主頁 > 軸承知識

EFD轎車等角速萬向節(jié)典型零件淬火機床技術

2018-03-13

陳鍵
【易孚迪感應設備（上海）有限公司廣州分公司】

　　現代轎車多采取發(fā)動機前置、前輪驅動的總體布置形式，前輪既是轉向輪又是驅動輪。作為轉向輪，要求它能在Z大轉角范圍內任意轉動某一角度；作為驅動輪，則要求驅動軸在車輪偏轉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動車輪上。因此，其驅動軸不能制成整體而要分段，并且要用萬向節(jié)連接，以適應行駛時驅動軸各段交角變化的需要。為保證驅動軸兩端角速度變化均勻，其萬向節(jié)必須能實現等速傳動，即等角速萬向節(jié)（CVJ）。由于現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)動機經變速器傳出來的扭矩均勻地傳給驅動輪，同時還要滿足由于車輪跳動而引起的軸向伸縮和轉向要求。

　　一、感應加熱表面淬火的特點
　　現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、生產率高等優(yōu)點，因此在生產中應用極為廣泛。

　　等角速萬向節(jié)淬火工藝主要分為感應加熱表面淬火與滲碳滲氮表面淬火。感應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。
　?。?）感應淬火工藝減小淬火變形，工件因不是整體加熱，變形小。
　　（3）工件加熱時間短，表面氧化脫碳量少。
　　（4）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。
　?。?）工藝重現性好，即重復性好，一致性高。
　　（6）容易實現局部淬火（對大零件也一樣）。
　　（7）設備緊湊，使用方便，勞動條件好。
　?。?）便于機械化和自動化。

　　感應加熱的過程分為三部：工頻電流轉為交變的電流→交變的電流產生交變的磁場→交變磁場來產生渦流達到加熱的效果。

　　二、國內外感應淬火機床概況
　　結合等角速萬向節(jié)的結構討論一下當今國內外感應淬火機床的概況。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，有等速作用，無軸向滑動。
　?、谕彩?，即VL型，用在變速器差速器一側，既有等速作用又能軸向滑動。

　　前輪驅動用的等角速萬向節(jié)驅動軸亦稱傳動軸（廣義上），位于驅動橋差速器和前輪之間，如圖1所示。扭矩經差速器的內半軸、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)驅動軸中，長軸和短軸是一一配對的。長軸800～1000mm，短軸400～500mm。

　　感應淬火方式上，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，機床結構簡單，中頻發(fā)生器功率要求不高，節(jié)拍中等，設備投入成本低，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提高，短軸一次性淬火生產比掃描式的節(jié)拍可以提高3倍左右，但設備的造價也會提高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生產的成本較低，適合大型企業(yè)穩(wěn)定的大批量生產時使用，暫時還不適合國內中半軸生產廠家使用，一則是因為設備的前期投入大，還有很重要的原因是感應器成本高，設備柔性低。

　　2.中空軸和實軸淬火機床
　　中半軸按設計形式，可分為中空軸和實軸?，F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，因此機床會根據程序的指令調整中頻發(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，現在還不是太普遍，只在德國及日本某些供應商處有生產。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，短時間內估計無法生產。

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上加入傳送帶裝置以完成工件的傳輸和上下料機構以完成工件的就位，上下料機構分為機器人（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的穩(wěn)定性要求極高，基本上是采用自動化生產線。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，否則自動化生產線停機造成的產能損失將遠大于半自動生產線。

　　4.液壓和全機械式
　　按照淬火設備的傳動型式劃分，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，易實現變速移動。方便實現復雜的加工過程和快速的生產節(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部應力會被釋放，這些無規(guī)則的應力會導致工件在X、Y、Z三個方向產生不可預測的變形，這就對中頻加熱機床提出了新的要求。國產設備采用的對應措施是將輸出感應器跟工件的距離加大，留出余量給工件可能產生的變形，這就犧牲了中頻發(fā)生器的效率，由于輸出感應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。

