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EFD轎車等角速萬向節(jié)典型零件淬火機床技術(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)動機前置、前輪驅(qū)動的總體布置形式，前輪既是轉(zhuǎn)向輪又是驅(qū)動輪。作為轉(zhuǎn)向輪，要求它能在Z大轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)任意轉(zhuǎn)動某一角度；作為驅(qū)動輪，則要求驅(qū)動軸在車輪偏轉(zhuǎn)以及車輪相對于主減速器上下運動過程中，不間斷地把動力從主減速器傳到驅(qū)動車輪上。因此，其驅(qū)動軸不能制成整體而要分段，并且要用萬向節(jié)連接，以適應(yīng)行駛時驅(qū)動軸各段交角變化的需要。為保證驅(qū)動軸兩端角速度變化均勻，其萬向節(jié)必須能實現(xiàn)等速傳動，即等角速萬向節(jié)（CVJ）。由于現(xiàn)代轎車的前輪大都采用獨立懸架，則靠近差速器處和靠近車輪處均需有等角速萬向節(jié)，其功能是將發(fā)動機經(jīng)變速器傳出來的扭矩均勻地傳給驅(qū)動輪，同時還要滿足由于車輪跳動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
　　現(xiàn)在世界上通用的辦法就是對等角速萬向節(jié)的核心工件進行表面淬火，此類工件在受扭轉(zhuǎn)和彎曲等交變負荷、沖擊負荷的作用下，表面層承受著比心部更高的應(yīng)力。在受摩擦的場合，表面層還不斷地被磨損，因此對表面層提出高強度、高硬度、高耐磨性和高疲勞極限等要求，只有表面強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，因此在生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛。

　　等角速萬向節(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：

　?。?）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。
　?。?）工藝重現(xiàn)性好，即重復性好，一致性高。
　?。?）容易實現(xiàn)局部淬火（對大零件也一樣）。
　　（7）設(shè)備緊湊，使用方便，勞動條件好。
　?。?）便于機械化和自動化。

　　感應(yīng)加熱的過程分為三部：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→交變磁場來產(chǎn)生渦流達到加熱的效果。

　　二、國內(nèi)外感應(yīng)淬火機床概況
　　結(jié)合等角速萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)討論一下當今國內(nèi)外感應(yīng)淬火機床的概況。常用的轎車等角速萬向節(jié)分別為：
　?、偾蚧\式，即RF型，用在車輪一側(cè)，有等速作用，無軸向滑動。
　?、谕彩剑碫L型，用在變速器差速器一側(cè)，既有等速作用又能軸向滑動。

　　前輪驅(qū)動用的等角速萬向節(jié)驅(qū)動軸亦稱傳動軸（廣義上），位于驅(qū)動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等角速萬向節(jié)、中半軸、RF等角速萬向節(jié)、前輪轂傳至驅(qū)動輪（注：狹義上中半軸亦稱中間軸或者傳動軸）。

圖1 廣義的傳動軸

　　1.長軸和短軸淬火機床
　　中半軸按照外形劃分，可分為長軸和短軸。在等角速萬向節(jié)驅(qū)動軸中，長軸和短軸是一一配對的。長軸800～1000mm，短軸400～500mm。

　　感應(yīng)淬火方式上，長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。掃描式淬火的特點是，機床結(jié)構(gòu)簡單，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，運行成本低，需操作者連續(xù)工作配合機床上下料，在使用過程中品種切換方便。

　　短軸一次性淬火機床特點是機床設(shè)計復雜，機械化程度非常高，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)備的造價也會提高3倍。換言之，一次性淬火機床的初期投入比較大，使用后在單位時間內(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)時使用，暫時還不適合國內(nèi)中半軸生產(chǎn)廠家使用，一則是因為設(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.中空軸和實軸淬火機床
　　中半軸按設(shè)計形式，可分為中空軸和實軸。現(xiàn)在常用的是實軸，如圖2c所示，但將來汽車的發(fā)展是減低重量、降低制造和運行成本，圖2a、2b中空軸如下圖第二組會成為主流。

