沖壓

感應加熱技術工藝在汽車制造中的應用

轉載 :  zaoche168.com   2018年04月28日

  一、感應加熱的原理及特點

  1. 電磁感應現象

  電磁感應現象是指放在變化磁通量中的導體,會產生電動勢。此電動勢稱為感應電動勢或感生電動勢,若將此導體閉合成一回路,則該電動勢會驅使電子流動,形成感應電流(見圖1)。

  

  電磁感應現象的發現,乃是電磁學領域中最偉大的成就之一。它不僅揭示了電與磁之間的內在聯系,而且為電與磁之間的相互轉化奠定了實驗基礎,為人類獲取巨大而廉價的電能開辟了道路,在實用上有重大意義。電磁感應現象的發現,標志著一場重大的工業和技術革命的到來。事實證明,電磁感應是發電機、感應電機、變壓器和大部分其他電力設備操作的基礎,在電工、電子技術、電氣化、自動化和工業加熱方面的廣泛應用,對推動社會生產力和科學技術的發展起到了重要的作用。

  2. 感應加熱原理

  感應加熱技術應用的就是變壓器的工作原理,在感應器(變壓器的初級線圈)中通入交變電流后,在其周圍會產生交變磁場,放置在其附近的金屬工件(變壓器的短路次級線圈)在交變磁場的作用下,會產生電動勢,在該電動勢的驅使下使工件中的電子流動形成感應電流(渦流見圖2)。在工件中電阻的作用下將電能轉變為熱能,使工件本身加熱。

  

  3. 感應加熱的優點

  如上所述,感應加熱是利用在金屬中產生的感應電流直接實現工件的加熱。該加熱方式是一種非接觸式加熱,其電熱轉換效率主要取決于金屬材料的磁導率和感應器(變壓器的初級線圈)與工件(變壓器的次級線圈)的耦合程度,即金屬的磁導率越高,熱轉換效率越高,感應器與工件的耦合越緊,熱轉換效率越高。而普通的爐中加熱均需要有加熱源,通過加熱源的輻射、熱量在加熱介質中的對流,以及被加熱體的熱傳導三個過程實現金屬工件的加熱,其加熱效率是加熱源的能量轉換效率、熱量的對流效率和熱量在被加熱體中的傳導效率的綜合效率。相比之下,感應加熱具有如下優點:

  (1) 沒有對流和傳導的加熱過程,在工件的內部直接加熱,加熱速度快。

  (2)減少了工件在加熱過程中的氧化和脫碳。

  (3) 節約能源,不需要爐中加熱時所需的加熱爐的預熱和升溫,可隨時開始和停止加熱,在非工作周期不需要保持加熱爐的溫度。

  (4)加熱時間短,生產效率高,有效地減少了工藝成本。

  (5)可實現零件的局部加熱。

  (6)設備的機械化、自動化程度高,占地面積少,可實現與自動化生產線的共線生產。

  (7)工作環境清潔、安全、噪聲小,屬于環境友好型生產方式。

  (8)設備的故障率低,維護、維修、保養成本低。

  二、感應加熱新技術及新工藝在汽車制造領域中的應用

  由于感應加熱技術具有上述諸多優點,在現代汽車制造中廣泛用于鑄造加工中的黑色金屬及各種有色金屬的熔煉,壓力加工中的毛坯透熱,零件熱處理中的淬火、回火、正火及退火,焊接加工中的焊前預熱、焊后的焊縫去應力退火、有色金屬的釬焊,部件裝配過程中過盈配合零件的熱裝配、金屬制件與塑料件的熱合成,粘接涂膠過程中的感應加熱烘干及固化,以及表面防護中的非金屬粉末熱涂覆等。

  1. 隧道式感應加熱爐的應用

  在汽車零部件鑄件的生產過程中,由美國Aj a xTOCCO、Inductotherm Group、德國INDUGA等世界著名感應加熱設備制造商所提供技術先進的隧道式感應加熱爐已得到大量應用。隧道式感應加熱爐(見圖3)是用于金屬熔煉效率最高的電爐之一,在世界先進的有色及黑色金屬鑄造廠都可以見到。與螺線管形式感應器的無芯感應加熱爐相比,它采用了一種隧道形式的帶有鐵芯的感應器,其工作原理就如同一個變壓器,該隧道式感應器就是變壓器的初級線圈,坩堝內的熔融金屬就是變壓器的次級線圈。由于感應器與熔融金屬的耦合較緊,加熱過程中功率因數很高,電能的利用率也非常高,可實現節約能源的目標;另外,由于電磁攪拌的作用效果非常好,熔融金屬的成分均勻性也非常好,得到了用戶的高度認可。除用于普通的鑄造生產還可用于壓力鑄造的在線生產。

