文/蔡永和·吉林圓方機械集團有限公司
半軸鍛造加熱是產(chǎn)品質(zhì)量控制中的重要一環(huán),在加熱過程中通常會產(chǎn)生過熱、過燒等質(zhì)量缺陷,過熱通過后序的熱處理還可以彌補,但過燒是致命的質(zhì)量隱患,即無法彌補,又不容易發(fā)現(xiàn),那么工件如何在加熱過程中溫度可控、溫度一致性好,防止半軸過熱、過燒,減少人為因素的影響,成了半軸鍛造加熱過程中必須解決的問題。
為了攻克這一難題,在設(shè)計和改進過程中重點針對半軸鍛造加熱過程溫度監(jiān)測和到溫后如何自動控制進行了研究和討論,最終確定方案為工件在加熱過程中采用紅外測溫儀實時監(jiān)測,工件達到設(shè)定溫度時測溫儀發(fā)出信號到PLC 機,PLC 機將信號再傳遞給電磁閥,電磁閥動作控制頂軸氣缸活塞桿頂出,活賽桿頂動半軸,半軸自動出料。這種設(shè)計方案既不影響生產(chǎn)效率,又不增加勞動強度,簡單實用,控制半軸鍛造加熱溫度準確、穩(wěn)定、可靠,完全消除了人為各種因素的影響,已經(jīng)通過了沃爾沃公司的嚴格審核,這種方案運行至今沒有出現(xiàn)過因為過熱、過燒等加熱缺陷產(chǎn)生的不合格品。
半軸的定義:半軸是在差速器與驅(qū)動輪之間傳遞動力的實心軸,其內(nèi)端與差速器半軸齒輪連接,而外端與驅(qū)動輪的輪轂(或制動鼓/制動盤等)相連。
半軸的作用:從差速器傳遞來的扭矩經(jīng)過半軸、輪轂等,最終傳遞給車輪,是傳遞系中傳遞扭矩的一個重要零件。
半軸的分類:半浮式、全浮式和3/4 浮式三種。所謂“浮”是指卸除半軸的彎曲載荷而言,其中半浮式、全浮式兩種結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用較為廣泛。
半浮式半軸:半浮式半軸一端支承在差速器內(nèi),另一端支承在橋殼上,即承受轉(zhuǎn)矩也承受彎矩,支承結(jié)構(gòu)簡單、成本低,因而被廣泛應(yīng)用于反力彎矩較小的各類轎車或輕型車上。
全浮式半軸:用于差速器與驅(qū)動輪連接起來的非斷開式半軸,只承受轉(zhuǎn)矩,不承受任何反力和彎矩。全浮式半軸常用于牽引車等。
半軸鍛造加熱通常采用感應(yīng)電爐加熱,坯料放入感應(yīng)線圈中,在交變電流的感應(yīng)電動勢的作用下,坯料表面形成強大的渦流,使坯料內(nèi)部的電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。加熱常用控制手段有?/p>
這種火色對比圖(圖1)用起來一般靠感覺、經(jīng)驗來執(zhí)行,存在一定誤差,現(xiàn)在越來越多的企業(yè)不再使用這種方法來控制加熱溫度,只是作為參照執(zhí)行的一種手段。
圖1 火色對比圖
加熱過程中采用紅外測溫儀實時測量工件溫度,出料時檢測溫度并分選,超出工藝設(shè)定,判定為不合格,標識報廢隔離,未達到工藝設(shè)定溫度,冷卻后重新加熱,圖2 為紅外測溫儀顯示溫度狀態(tài),這種加熱靠人為觀察溫度顯示儀來控制加熱溫度,偶爾會出現(xiàn)過熱、過燒等質(zhì)量缺陷。
圖2 紅外測溫儀顯示溫度狀態(tài)
1)過熱。加熱轉(zhuǎn)變終了時所得奧氏體晶粒一般均較細小。但如果在轉(zhuǎn)變終了繼續(xù)升高溫度,奧氏體晶粒將繼續(xù)長大。如果僅僅是晶粒長大而在晶界上并未發(fā)生能使晶界弱化的某些變化,則被稱為過熱。過熱將使隨后的緩冷所得的鐵素體晶粒、珠光體團以及隨后的快冷所得的馬氏體組織變粗,這將使得鋼的強度和韌性變壞。因此必須用再次熱處理來校正由于加熱不當而出現(xiàn)的過熱現(xiàn)象。
2)過燒:如果加熱溫度過高,不僅奧氏體晶粒已經(jīng)長大,而且在奧氏體晶界上也已發(fā)生了某些能使晶界弱化的變化,稱之為過燒。過熱與過燒的區(qū)別在于奧氏體晶界是否發(fā)生弱化。過熱是出現(xiàn)晶粒粗大,晶界加寬的現(xiàn)象,而過燒是晶界晶粒部分低熔點合金相出現(xiàn)復(fù)溶現(xiàn)象。
⑵過熱、過燒產(chǎn)生的原因。