　　實軸的淬火工藝國內(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發(fā)生變化，因此機床會根據(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法在加熱過程中改變，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，這樣一來制造成本降低50%以上，現(xiàn)在還不是太普遍，只在德國及日本某些供應(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，同時意味著機床的中頻發(fā)生器需要在掃描過程中可以切換輸出兩個頻率段的感應(yīng)電流，此類工藝還在摸索階段，有待更多的實驗室驗證。中空軸的淬火工藝國內(nèi)還處在摸索和學習階段，雖然將來會是趨勢，但是考慮到工藝等因素未成熟，短時間內(nèi)估計無法生產(chǎn)。

圖2

　　3.半自動機床和全自動機床
　　從自動化程度上，機床分為半自動機床和全自動機床。半自動機床由工人將工件上下料，按下啟動鍵發(fā)出指令通知機床就位，機床的控制系統(tǒng)收到信號后關(guān)閉安全門，自動完成淬火，噴淋，開啟安全門，等待下一次的指令。這種半自動機床方式由于造價較低，人員操作強度中等，整體運行費用低，為行業(yè)所接受。

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

　　4.液壓和全機械式
　　按照淬火設(shè)備的傳動型式劃分，有液壓和全機械式兩種。液壓式有被淘汰之趨勢。全機械式采用變頻調(diào)速電動機、步進電機或伺服電機通過滾珠絲杠傳動、T型絲杠或直線移動導軌等，移動速度均勻、精確，易實現(xiàn)變速移動。方便實現(xiàn)復雜的加工過程和快速的生產(chǎn)節(jié)拍。

　　5.中頻加熱機床
　　由于中半軸在加熱過程中，工件在前工序冷加工時殘留的內(nèi)部應(yīng)力會被釋放，這些無規(guī)則的應(yīng)力會導致工件在X、Y、Z三個方向產(chǎn)生不可預測的變形，這就對中頻加熱機床提出了新的要求。國產(chǎn)設(shè)備采用的對應(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的加熱時間才能達到預期的加熱效果，因此這種方式有被淘汰的趨勢。

　　國外設(shè)備采取的對應(yīng)措施是增加了工件防變形裝置，在工件產(chǎn)生變形的初期對工件進行一個糾正和預防，同時感應(yīng)器可以實現(xiàn)對工件的自動跟蹤，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)的兩根中半軸同時加熱，少數(shù)的三根軸同時加熱。單軸加熱時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，機床生產(chǎn)率偏低，這種方案少被選用；而三根軸同時加熱效率高，由于工件變形方向的無序，將使得工件跟蹤裝置無法發(fā)揮作用，由于這種方案機床比較復雜，對加熱前的工件之穩(wěn)定性有一定的要求否則可靠性無法保證，在國內(nèi)和國外生產(chǎn)中也不是太普遍使用；兩根軸同時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，同時可以適應(yīng)工件的小范圍變形的特性，除非兩個工件發(fā)生變形的方向差異特別明顯，這樣可能會損害防變形裝置或者對工件產(chǎn)生一些影響，此時可以考慮適當將感應(yīng)器跟工件的距離加大，彌補工件本身的材料缺陷，在國內(nèi)的中半軸生產(chǎn)廠家，主要用的是雙軸同時淬火的機床方案。

　　6.中頻發(fā)生器
　　按照中頻發(fā)生器（見圖3）的結(jié)構(gòu)形式可以分為并聯(lián)補償型發(fā)生器（簡稱并聯(lián)型）和串聯(lián)補償型發(fā)生器（簡稱串聯(lián)型），如圖4所示。國產(chǎn)機床頻發(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，由于我國主要學習前蘇聯(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內(nèi)對此掌握得比較好，在生產(chǎn)和運行方便學習起來比較容易。同時在使用過程中，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現(xiàn)頻率的小范圍調(diào)整，適合我國工業(yè)起步階段多品種少批量的情況下的生產(chǎn)，其缺點是跟工件連接的匹配箱體積較大，重量過重不便于移動，因此大部分的國產(chǎn)設(shè)備選擇了工件移動匹配箱固定的方式，在較為簡單形狀的工件生產(chǎn)中，基本上能夠滿足使用，在工件形狀較為復雜或者工藝要求比較高的工件生產(chǎn)中，就無法彌補此缺陷。