  

  2. 金屬半固態成形中感應加熱技術的應用

  隨著全球性能源危機,汽車輕量化顯得尤為重要,在汽車制造中鋁合金及一些輕合金的應用越來越多。為了提高這些輕金屬的強度,對鋁制零件的內在質量要求也越來越高,一種能夠改善金屬內部組織結構的半固態成形技術得到了廣泛的應用。美國的INDUCTOHEAT、AMERITHERM、ELECTROHEAT、BONE FRONTIER等公司介紹了感應加熱半固態成形技術(見圖4)。半固態成形的概念就是首先將制備好的坯料加熱到較低熔點的溫度,此時的組織狀態是細小球狀顆粒和液態的混合相,然后這種半固態的液體注入到成型的模腔中成形,在結晶過程中每個細小的球狀顆粒都可以作為一個晶核長大完成結晶過程,其最終的組織結構是細密均勻的球狀組織,與傳統鑄造的樹枝狀結晶組織有很大區別。之所以能夠得到球狀組織,在加熱過程中需要利用攪拌的手段,使半熔融金屬中的固態顆粒進行球化,且在液態中分布均勻。而用感應加熱方式即將金屬加熱到所需的溫度,另外在交變磁場的作用下,還可以得到電磁攪拌的效果,因此該技術廣泛用于電磁連鑄生產過程。該技術的優點有以下幾個方面:

  

  (1)高效節能,易于實現機械化和自動化,生產過程穩定,質量一致性好。

  (2)生產效率高,可以與壓鑄生產保持同步。

  (3)可以減少進入模腔的氣體,鑄件的縮孔、疏松等質量缺陷少。

  (4)鑄件的組織細密、均勻,強度有很大提高。

  (5)混合液體的溫度較低,降低了對模具的熱沖擊,從而有效地提高了模具壽命。

  3. 汽車齒輪仿形雙頻感應淬火技術的應用

  齒輪輪齒在載荷的作用下,輪齒根部的彎曲應力最大,同時在齒根部與輪緣的過度部分由于形狀和尺寸的急劇變化產生應力集中。另外,由于在齒輪的嚙合過程中輪齒的接觸面積很小(理論上是線接觸),在載荷的作用下,在齒面將產生很大的脈動變化的接觸壓應力,所以齒圈的失效形式主要是輪齒折斷、齒面損壞和塑性變形。為了提高汽車齒輪的耐磨性和彎曲強度,要求齒輪的齒部表面和齒根表面具有較高的硬度和表面壓應力;而為了避免產生脆性斷裂,提高輪齒的韌性,心部硬度不易過高。目前廣泛用于汽車齒輪的熱處理方法有滲碳淬火和氮化處理。滲碳處理可以滿足上述性能要求,但存在生產周期長、效率低、熱處理變形控制困難,以及生產成本高等不足。氮化處理也存在生產周期長、效率低、生產成本高等不足,由于硬化層較薄,對提高耐磨性的作用較大,但對提高強度的作用則很小。

  鑒于上述情況,美國的INDUCTOHEAT等公司介紹了齒輪單圈感應器雙頻感應淬火(single coil dualfrequency gear hardening)技術,該技術使用一個感應器,兩套感應加熱電源,其中一套頻率為10~25kHz ,功率根據齒輪的尺寸和模數大小確定,用于齒根部分的加熱,另外一套電源的頻率為150~350kHz ,功率根據齒輪的尺寸和模數大小確定,但該功率是較低頻率電源的2~3倍。采用分時段加熱的方式,首先使用較低頻率電源,比功率為2~4kW/cm2,將工件加熱至低于奧氏體化溫度50~100℃時立即停止加熱,改用另外一個頻率較高的電源給感應器供電,比功率為6~10kW/cm2用于加熱齒頂部分,瞬間使加熱溫度達到高于奧氏體化溫度80~100℃,停止加熱(見圖5),并立即噴水冷卻,完成淬火過程,得到有效硬化層仿形分布的效果。