過熱是由于鍛造加熱溫度高,存在一定的保溫,導(dǎo)致晶??焖匍L大,而產(chǎn)生的過熱組織。但是過熱組織還有一種可能,是加熱溫度很快(比如感應(yīng)加熱),晶粒沒有出現(xiàn)快速長大現(xiàn)象,但是鍛造過程很快,產(chǎn)品是終鍛后溫度高,在鍛后堆冷的時候晶粒繼續(xù)長大,而產(chǎn)生過熱組織。過熱主要表現(xiàn)是晶粒過分長大,可通過后序的熱處理改善。過燒則是晶粒間發(fā)生氧化,屬不可逆轉(zhuǎn)的缺陷。過燒的零件已經(jīng)產(chǎn)生晶間裂紋。
⑶過熱或過燒在金相檢查中的判定。
1)結(jié)構(gòu)鋼以晶界出現(xiàn)網(wǎng)狀鐵素體判過熱,有孔洞判過燒。
2)高溫合金晶粒粗大判過熱,晶界有空的孔洞、雜質(zhì)判過燒。
⑷過熱鋼特征。
1)宏觀斷口:產(chǎn)生結(jié)晶狀斷面或無金屬光澤的灰白色粒狀斷面。
2)顯微特征:粗大的A(奧氏體)晶粒,魏氏體組織,原始A 晶界處S 偏析或硫化錳沉淀。
3)過熱鋼的機械性能:塑性和沖擊韌性明顯降低,對強度和硬度基本無影響,圖3 為過熱組織圖片。
圖3 過熱組織圖片(100×)
⑸過燒鋼特征。
1)宏觀斷口:無金屬光澤的灰白色石狀斷面。
2)顯微特征:粗大的A 晶粒,魏氏體組織,原始A 晶界處富P,S 燒熔層及原始奧氏體晶界上硫化錳和磷化鐵沉淀。
3)過燒鋼的機械性能:塑性和沖擊韌性嚴重降低,出現(xiàn)過燒的產(chǎn)品必須報廢,圖4 為40Cr 過燒晶界心部圖。
圖4 過燒40Cr(100×)晶界心部
從以上可以看出,加熱溫度對于半軸機械性能非常重要,是特殊工序。如何測量并控制加熱溫度成了鍛造企業(yè)必須解決的難題。
我們半軸原料原有加熱測溫方式:
方式1:測頭位置在加熱爐膛外,加熱時測量不了實時加熱溫度,只能在半軸加熱好后,拿出電爐時檢測其溫度。
方式2:測頭位置在加熱爐中間位置(加熱溫區(qū)最高地方)能實時檢測加熱溫度。
這兩種測溫方式缺陷:沒有自動控溫裝置,靠人工觀察溫度顯示儀的溫度顯示,存在溫度超過工藝設(shè)定溫度未及時拿出的現(xiàn)象,人為因素大,產(chǎn)品質(zhì)量無法穩(wěn)定。
公司近年來,逐漸開始為國外客戶供貨。VOLVO對本公司審核時,指出鍛造加熱工序為不符合項。根據(jù)VOLVO 公司最新審核要求,要求鍛造加熱溫度控制在±25℃范圍內(nèi)。
根據(jù)公司實際情況及半軸鍛造加熱特點,研究設(shè)計了以下方案:
溫度自動控制:紅外測溫儀測量爐內(nèi)工件最高溫度處,到設(shè)定溫度范圍后,發(fā)出電信號,氣缸得信號后,動作,頂出半軸。
此方案優(yōu)點:投入少,爐頭、紅外測溫儀、電源結(jié)構(gòu)均不變,只增加氣缸、PLC 機、電磁閥、繼電器。自動控溫方案簡圖如圖5 所示。
圖5 自動控溫方案簡圖
溫度自動控制原理:采用紅外測溫儀測量半軸加熱溫度,采集最高加熱點溫度,到達設(shè)定溫度后,紅外測溫儀將信號反饋給PLC 機,PLC 機控制電磁閥動作,電磁閥控制氣缸動作,氣缸動作頂出正在加熱的半軸(把加熱到溫度的半軸原料頂出)。公司采用測量加熱溫度最高點控制辦法,設(shè)定加熱和頂料溫度點1050℃,到1050℃就把加熱好的半軸頂出。報警延時設(shè)定在40 秒,超過40 秒報警燈亮起,半軸原料就不能壓制了(因為半軸在1050℃自然冷卻40 秒,溫度將降至850℃,低于850℃禁止鍛造),需冷卻后重新加熱。此方案能滿足VOLVO 最新標準加熱溫度控制在±25℃的嚴格要求,并通過了VOLVO 的現(xiàn)場審核。頂料氣缸及半軸頂出狀態(tài)如圖6、圖7 所示。
圖6 頂出氣缸圖片
圖7 半軸頂出狀態(tài)圖片
半軸鍛造加熱是關(guān)鍵工序,半軸過燒會破壞組織結(jié)構(gòu),使半軸早期失效,甚至出現(xiàn)零公里斷軸現(xiàn)象,嚴重影響供應(yīng)商在主機廠的質(zhì)量信譽??刂萍訜釡囟?,防止人為因素出現(xiàn)過燒等現(xiàn)象,是加熱采用溫度自動控制的目的。通過設(shè)計制作溫度自動控制裝置,解決了半軸鍛造加熱無法控制的技術(shù)難題,解決了存在過熱、過燒的質(zhì)量隱患,解決了人為控制存在的不穩(wěn)定因素。此種設(shè)計方案經(jīng)濟實用,簡便易行,此種設(shè)計已經(jīng)在本公司其他鍛造工序大面積推廣普及,同時,這種加熱溫度控制方案,在其他產(chǎn)品鍛造加熱自動溫度控制上也非常有借鑒意義。