　　國外設備采取的對應措施是增加了工件防變形裝置，在工件產生變形的初期對工件進行一個糾正和預防，同時感應器可以實現對工件的自動跟蹤，保證在感應器跟工件在Z合理的距離內緊密接觸，又不至于讓變形的工件碰上了感應器導致設備故障。這種防變形裝置適用于絕大多數的單根中半軸加熱，大多數的兩根中半軸同時加熱，少數的三根軸同時加熱。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，在國內和國外生產中也不是太普遍使用；兩根軸同時加熱則在上述兩者之間，考慮了生產效率和成本控制的要求，同時可以適應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生一些影響，此時可以考慮適當將感應器跟工件的距離加大，彌補工件本身的材料缺陷，在國內的中半軸生產廠家，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）的結構形式可以分為并聯補償型發(fā)生器（簡稱并聯型）和串聯補償型發(fā)生器（簡稱串聯型），如圖4所示。國產機床頻發(fā)生器制造商和使用者比較傾向于使用并聯型發(fā)生器，由于我國主要學習前蘇聯的中頻加熱技術，前蘇聯使用的就是并聯型發(fā)生器，在國產設備中接受并聯型發(fā)生器的人員也比較多，在原理上和制造工藝上國內對此掌握得比較好，在生產和運行方便學習起來比較容易。同時在使用過程中，調整發(fā)生器的輸出頻率比較方便，僅需要調整匹配箱中電容就可以實現頻率的小范圍調整，適合我國工業(yè)起步階段多品種少批量的情況下的生產，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，因此大部分的國產設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中，就無法彌補此缺陷。

圖3

　　國外的并聯型發(fā)生器體積和重量僅有國產的1/3～1/2，因此在國外先進設備廠家的設計中，多采用工件不移動感應器移動的方式進行加熱，同時可以實現在加熱過程中根據工藝需要，輸出感應器相對于工件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輕便的并聯型還要精簡1/3～1/2。缺點是串聯型發(fā)生器的頻率調整沒有并聯型方便，需要重新設計感應器或者打開一體式匹配箱更換一體式電容組來調整，在工藝摸索方面不是太方便。應用方面，串聯型比較適合在少品種大批量的產品上應用，由于中半軸尺寸雖然有變化，不過不會超過5mm，對應的頻率范圍調整不大，串聯型發(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型，可以實現一個發(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商中使用，在國內使用的并不普遍。

圖4

　　7.單、雙圈感應器
　　感應器是跟工件聯系Z緊密的裝置，在中半軸的加熱中，多見的單圈感應器和雙圈感應器。單圈感應器有利于對工件淬硬層的控制，同樣的工況下，單圈感應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。雙圈感應器有利于提高中頻發(fā)生器的利用率，由于感應器的圈數直接影響著感應器中磁力線的強弱，若使用雙圈感應器，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器，這樣可以減少中頻發(fā)生器的功率，減少設備投入。

　　8.柔性淬火機床
　　現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，轉換工件只需2～5min，按儲存工藝選定參數進行生產，提高工作效率。國內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，有利于設備運行保養(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、結語
　　中高頻感應加熱自面世以來，就在應用方面有著巨大的潛力和廣闊的空間而受世人矚目，未來值得我們去尋覓、去發(fā)掘。由于工業(yè)化的潮流不可逆轉，而高精度高品質的要求不斷提出，環(huán)保概念的不斷深入人心，將會有更多的人關注感應加熱并將之推廣到我們的工業(yè)生產中去。

　　基于以上所述，在汽車零部件生產企業(yè)計劃上設備的過程中，需要詳細分析本公司的產能需要，生產工藝要求，廠房布局，投資情況等各因素，綜合考慮，得出Z佳的方案，保證生產的質量，為公司帶來效益和提升。

來源：《金屬加工（熱加工）》雜志