圖3

　　國外的并聯(lián)型發(fā)生器體積和重量僅有國產(chǎn)的1/3～1/2，因此在國外先進設(shè)備廠家的設(shè)計中，多采用工件不移動感應(yīng)器移動的方式進行加熱，同時可以實現(xiàn)在加熱過程中根據(jù)工藝需要，輸出感應(yīng)器相對于工件X、Y、Z三個方向的移動，達到高精度的淬火效果。

　　串聯(lián)型發(fā)生器的優(yōu)點是自動匹配輸出頻率，匹配箱較小，比Z輕便的并聯(lián)型還要精簡1/3～1/2。缺點是串聯(lián)型發(fā)生器的頻率調(diào)整沒有并聯(lián)型方便，需要重新設(shè)計感應(yīng)器或者打開一體式匹配箱更換一體式電容組來調(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，不過不會超過5mm，對應(yīng)的頻率范圍調(diào)整不大，串聯(lián)型發(fā)生器的自動匹配之優(yōu)點得以發(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，只能考慮更先進的串聯(lián)型，可以實現(xiàn)一個發(fā)生器輸出兩個不同的頻率，在工件的加工過程中對不同的位置實現(xiàn)不同的加熱效果。但是這種發(fā)生器成本比較高，目前僅在德國高端零部件生產(chǎn)商中使用，在國內(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，多見的單圈感應(yīng)器和雙圈感應(yīng)器。單圈感應(yīng)器有利于對工件淬硬層的控制，同樣的工況下，單圈感應(yīng)器淬火出來的效果在淬硬區(qū)和非淬硬區(qū)之間過渡非常明顯，只是中頻發(fā)生器功率比較大，會導致機床成本的增加。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)器中磁力線的強弱，若使用雙圈感應(yīng)器，在同樣的工況下，工件加熱時間更短和中頻發(fā)生器功率要求更低，但對淬硬區(qū)的控制未必非常理想，僅能使用在對淬火過渡區(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.柔性淬火機床
　　現(xiàn)在國外的主流是柔性淬火機床，能自動編多種淬火工件的程序，自動識別淬火工件，轉(zhuǎn)換工件只需2～5min，按儲存工藝選定參數(shù)進行生產(chǎn)，提高工作效率。國內(nèi)的自動化程度還稍差，停留在手動輸入切換品種的階段。

　　在機床的控制系統(tǒng)方面，現(xiàn)在使用中主要是德國的西門子和日本的發(fā)那科控制系統(tǒng)。這兩種根據(jù)不同地方的用戶使用習慣提供不同風格的控制系統(tǒng)，差異更多體現(xiàn)在由觀念不同而引起的使用習慣上。德國西門子功能強大（以840D為代表），操作比較復雜，對人員的要求比較高，同時它可以提供較多的參數(shù)，有利于設(shè)備運行保養(yǎng)，同時也有較低系統(tǒng)配置，適合用于簡單的機床上，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床上，并對中國國情有深入的研究，在英文和日文的基礎(chǔ)上增加了中文對話，用戶界面比較親和，功能雖然沒有西門子般強大，在中頻加熱機床使用上應(yīng)該說功能是足夠了。因此我國市場上基本是發(fā)那科跟西門子平分秋色，各自有相應(yīng)用戶群的擁戴，其余的品牌僅在小眾市場上被認可，這里就不詳述了。

　　三、結(jié)語
　　中高頻感應(yīng)加熱自面世以來，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)計劃上設(shè)備的過程中，需要詳細分析本公司的產(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，為公司帶來效益和提升。

來源：《金屬加工（熱加工）》雜志