  

  德國ELDEC等公司介紹了s imu l t a n e o u s d u a lfrequency gear hardening技術。該技術使用一個感應器,一套頻率分別為10~25kHz和150~350kHz的雙頻感應加熱電源,功率根據齒輪的尺寸和模數大小確定,采用同時加熱的方式,即在同一個感應器內通有上述兩種頻率的交變電流,比功率一般在15~20kW/cm2,根據零件的尺寸和模數通過試驗確定,在極短的時間內(0.2~1.5s)完成齒根、齒面和齒根的加熱過程,并立即噴水進行冷卻,完成淬火過程,同樣得到有效硬化層仿形分布淬火的效果(見圖6)。汽車齒輪仿形雙頻感應淬火技術優點是,加熱時間短,生產效率高,零件的淬火變形小,設備的占地面積少,生產環境清潔無污染,機械化、自動化程度高,可與其他加工設備共線生產。

  

  

  4. 感應加熱技術在非金屬粉末涂敷中的應用

  為了減小汽車傳動軸花鍵軸叉和花鍵套管間的摩擦系數,降低噪聲,提高整車的可靠性和耐久性,借鑒國外樣車的成功經驗,經對標分析發現,在花鍵套管與花鍵軸叉的配合位置做了局部尼龍涂敷,采用的是熱涂敷工藝。用爐中加熱方式存在以下不足:

  (1) 需要將零件整體加熱,工藝周期長,為滿足生產節拍,設備占地面積大。

  (2)只需要局部涂敷,其余部分要進行防護,導致工序復雜。

  (3)為了滿足工藝節拍的要求,保證零件到達涂敷工位的工藝溫度,需要工件有較高的過熱度,導致工件的表面氧化,降低涂敷材料和零件間的附著力, 影響涂敷質量。

  為此,一汽集團公司應用感應加熱技術,利用感應加熱可以實現零件局部加熱的特點,采用合理的工藝方法和工藝參數,嚴格控制加熱區域和加熱溫度,減少了零件在涂敷前的氧化,不需涂敷的部分大大低于工藝溫度,不用采取任何防護措施。設備的占地面積小,自動化程度高,可根據涂敷工序的時間合理安排感應加熱的節拍,并實現了在線生產,涂敷后實物見圖7。該工藝提高了生產效率,降低了能耗和工藝成本,改善了生產環境,取得了較好的經濟效益和社會效益,具有廣泛的推廣應用前景。

  5. 感應加熱技術在高強鋼板成形及熱處理中的應用

  為了提高汽車車身的安全性及實現輕量化的目標,歐美及日本等汽車制造技術比較先進的各汽車廠家,爭相采用減薄高強鋼板,通過熱處理強化的方式,提高車身結構件的強度。通常的做法是,使用為滿足車身板熱處理需求而開發的專用鋼板。該材料應具有淬硬性能好、在高溫晶粒長大速度慢、組織細密等性能,在進行沖壓成形前使其在加熱爐中加熱到奧氏體化溫度以上50~80℃,然后快速送到模具內成形,利用帶有冷卻水道的模具使其迅速冷卻到馬氏體相變點以下溫度,進行馬氏體轉變,實現淬火過程。目前的加熱方式一般采用帶有快速送料機構的縫隙式加熱爐進行加熱,為了減少加熱過程中的氧化,爐內還要用惰性氣體或保護氣氛加以保護。經這樣處理后的車身結構件(如A、B、C柱及副車架等,見圖8)的抗拉強度能夠達到1300~1500MPa,提高近2~3倍,因而在實現了輕量化的情況下,大大提高了汽車的安全性。

  

  據資料介紹,日本的高周波熱煉等公司利用感應加熱速度快的特點,成功開發了用感應加熱代替廣泛使用的爐中加熱新技術。該技術具有加熱速度快,電熱轉換效率高,設備占地面積少,機械化和自動化程度高,以及能夠與生產線共線生產等優點,并在生產中得到應用。

  三、結語

  隨著中國經濟的高速發展和對環境保護的高度重視,在全球性能源緊張的背景下,節能、環保是汽車制造業要面對的兩個非常重要的現實問題。作為一種高效、污染小的加熱方式,感應加熱技術在汽車制造領域將會得到越來越廣泛的應用。

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