn)，其缺點(diǎn)是跟工件連接的匹配箱體積較大，重量過(guò)重不便于移動(dòng)，因此大部分的國(guó)產(chǎn)設(shè)備選擇了工件移動(dòng)匹配箱固定的方式，在較為簡(jiǎn)單形狀的工件生產(chǎn)中，基本上能夠滿足使用，在工件形狀較為復(fù)雜或者工藝要求比較高的工件生產(chǎn)中，就無(wú)法彌補(bǔ)此缺陷。

圖3

　　國(guó)外的并聯(lián)型發(fā)生器體積和重量?jī)H有國(guó)產(chǎn)的1/3～1/2，因此在國(guó)外先進(jìn)設(shè)備廠家的設(shè)計(jì)中，多采用工件不移動(dòng)感應(yīng)器移動(dòng)的方式進(jìn)行加熱，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)在加熱過(guò)程中根據(jù)工藝需要，輸出感應(yīng)器相對(duì)于工件X、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng)，達(dá)到高精度的淬火效果。

　　串聯(lián)型發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)匹配輸出頻率，匹配箱較小，比Z輕便的并聯(lián)型還要精簡(jiǎn)1/3～1/2。缺點(diǎn)是串聯(lián)型發(fā)生器的頻率調(diào)整沒(méi)有并聯(lián)型方便，需要重新設(shè)計(jì)感應(yīng)器或者打開(kāi)一體式匹配箱更換一體式電容組來(lái)調(diào)整，在工藝摸索方面不是太方便。應(yīng)用方面，串聯(lián)型比較適合在少品種大批量的產(chǎn)品上應(yīng)用，由于中半軸尺寸雖然有變化，不過(guò)不會(huì)超過(guò)5mm，對(duì)應(yīng)的頻率范圍調(diào)整不大，串聯(lián)型發(fā)生器的自動(dòng)匹配之優(yōu)點(diǎn)得以發(fā)揮。前面提到的中空軸，若工件中空部分是允許完全淬透的，發(fā)生器頻率則不是太關(guān)鍵，若中空部分是不允許完全淬透的，只能考慮更先進(jìn)的串聯(lián)型，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)發(fā)生器輸出兩個(gè)不同的頻率，在工件的加工過(guò)程中對(duì)不同的位置實(shí)現(xiàn)不同的加熱效果。但是這種發(fā)生器成本比較高，目前僅在德國(guó)高端零部件生產(chǎn)商中使用，在國(guó)內(nèi)使用的并不普遍。

圖4

　　7.單、雙圈感應(yīng)器
　　感應(yīng)器是跟工件聯(lián)系Z緊密的裝置，在中半軸的加熱中，多見(jiàn)的單圈感應(yīng)器和雙圈感應(yīng)器。單圈感應(yīng)器有利于對(duì)工件淬硬層的控制，同樣的工況下，單圈感應(yīng)器淬火出來(lái)的效果在淬硬區(qū)和非淬硬區(qū)之間過(guò)渡非常明顯，只是中頻發(fā)生器功率比較大，會(huì)導(dǎo)致機(jī)床成本的增加。雙圈感應(yīng)器有利于提高中頻發(fā)生器的利用率，由于感應(yīng)器的圈數(shù)直接影響著感應(yīng)器中磁力線的強(qiáng)弱，若使用雙圈感應(yīng)器，在同樣的工況下，工件加熱時(shí)間更短和中頻發(fā)生器功率要求更低，但對(duì)淬硬區(qū)的控制未必非常理想，僅能使用在對(duì)淬火過(guò)渡區(qū)要求不是特別高的工件上。在中半軸的淬火中，由于工件淬硬層比較深（3～6mm），過(guò)渡區(qū)的意義不是太大，因此可以接受雙圈的感應(yīng)器，這樣可以減少中頻發(fā)生器的功率，減少設(shè)備投入。

　　8.柔性淬火機(jī)床
　　現(xiàn)在國(guó)外的主流是柔性淬火機(jī)床，能自動(dòng)編多種淬火工件的程序，自動(dòng)識(shí)別淬火工件，轉(zhuǎn)換工件只需2～5min，按儲(chǔ)存工藝選定參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，提高工作效率。國(guó)內(nèi)的自動(dòng)化程度還稍差，停留在手動(dòng)輸入切換品種的階段。

　　在機(jī)床的控制系統(tǒng)方面，現(xiàn)在使用中主要是德國(guó)的西門(mén)子和日本的發(fā)那科控制系統(tǒng)。這兩種根據(jù)不同地方的用戶使用習(xí)慣提供不同風(fēng)格的控制系統(tǒng)，差異更多體現(xiàn)在由觀念不同而引起的使用習(xí)慣上。德國(guó)西門(mén)子功能強(qiáng)大（以840D為代表），操作比較復(fù)雜，對(duì)人員的要求比較高，同時(shí)它可以提供較多的參數(shù)，有利于設(shè)備運(yùn)行保養(yǎng)，同時(shí)也有較低系統(tǒng)配置，適合用于簡(jiǎn)單的機(jī)床上，成本也低。日本的發(fā)那科由于配套在日本企業(yè)生產(chǎn)的冷加工和熱處理機(jī)床上，并對(duì)中國(guó)國(guó)情有深入的研究，在英文和日文的基礎(chǔ)上增加了中文對(duì)話，用戶界面比較親和，功能雖然沒(méi)有西門(mén)子般強(qiáng)大，在中頻加熱機(jī)床使用上應(yīng)該說(shuō)功能是足夠了。因此我國(guó)市場(chǎng)上基本是發(fā)那科跟西門(mén)子平分秋色，各自有相應(yīng)用戶群的擁戴，其余的品牌僅在小眾市場(chǎng)上被認(rèn)可，這里就不詳述了。

　　三、結(jié)語(yǔ)
　　中高頻感應(yīng)加熱自面世以來(lái)，就在應(yīng)用方面有著巨大的潛力和廣闊的空間而受世人矚目，未來(lái)值得我們?nèi)ひ?、去發(fā)掘。由于工業(yè)化的潮流不可逆轉(zhuǎn)，而高精度高品質(zhì)的要求不斷提出，環(huán)保概念的不斷深入人心，將會(huì)有更多的人關(guān)注感應(yīng)加熱并將之推廣到我們的工業(yè)生產(chǎn)中去。

　　基于以上所述，在汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)計(jì)劃上設(shè)備的過(guò)程中，需要詳細(xì)分析本公司的產(chǎn)能需要，生產(chǎn)工藝要求，廠房布局，投資情況等各因素，綜合考慮，得出Z佳的方案，保證生產(chǎn)的質(zhì)量，為公司帶來(lái)效益和提升。

來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜志